Опускные колодцы - Лекции по основаниям и фундаментам

    Представляют собой замкнутую в плане и открытую сверху и снизу полую конструкцию, бетонируемую или собираемую из сборных элементов на поверхности грунта  и погружаемую под действием собственного веса или дополнительной пригрузки по мере разработки грунта внутри нее (рис.13.1 и 13.2.).

Рис.13.1 Последовательность устройства опускного колодца:

а – изготовление первого яруса опускного колодца на поверхности грунта; б – погружение первого яруса опускного колодца в грунт; в – наращивание оболочки колодца; г – погружение колодца до проектной отметки; д – заполнение бетоном полости опускного колодца в случае использования его как фундамента глубокого заложения

Рис.13.2. Формы сечений опускных колодцев в плане:

а – круглая; б – квадратная; в – прямоугольная; г – прямоугольная с поперечными перегородками; д – с закругленными торцевыми стенками

•   Форма колодца в плане определяется конфигурацией проектируемого сооружения См. рис.13.2.

Наиболее рациональной является круглая форма, т.к. стенка круглого колодца работает только на сжатие, и при заданной площади основания обладает наименьшим наружным периметром, что уменьшает силы трения по их боковой поверхности, возникающие при погружении. Плоские же стенки опускных колодцев в основном будут работать на изгиб (что далеко не выгодно), но с другой стороны прямоугольная и квадратная форма позволяет более рационально использовать площадь внутреннего помещения.

•   В любом случае очертание колодца должно быть в плане симметричным, т.к. всякая асимметрия осложняет его погружение (прекосы, отклонения).
•   Конструкционные материалы для опускных колодцев:

          - дерево;

          - каменная или кирпичная кладка;

          - металл;

          - бетон

          - ж/б- наиболее распространен:

                    1.Монолитные (только когда форма колодца в плане имеет      сложное очертание, нет возможности изготовления сборных элементов, при проходке скальных грунтов и грунтов с большим числом валунов).

                    2.Сборные (наибольшее предпочтение)

•   Погружению колодца в основание сопротивляются силы трения стен колодца о грунт. Для уменьшения трения колодцам придают коническую или цилиндрически уступчатую форму, с использованием тиксотропной суспензии. Оболочка опускного колодца из монолитного ж/б состоит из двух основных частей : 1 – ножевой; 2 – собственно оболочки. См. рис. 13.3.

Рис.13.3. Форма вертикальных сечений монолитных опускных колодцев:

а – цилиндрическая; б – коническая; в – цилиндрическая ступенчатая; 1 – ножевая часть опускного колодца; 2 – оболочка опускного колодца; 3 – арматура ножа колодца

•   Ножевая часть шире стены оболочки на 100…150мм со стороны грунта.
•   Толщина стен монолитных колодцев определяется из условия создания веса, необходимого для преодоления сил трения.

•   Бетон должен быть прочным, плотным (вес) и иметь высокую водонепроницаемость – В35.
•   Монолитные ж/б колодцы изготавливают непосредственно над местом их погружения на специально изготовленной выровненной площадке. При hк>10м его бетонирование ведется отдельными ярусами, последовательно. К опусканию преступают только после набором бетоном 100% прочности, что непроизводительно (потеря времени).
•   К недостаткам монолитных ж/б опускных колодцев также следует отнести:

          - большой расход материалов, не оправданный требованиями прочности;

          - значительная трудоемкость, за счет их изготовления полностью на строительной площадке;

•   Преимущества монолитных колодцев:

          - простота  изготовления;

          - возможность придания им любой формы;

          - отсутствие (как правило) опасности всплытия

•   Из сборных опускных колодцев наибольшее распространение получили:

          - колодцы из пустотелых прямоугольных элементов (рис.13.4)

Рис.13.4. Сборный опускной колодец из пустотелых прямоугольных блоков:

1 – блоки; 2 – форшахта; 3 – монолитный железобетонный пояс; 4 – нож из монолитного железобетона

          - из плоских вертикальных панелей (клепок) (рис.13.5)

Рис.13.5. Сборный опускной колодец из вертикальных панелей:

1 – панели; 2 – форшахта;

•   Колодцы из пустотелых прямоугольных элементов выполняют с монолитной ножевой частью, на которой монтируется оболочка из сборных двухпустотных блоков (рис.13.4), без перевязки швов (один на другой). Блоки скрепляются между собой только в вертикальных швах. В результате образуются вертикальные пустоты в блоках на всю высоту колодца, заполняемые в последствии бетоном. Если колодец разбит по высоте, то в верхней части каждого яруса опускания устраивают монолитный пояс.

Рис.Схема расположения пустот в блоках опускного колодца

Наличие в блоках сквозных пустот позволяет регулировать вес колодца при его опускании или для выравнивания при перекосах (заполнение пустот тяжелыми материалами, что также при необходимости удерживает колодец от всплытия).

•   Каждая из плоских вертикальных панелей (клепок) представляет собой элемент стены колодца на всю его высоту (рис.13.5). Между собой панели соединяются с помощью петлевых стыков или накладками на сварке.
•   При необходимости возведения такого опускного колодца большей высоты стены его наращивают такими же панелями, но уже без ножевой части. При этом в горизонтальном стыке панели верхнего и нижнего яруса соединяют сваркой закладных деталей.
•   При высоком уровне УГВ в слабых грунтах и откачке воды изнутри колодца вода проникает внутрь колодца, вызывая механическую суффозию (вымывание и перемещение частиц грунта). Вокруг колодца образуется грунт с нарушенной структурой, поверхность  грунта может опускаться, вызывая деформации соседних зданий. Альтернатива данному способу - погружение колодца без откачки воды.

Рис. Схема движения воды (суффозии) при выемке грунта из опускного колодца

•   Открытый водоотлив применяют в устойчивых грунтах с относительно малым Кф.

Рис.13.6. Разработка грунта в опускном колодце:

а – насухо с помощью экскаватора; б – под водой с помощью грейфера; 1 – колодец; 2 – башенный кран; 3 – экскаватор; 4 – кран-экскаватор; 5 – грейфер

Эти две схемы погружения колодцев называются:

    1.Насухо (при отсутствии подземных вод или с применением   открытого водоотлива или водопонижения).

    2. С разработкой грунта под водой.

•   Выбор способа разработки грунта зависит от размеров колодца, геологических условий строительной площадки и местных условий строительства. Так, например, грейферы применяют для разработки рыхлых песков, легких супесей, галечников и т.д.
•   Глубина разработки грунта на одну «Посадку» колодца принимается равной 1,5…2,0м при использовании экскаваторов и бульдозеров и не более 0,5м при  применении средств гидромеханизации.
•   Разработка грунта под водой осуществляется преимущественно экскаваторами, оборудованными грейфером (рис.13.6 б). В случае очень слабых грунтов (плывуны), чтобы предотвратить их наплыв из-под ножа, рекомендуется поднимать уровень воды в колодце на 1…3м выше УГВ, накачивая в него воду.

•   Недостатком «под водой» является:

- сложность контроля процесса откопки;

- трудность удаления крупных включений.

Погружение опускных колодцев в тиксотропных рубашках

•   Для преодоления сил трения, препятствующих погружению колодца, приходится увеличивать его вес, для чего стены делают значительно толще, чем требуется из условия прочности. Однако все-равно может возникнуть ситуация, когда силы трения возрастают настолько, что дальнейшее погружение прекращается еще до достижения сооружением проектной отметки (т.к. зависание).
•   Для уменьшения сил трения был предложен (Озеров А.В. 1945 инж.). Метод погружения колодцев в тиксотропной рубашке.
•   Суть метода: благодаря уступу, устраиваемому в ножевой части снаружи колодца, при погружении вокруг него образуется полость (рис.13.7).

Рис.13.7. Схема погружения опускного колодца в тиксотропной рубашке:

1 – опускной колодец; 2 – форшахта; 3 -  тиксотропная рубашка

    Что бы обеспечить устойчивость грунта стенок полости от оползания или обрушения ее заполняют глинистым раствором с тиксотропными свойствами (бентонитовые глины =>монтмориллонит), который образует тиксотропную рубашку. В результате контакт колодца с грунтом при нормальном его опускании происходит только в пределах его ножевой части, имеющую малую площадь боковой поверхности, т.е. силы трения значительно снижаются. Это практически исключает опасность зависания опускных колодцев и позволяет резко уменьшить их вес.

    После достижения колодцем проектной отметки глинистый раствор в полости тиксотропной рубашки заменяется цементно-песчаным раствором, галечником или гравием.

Осложнения:

• При нагружении опускных колодцев в грунт могут возникнуть следующие осложнения:

          - перекосы;

          - зависания;

          - самопроизвольное опускание;

          - появление трещин в стенах.

•   Для предотвращения перекосов – через каждый метр погружения колодца проверяют его вертикальность геодезическими инструментами (теодолит и т.п.). Обнаруженные перекосы (крены) исправляют:

          - опережающей и более интенсивной разработкой грунта под менее нагруженной ножевой частью;

          - дополнительной пригрузкой этого же участка;

          - уменьшением локального трения грунта этого участка о наружную поверхность стены (откопка грунта, его размыв гидроиглой или виброразрушение).

•   Зависание устраняют увеличением веса колодца (наращивание яруса, дополнительная пригрузка камнем или бетонными блоками и т.п.). Или уменьшением трения при помощи различных промывных устройств.
•   Самопроизвольное опускание происходит в тех случаях, когда основание сложено слабыми грунтами и не выдерживает нагрузок от колодца. Его останавливают путем подвода  под ножевую часть (под наклонную ее часть) специальных ж/б блоков, увеличивающих площадь его опирания на грунт. В том случае, когда произвольное опускание предвидится заранее, с наружной стороны утраивают ж/б кольцевую консоль, которая, опираясь на предварительно подготовленную площадку земли, задерживает дальнейшее погружение.
•   Трещины в стенах колодца появляются либо вследствие недостаточной их жесткости неполного учета нагрузок и сил, либо за счет нарушения технологии производства работ.