У. 7. Осушение котлованов

При возведении фундаментов в грунтах, насыщенных водой, воду откачивают, чтобы земляные работы и кладку фундаментов вести в осушенном котловане. Только при значительном притоке воды, когда откачать ее имеющимися средствами не удается, а также, когда вместе с водой происходит вымывание частиц грунтов осно-132

вания, что снижает его плотность и прочность, приходится отказы­ваться от водоотлива и вести работы в затопленном котловане.

Водоотлив может быть открытым и глубинным. При открытом водоотливе воду откачивают насосами непосредственно из котло­вана; глубинный водоотлив состоит в понижении уровня грунтовых вод в районе котлована.

Открытый водоотлив. При полной водонепроницаемости ограж­дений вода в котлован может поступать только через его дно. Если шпунт забит до водоупорного слоя, вода в котлован не поступает. Если же шпунт не доведен до водоупорного слоя, приток воды в котлован будет тем большим, чем больше толщина водонасы-щенного слоя окажется не перекрытой шпунтом.

Для выбора водоотливных средств необходимо знать интенсив­ность притока воды. Наиболее точно приток воды устанавливают пробной откачкой при гидрогеологических изысканиях. Для пред­варительного определения фильтрационного притока воды можно пользоваться формулой

где (2 — количество воды, поступающей в котлован, м³/с; <? — удельный фильтрационный приток воды; Кф — коэффициент фильтрации грунтов, м/с;

Я_н — напор воды, равный разности отметок уровня воды и дна котлова­на, м; Ь — периметр котлована в плане, м; к — коэффициент запаса, равный 1, 2.

Удельный фильтрационный приток воды ц определяется по графикам¹ (рис. У.29). Коэффициент фильтрации для различных грунтов:

Глинистый мелкий и очень мелкий
песок...................................................... /Сф=2.10~⁵Ч-5.10^-5 м/с

Слабоглинистый мелкий и очень мел­
кий песок............................................... Кф=5.10~⁵-М.10~⁴»

Слабоглинистый среднезернистый и
чистый мелкий песок........................... Кф = 1.10~⁴-М.10~³»

Крупный песок с мелким гравием. /Сф = 1.10~³-^5.10^_3»

Средний и крупный гравий..................... Кф=5.10~³ч-1.10~³»

Для более грубых подсчетов принимают, что фильтрационный приток воды на 1 м² дна котлована:

Для мелких песков................................... 0, 05—0, 16 м³/ч

» среднезернистых песков...................... 0, 10—0, 24»

» крупнозернистых».... 0, 3—3»

» трещиноватой скалы....................... 0, 14—0, 25»

По количеству воды, поступающей в котлован, подбирают на­сосы. Насосов. должно быть не менее двух (на случай поломки одного из них). Наиболее часто применяют диафрагмовые насосы с подачей 10—25 м³/ч и центробежные — 60—130 м³/ч и более. На» сосы устанавливают на бровке котлована; всасывающие трубы

¹ Графики составлены ЦГЩБ Главмостостроя.

Ь-{0, 5Ь)

4}

_____ Л ______

^ ^ «^ ^5 " ^ ^ С5Р ^-

0, 5 • 0, 7 0, 0 _№Ъ ^0, 5Ь

Еч

С-У-ЦУ"

■ у//////,

При постройке мостовых опор обычно применяют установки с понижением уровня грунтовых вод до 5 м (установки ПВУ-2, ЛИУ, ЛИУ-3).

При глубинном водоотливе по периметру котлована (рис. У.ЗО, а) прокладывают коллектор из труб диаметром 100—200 мм, к которому через 0, 75—1, 5 м гибкими шлангами присоединяют всасывающие трубы — иглофильтры. Коллектор соединяют с од­ним или несколькими насосными установками. При откачке вокруг каждого иглофильтра создается воронка с пониженным уровнем грунтовых вод. Можно так расположить иглофильтры, что депрес-сионная кривая пройдет ниже дна котлована и вышележащий грунт будет осушен.

При глубине котлована более 5 м применяют многоярусные ус­тановки (рис. У.ЗО, б).

Коллектор с присоединенными к нему иглофильтрами показан на рис. У.31. Иглофильтр представляет собой стальную трубу диа­метром 38—50 мм, собранную из отдельных, звеньев. Нижнее зве­но на конце снабжено специальным фильтрующим устройством'. Фильтр (рис. У.32) состоит из двух труб. Наружная труба, имею­щая в стенке равномерно расположенные отверстия, обмотана спи­ральной проволокой с шагом около 100 мм, поверх которой натя­нута фильтрационная сетка галунного плетения из латунной или оцинкованной стальной проволоки. В последнее время с успехом применяют фильтрационную ткань из капрона. Спиральная обмот­ка служит для отделения сетки от поверхности трубы и предохра-

опускают в водоприемники — неглубокие колодцы, вырытые в по­ниженных местах дна котлована (обычно в его углах). Глубина всасывания для большинства насосов составляет 6—7 м. Если кот-> лован имеет большую глубину, то насосы располагают внутри кот­лована.

Мощность водоотливных средств необходимо согласовывать с видом грунта в основании. В мелкозернистых грунтах при интен­сивном водоотливе возможно вымывание частиц грунта и сниже­ние несущей способности основания. Кроме этого, нарушение структуры грунтов вследствие вымывания его скелета — механи­ческой суффозии может распространиться за пределы котлована и вызвать осадки близко расположенных зданий и сооружений.

Глубинный водоотлив. Глубинный водоотлив применяют в мел­козернистых пылеватых и илистых грунтах с коэффициентом фильтрации от 2, 3-Ю^-5—3, 5-Ю^-5 до 4, 5-10~⁴ м/с. Сущность спосо­ба заключается в откачке грунтовой воды специальными трубами, снабженными фильтрами, не пропускающими мельчайшие части­цы грунта. Это обеспечивает осушение грунтов в районе котлована без нарушения их структуры. Для глубинного водопонижения су­ществуют различные установки, с помощью которых можно осу­шить грунт на глубину более 25 м.

Рис. У.ЗО. Схемы глубинного водоотлива:

/ — насосная станция; 2 — гибкие шланги; 3 —• коллектор; 4 — иглофильтры; 5 — пониженный уровень грунтовых вод

Коллектор с иглофильт-

Рис. У.32. Конструкция фильтра: 1 — фильтрационная сетка; 2 — спираль; 3 — наружная труба; 4 — внутренняя тру­ба; 5 — шаровой клапан; 6 — коронка

нения фильтра от засорения. Внутренняя труба имеет в стенке не­большое число отверстий (до 6). Фильтр оканчивается наконечни­ком, в котором размещен шаровой клапан.

При погружении иглофильтра в грунт вода от насоса отжимает шаровой клапан вниз и, выходя через наконечник, размывает грунт, обеспечивая погружение иглофильтра под собственным ве­сом.

Вода, поступая в небольшом количестве через отверстия во внутренней трубе в межтрубное пространство, выходит наружу и промывает фильтрационную сетку.

Для откачки грунтовой воды специальными вакуум-насосами в иглофильтре создается разрежение. При этом шаровой клапан закрывает нижнее отверстие и вода начинает поступать в трубу только через фильтрационную сетку, переместив в нижнее положе­ние межтрубный кольцевой клапан. После заполнения водой всей водоотводящей сети включаются центробежные насосы, которые и откачивают воду.

Производительность легких иглофильтровых установок состав* ляет от 60 до 280 м³ воды в час при мощности электромоторов от 10 до 55 кВт.

Приближенный расчет водопонизительной установки состоит в следующем.

Расположение иглофильтров по прямоугольному очертанию котлована (рис. У.ЗЗ) заменяют расположением по окружности радиуса

'-/-? -

Каждый иглофильтр понижает воду с площади радиуса К, оп­ределяемого пробными откачками. Для приближенных расчетов величину К (в м) можно определить по формуле И. П. Кусакина

/? = 5758₀УЩ^

Здесь а, Ь — размеры прямоугольного размещения иглофильтров;

5₀ — требуемая глубина понижения уровня грунтовых вод, м;

Н — мощность водоносного слоя, м;

Кф — коэффициент фильтрации, м/с: Общий радиус действия всех иглофильтров можно принять

и далее вести расчет как для совершенного колодца радиусом К_т. Тогда потребная производительность насосной установки

Од/___ 9^9

0=з»ф-~--------------- ~~ при 5₀=Л_К+Д5₀,

где /г_к — глубина котлована, считая от уровня воды, м;

Д5₀ — толщина осушенного грунта ниже дна котлована, принимаемая равной 0, 5—1 м.

При интенсивной откачке скорость поступления воды к игло­фильтрам может оказаться предельной, т. е. такой, при которой возможен размыв грунта. Исходя из этого предельная подача каж­дого иглофильтра

д_п$ = -гг- ^яйо С — ⁵о) Укф-

где й_й — диаметр иглофильтра, м.

I Кг _1__________ $2 _______ ^

Т7777777777.

V

I' 1

Ъ$77

Рис. У.ЗЗ. Схема к расчету глубинного водоотлива:

/ — уровень грунтовых вод; 2 — то же, при водоотливе; 3 — водоупор

Число иглофильтров п должно быть таким, чтобы

п

В грунтах с коэффициентом фильтрации менее 2, 3-Ю^-5 м/с ис­кусственное понижение уровня грунтовых вод малоэффективно,. а в глинах, суглинках, супесях и плывунах оно неосуществимо. В этих условиях прибегают к электроосушению грунта. При элек­троосушении между иглофильтрами и бровкой котлована погру­жают в грунт на глубину иглофильтров металлические стержни или трубы диаметром 30—38 мм; стержни по отношению к игло­фильтрам располагают в шахматном порядке. Верхние концы стержней объединяют электрическим проводом, подключенным к положительному полюсу источника постоянного тока, а игло­фильтры присоединяют к отрицательному. При пропуске постоян­ного электрического тока напряжением 30—60 В в грунте между стержнями и иглофильтрами создается электрическое поле и свя­занная вода, переходя в свободную, перемещается от стержней-анодов к иглофильтрам-катодам, откуда ее откачивают насосами. Постепенно грунт, окруженный стержнями, осушается и одновре­менно в значительной степени уплотняется.

Затрата электроэнергии для электроосушения составляет от 2 до 40 кВт-ч на 1 м³ осушаемого грунта.

У.8. ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОТЛОВАНОВ

Земляные работы нужно максимально механизировать. Из меха­низмов используют пневматический инструмент, различные земле­ройные машины, а также средства гидромеханизации. В сухих котлованах разработка рыхлых грунтов может быть произведена бульдозерами, плотных — пневматическими лопатами-ломами, а -полускальных и скальных пород — отбойными молотками. Грунт из котлована выдают транспортерами (рис. У.34, а) или бадьями с помощью стационарных или передвижных кранов.

Из землеройных машин для рытья котлованов применяют глав­ным образом одноковшовые экскаваторы (прямую и обратную ло­паты) и драглайн.

Экскаватор с прямой лопатой (рис. У.34, б) работает на дне котлована (на уровне низа забоя), и, следовательно, применение его возможно только в сухих котлованах без распорных креплений. Давление на грунт от веса гусеничных экскаваторов составляет около 0, 6 кгс/см², и при грунтах, не выдерживающих этого давле­ния, необходимо укладывать под экскаватор настил из пластин, брусьев и пр. Для вывода экскаватора из котлована необходимо устройство пологого съезда. Прямая лопата выдает грунт на бров­ку котлована, откуда его отвозят вагонетками или другими транс­портными средствами в отвал. При разработке широких и глубо-

Рис. У.34. Схемы разработки котлованов

ких котлованов грунт транспортируют автомобилями-самосвала­ми, заезжающими в котлован под погрузку. Экскаватор с обрат­ной лопатой (рис. У.34, в) в рабочем положении расположен на бровке котлована и может разрабатывать грунт без откачки воды и при наличии распорного крепления. Прямую и обратную лопаты можно с успехом применять для разработки не только рыхлых, но и плотных грунтов, а также грунтов с твердыми включениями.

Драглайны (рис. У.34, г), так же как и обратную лопату, рас­полагают на бровке котлована. Гибкие (тросовые) грузовые связи затрудняют применение драглайна для разработки котлованов со шпунтовым распорным ограждением.

При постройке фундаментов мостовых опор наиболее часто при­меняют экскаваторы с емкостью ковша 0, 25—0, 5 м³; в зависимо­сти от плотности грунтов производительность их в плотном теле составляет от 20 до 40 м³/ч.

Для разработки глубоких котлованов применяют грейферы (рис. У.34, д). Грейфер представляет собой навесное оборудова­ние. Он может быть присоединен к любому виду кранов грузоподъ­емностью не менее 6 т — к экскаватору, самоходному или стацио­нарному крану и т. д. Обычно шрименяют грейферы двух- и четы-рехчелюстные емкостью от 0, 5 до 1 м³. В раскрытом состоянии размер их в илане составляет 2—2, 6 м, что нужно учитывать при назначении расстояний между элементами креплений котлована. Грейферы пригодны для разработки любых сыпучих и связных грунтов, кроме разжиженных, которые, вытекая из грейфера, рез­ко снижают его производительность.

Из средств гидромеханизации для разработки котлованов при­меняют гидроэлеваторы и эрлифты.

Гидроэлеватором успешно разрабатывают пески с любой круп­ностью зерен, гравийные и галечниковые грунты, а также супеси. Суглинки и глины необходимо предварительно разрыхлять или размывать струей воды (гидромонитором). Гидроэлеватор с цен­тральной насадкой показан на рис. У35, а. Насосом высокого дав­ления вода подается по трубопроводам к насадке. Выходя из на­садки с большой скоростью, она создает разрежение в смеситель­ной камере. К смесительной камере подходит всасывающая труба, которая засасывает пульпу (смесь грунта и воды). Пульпа прохо­дит через диффузор и по пульповодным трубам транспортируется в отвал.

Большей производительностью обладает гидроэлеватор с коль­цевой насадкой (рис. У.35, б). Здесь напорная вода подается в кольцевую камеру, из которой, пройдя через кольцевую щель (насадку), поступает в смесительную камеру и, засасывая пульпу, увлекает ее в пульповоды. Ширину кольцевой щели можно менять, ввинчивая всасывающую трубу и тем самым приспосабливая гид­роэлеватор к разработке различных грунтов.

Рис. У.35. Гидроэлеваторы:

/ — диффузор; 2 — смесительная камера; 3 — всасывающая труба; 4 — напорная труба- 5 — насадка; 6 — выход пульпы; 7 — водонапорные трубы; 8 —кольцевая камера; 5 —смеситель­ная камера; 10 — кольцевая щель; Л — всасывающая камера; 12 ~ всасывающая труба

Рис. У.36. Схема разработки котлована гидроэлеватором:

/ — гидроэлеватор; 2 — пульповод; 3 — водонапорные трубы; 4 — насос

Общая схема гидроэлеваторной установки для разработки не­связных грунтов приведена на рис. У.36. Перестановка гидроэле­ватора по площади котлована производится любым грузоподъем­ным приспособлением (масса гидроэлеватора около 100 кг). Если фильтрационный приток воды в котлован недостаточен для 'Образо­вания пульпы, то воду подкачивают из реки, искусственно затоп­ляя котлован.

Связные грунты (глина, суглинок) требуют предварительного размыва. Для этого применяют гидромониторы, которые размы­вают грунт и транспортируют его к приямку гидроэлеватора.

Производительность по грунту гидроэлеватора с центральной насадкой составляет 6—12 м³/ч, с кольцевой насадкой — до 20 м³/ч. Гидроэлеваторы работают от центробежных насосов с напором от 8 до 12, 5 кгс/см² производительностью 70—150 м³/ч; расход элек­троэнергии— около 50 кВт. Применение гидроэлеваторов целесо­образно для разработки котлованов объемом свыше 600 м³, глу­биной 8—10 м.

Эрлифты применяют при несвязных, преимущественно мелко­зернистых грунтах с искусственным разрыхлением их. Эрлифт представляет собой перфорированную трубу (рис. У.37, а), в кото­рую через кольцевую камеру подается сжатый воздух. Площадь отверстий должна быть в 1, 5 раза больше площади сечения воз­духопровода. К верхнему концу трубы присоединен пульповод, к нижнему —всасывающая труба. При погружении камеры смеше­ния эрлифта в разжиженный грунт масса пульпы, смешиваясь с воздухом, уменьшается я пульпа под давлением наружной воды всплывает вверх и отводится по пульповодам за пределы котлова­на (рис. У.37, б). Для работы эрлифта котлован должен быть за­топлен водой на глубину не менее 3 м. Чем глубже погружена в воду смесительная камера, тем больше производительность эр­лифта. Так, при погружении на 3 м производительность по грунту

составляет 2, 65 м³/ч, при погружении на 6 м—3, 6 м³/ч. Для подачи^ сжатого воздуха служит компрессор, обеспечивающий расход воз­духа на 1 м³ пульпы от 0, 5 до 4, 5 м³ (содержание грунта в пульпе составляет 8—10%).

Вблизи проектной отметки дна котлована разрабатывать грунт на глубину 0, 3—0, 5 м нужно вручную, не допуская нарушения прочности верхних слоев основания.

Кроме естественного разуплотнения грунтов, вследствие умень­шения на этом уровне бытового давления прочность верхних слоев может быть нарушена интенсивным водоотливом, увлажнением грунтовыми и дождевыми водами, сотрясениями и ударами от ра­боты землеройных машин и т. д. В этом отношении особенно не­благоприятны глинистые и мелкозернистые песчаные грунты. На­рушение прочности верхних слоев основания впоследствии могут вызвать осадки и крены фундамента. Для осушения дна котлована по его периметру прорывают неглубокие кюветы с уклоном в 1% к водоприемникам. Дно котлована планируют по уровню, очища­ют от строительного мусора, засыпают щебнем отдельные ямы и углубления.

При скальном основании нужно расчистить породу до прочных, невыветренных слоев, удалить щебень, отдельные камни и прочее,

Рис. У.37. Конструкция эрлифта и схема его установки в котловане:

/ — выход пульпы; 2 — подача воздуха; 3 — кольцевая камера; 4 — камера смешения; 5 —

всасывание пульпы; 6 — эрлифт; 7 — пульповоды; 5 — воздуховодные трубы; 9 — компрессор

а перед кладкой фундамента промыть поверхность скалы напорной

водой.

На дне котлована нередко появляются ключи, которые значи­тельно затрудняют подготовку основания и кладку фундамента. Ключи окружают бездонными ящиками и устанавливают стальные трубы диаметром 5—10 см, улавливающие ключевую воду; про­странство между ящиком и трубой бетонируют. После затверде­ния бетона трубу заполняют цементным раствором или жидким стеклом. Если напор воды настолько велик, что заглушить ключ не удается, или если рядом появляются новые ключи, воду нужно отвести трубами за пределы котлована.

Нельзя оставлять котлован долгое время открытым. Как толь­ко котлован вырыт до проектной отметки и дно его защищено, он должен быть освидетельствован и принят по акту комиссией.