ПОДБОР ОПИМАЛЬНЫХ УДЕРЖИВАЮЩИХ СИСТЕМ ФУНДАМЕНТА ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ, ВОЗВЕДЕННОГО МЕТОДОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ», В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ
Мурузина Елена Васильевна,
доцент, кандидат технических наук, доцент, кафедры «Промышленного и гражданского строительства и строительных материалов» Набережночелнинский институт ФГАОУВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Россия, г. Набережные Челны
Галиуллина Дина Рустамовна,
магистрант 2 курса, факультет «Инженерно-строительное отделение» Набережночелнинский институт ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Россия, г. Набережные Челны
Молодцова Мария Андреевна,
магистрант 2 курса, факультет «Инженерно-строительное отделение» Набережночелнинский институт ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», Россия, г. Набережные Челны
Аннотация: в данной статье рассмотрена технология возведения фундамента глубокого заложения способом «Стена в грунте» из монолитного железобетона. Также произведен подбор, посредством расчетов наиболее оптимальной удерживающей системы для глубокого котлована в городской среде. Показано, что при проектировании удерживающих конструкций ограждения котлована необходимо учитывать степень стесненности городской застройки. Пренебрежение данным показателем может повлечь за собой разрушение фундаментов рядом стоящих зданий.
Ключевые слова: стена в грунте; удерживающие системы; распорная система; грунтовый анкер.
Abstract: this article discusses the technology of constructing a deep foundation using the ”Wall in the ground” method of monolithic reinforced concrete. Also, the selection was made, by calculating the most optimal retention system for a deep pit in an urban environment. It is shown that when designing the retaining structures of the pit fence, it is necessary to take into account the degree of constraint of urban development. Neglect of this indicator can lead to the destruction of the foundations of nearby buildings.
Key words: wall in the ground; retaining systems; spacer system; ground anchor.
Введение
В условиях плотной городской застройки, а также дефицита свободных участков подземное строительство приобретает особую актуальность.
Способ «стена в грунте» наиболее приемлем при возведении фундаментов вблизи существующих зданий, так как при этом исключаются динамические воздействия на грунт (как при забивке свай), обеспечиваются минимальные притоки воды в котлован (поэтому не требуется выполнять глубинное водопонижение, опасное для окружающих котлован зданий) и гарантируется устойчивость грунтов оснований существующих фундаментов, поскольку стенка обладает достаточной жесткостью и прочностью [1].
В мировой и отечественной практике известны многочисленные примеры успешного применения этого способа: насосная станция
Криворожского Южного горно-обогатительного комбината, корпус приема и первичного дробления руды Грушевской обогатительной фабрики Никополь-Марганцевского ГОК, противофильтрационные диафрагмы хвостохранилща рудного карьера Ингулецкого ГОК и др., ЖК Черняховского г.Москва, реконструкция Павильона «Космос» [1-2].
Определяющим понятием метода «Стена в грунте» выступают удерживающие системы. В современных условиях застройки городов возникает проблема подбора наиболее оптимальных удерживающих систем для обеспечения устойчивости фундамента глубокого заложения (ФГЗ).
В данной работе рассматривается технология возведения ФГЗ методом «Стена в грунте». А также на основании расчетов определим: какой метод удерживающих систем наиболее целесообразен в применении в условиях плотной городской застройки.
монолитный фундамент стена грунт городская застройка
Методы и исследования
Сущность способа заключается в том, что узкие (0,5-1м) и глубокие (до 40м и более) траншеи разрабатывают под защитой бетонитовой суспензии, которая представляет собой сложный минерал, состав которого определяется содержанием в глине монтмориллонита, имеющего формулу Si8Al4Ь2o(OH)4 х nH2O, где кремний может замещаться различными катионами (алюминием, железом, цинком, магнием, кальцием, натрием, калием и др.), а также обладает малой вязкостью и высокой глинизирующей способностью.
Кольматирует (заполняет поры) стенки траншеи, предотвращая избыточную фильтрацию глинистого раствора в грунтовый массив и удерживая от обрушения вертикальные откосы траншеи (рис. 1).
Рис. 1. Этапы устройства стены в грунте 1. Копровая стойка; 2- кран-эскаватор; 3-грейфер; 4- кран; 5-ограничители; 6- глинистый раствор; 7-армокаркас; 8-отстойник;9- автобетоновоз; 10- трубы для подачи бетона.
Устройство стены в грунте условно подразделяется на несколько этапов (рис. 1):
I- разработка грунта под глинистым раствором;
II- опускание разделительных элементов;
III- установка армокаркасов;
IV- бетонирование стен и извлечение ограничителей;
V- разработка грунтовых целиков;
VI- установка армокаркасов;
VII- бетонирование стен
Для отрывки котлована в трудноразрабатываемых грунтах используют буровое (серии Вектор (ВР-1.120, ВР-5, ВР-4.354, ВР-3.200, ВР2-200)) или бурофрезное оборудование (модель СВД-500 входят: компрессор ДК-9, ситогидроциклонная установка ЧСГУ-2, две глиномешалки МГ2-4, агрегат для приготовления и укладки глиногрунтовой пасты ГЗ -1, смеситель глинистых растворов БС-2, эрлифт), а в мягких грунтах - применяют грейферы (HS 855 HD фирмы Libherr (Германия)) [7].
Траншеи разрабатывают отдельными участками (захватками), длиной 3 - 6м, вскрывая их через один. По мере разработки в них подают глинистый раствор, часть которого смешивается с грунтом и поступает в отстойники, где глинистый раствор отделяется от грунта, подвергается очистке и вновь подается в разрабатываемые траншеи. После разработки траншеи в пределах очередной захватки возводят конструкции стен из монолитного или сборного железобетона (класс бетона В25). В первом случае в траншею опускают арматурные каркасы и производят бетонирование стен методом вертикально перемещающейся трубы [3-6].
При глубине траншей более 20 м рекомендуется применять неизвлекаемые ограничители, входящие в конструкцию арматурного каркаса. Виды ограничителей представлены на рисунке (рис.2).
Разделительные элементы являются сборными и по мере опускания в траншею, собираются из передовой ножевой секции длиной 6 м, рядовой секции 6 м и необходимого числа дополнительных рядовых секций длиной 1 - 2 м (в соответствии с глубиной траншеи).
Конструкция ограничителей должна обеспечивать их врезку в грунтовые стены траншеи не менее чем на 3-5 см. Нижний торец ограничителя должен быть заглублен ниже дна траншеи на 30-50 см. Верх ограничителя должен быть надежно закреплен на форшахте [4].
Рис. 2. Виды ограничителей
1-трубы; 2-железобетонные балки; 3-стальные балки; 4-трубы с уголками; 5- двутавры; 6-швеллеры; 7-фланец; 8-арматурный каркас; 9-полоса из полихлорвинила; 10-стальные стрежни
После бетонирования захватки ограничители извлекаются через 1 -3 часа (до начала сцепления с бетоном).
Формирующиеся в торцах готовых захваток углубления служат для направления землеройного механизма при разработке соседней секции, а после укладки бетона образуют шпоночное соединение [4].
Свободно стоящая стена при одностороннем ее откапывании может иметь лишь ограниченную высоту. Поэтому в необходимых случаях применяют два типа креплений: распорное и анкерное (грунтовой анкер) [1].
Разработка грунта внутри и выемка изнутри сооружения должна производиться равномерно по всей площади. Эти работы должны сопровождаться постоянными наблюдениями за состоянием и возможными деформациями стен сооружений“.
Наиболее распространенным в настоящее время в России способом крепления ограждении“ котлованов при строительстве открытым способом является устройство временной распорной системы из металлических элементов (рис.3).
Рис.3. Пример крепление стены в грунте распорными системами
В качестве распорных элементов обычно используют стальные трубы или прокатные профили. В глубоких котлованах распорные системы устанавливаются в несколько ярусов. Отметки установки ярусов распорок выбираются из статического расчета конструкции с учетом удобства их последующего демонтажа. Для этого распорки располагают несколько выше постоянных перекрытий“ в подземной части проектируемого сооружения. Шаг установки распорных элементов в плане, как правило, находится в диапазоне от 4 до 8 м. Так как распорки передают на ограждение значительные сосредоточенные нагрузки, устройство металлических или железобетонных распределительных поясов в уровне установки распорок является обязательным. При необходимости устройства распорных элементов более 20 м обычно выполняют временные промежуточные опоры-стоики, снижающие свободную длину распорок.
Ограничением целесообразности распорного метода крепления служат плановые размеры и глубина котлована, так как разработка грунта при устройстве трех и более ярусов распорок или при наличии значительного количества промежуточных опор является технологически затруднительном.
При значительном объеме одноразово используемого металла демонтируемых элементов распорной системы этот способ строительства становится неэкономичным.
Грунтовые анкера устраиваются следующим порядке: через железобетон траншейной стенки пробуривают горизонтальную или наклонную скважину (с креплением или без него), в скважину вводят (забивают) специальное устройство -- заделку анкера. В заделке закрепляют трос или стержень. На траншейной стенке устанавливают распределительную пластину, через которую натягивают анкер силой, обеспечивающей устойчивость стенки при откапывании, чтобы ее перемещения не превышали заданной величины (рис. 4). Длину анкеров устанавливают таким образом, чтобы якорь (активная часть устройства) был расположен за пределами призмы обрушения, а сопротивление анкера достигало необходимой величины. Обычно длина анкера составляет 6--20 м (активная часть 1--6 м), диаметр активной части -- 0,2--0,4 м, напряжение (контролируется динамометрами либо по величине удлинения троса или стержня при натяжении) -- в зависимости от вида грунта 150--200 кН. Грунтовые анкеры размещают рядами, в несколько ярусов, чем обеспечивается устойчивость и неподвижность стен любой высоты.
Рис. 4. Крепление стены в грунте грунтовыми анкерами инъекционного типа. 1-призма обрушения; 2-стена в грунте (железобетон); 3-тяж анкера (трос); 4-резиновый пакер (уплотнитель); 5-ерш (активная часть анкера); I- заделка (активная часть); II-пассивная часть; III-натяжное (стопорное) устройство (пунктирные линии - глубина разработки грунта в котловане перед установкой очередного анкера).
На основе вышеизложенного произведем расчет двух видов удерживающих систем. В качестве примера возьмем здание, которое еще находится на стадии проектирования, воспользуемся данными проекта. Для расчета удерживающих систем требуется усилие в распорке равное Np=148 кН/м.
Обеспечение устойчивости ФГЗ распорками
Распорки устанавливаются с шагом S = 6,2 м.
При этом усилие в одной распорке составит:
N1p = Np * S = 148,01кН/м * 6,2м = 917,7кН
Определим требуемую площадь поперечного сечения распорки. Конструкцию распорки принимаем в виде стальной трубы. В первом приближении коэффициент продольного изгиба принимаем равным ф1 = 0,5.
По сортаменту электросварных прямошовных труб по ГОСТ 10704 -91 подбираем трубу 0426 (t = 7мм; А = 92,1 см2; i = 14,8см; р = 72,3 кг/м).
Определяем гибкость трубы:
Гибкость трубы превышает допустимое значение, следовательно, необходимо увеличить диаметр трубы. По сортаменту подбираем трубу 0630 (t = 7мм; А = 137см2; i = 22,0 см; р = 107,5кг/м; Jx = 66477,84 см4; Wx = 2110,41см3).
Определяем гибкость трубы:
Определяем значение изгибающего момента в середине пролета распорки от собственного веса:
Определяем значение максимального прогиба распорки от собственного веса:
Определяем значение дополнительного изгибающего момента, возникающего от продольного изгиба:
М2 = N1p * fmax = 917,7 * 0,0349 = 3202,6 кН * см
Проверяем трубу на внецентренное сжатие:
Вывод: условие выполняется, следовательно, выбираем трубу диаметром 0630мм.
Обеспечение устойчивости ОГК анкерами
Анкера установлены с шагом:
S > 3 * D = 3 * 200 = 600мм
где D - диаметр уширения анкера:
D = 3- d = 3-40 = 120мм
Примем шаг S = 2 м > 0,6 м.
При этом усилие в одном анкере составит:
N1p = Np * S = 148,01 * 2 = 296,02 кН
Расчетная несущая способность анкера по грунту определяется по формуле:
Таким образом, расчетная рабочая нагрузка, допускаемая на анкер, равна:
где гn - коэффициент надежности по назначению сооружения, равной 1,2 для временных анкеров.
Проверяем условие:
N1p = 296,02 кН > Pw = 22,25 кН
Условие не выполняется, следовательно, надо увеличить рабочую часть анкера.
Заключение
На основании вышеизложенного и произведенных расчетов можно сказать, что анкерная система, для рассмотренного случая, существенно уступает распорной системе удерживания стенок фундамента глубокого заложения в условиях стесненной городской застройки. В виду невыполнения условия, которое подразумевает увеличение рабочей части анкера, что может негативно сказаться на фундаментах рядом стоящих зданий.