Кессоны. Условия применения, конструктивная схема, последовательность производства работ

→ Фундаменты

Опускные колодцы и кессоны

Опускные колодцы и кессоны

Наиболее типичными представителями фундаментов глубокого заложения являются опускные колодцы и кессоны.

Опускной колодец представляет собой сборную или монолитную железобетонную конструкцию, которая может иметь прямоугольное или кольцевое очертание в плане (рис. 11.1). Тяжелые массивные опускные колодцы выполняют, как правило, в монолитном варианте (рис. 11.1, а), а облегченные - в виде сборных свай-оболочек (рис. 11.1, б).

Массивный опускной колодец погружается в грунт следующим образом. На поверхности основания возводят пустотелую нижнюю часть фундамента (рис. 11.1, в). Затем, используя землеройные механизмы, через вертикальную полость извлекают грунт. Под действием собственного веса колодец погружается (рис. 11.1, г). По мере опускания колодец можно наращивать, получая фундамент требуемой глубины. По достижении проектной отметки нижнюю часть колодца заполняют бетонной смесью, увеличивая площадь подошвы фундамента. При возведении канализационных насосных станций известны случаи погружения опускных колодцев диаметром до 70 м на глубину более 70 м.

Рис. 11.1. Опускные колодцы:
а – массивный опускной колодец, разделенный на ячейке; б - легкий опускной колодец из

Цилиндрической сваи-оболочки; в - установка колодца на поверхности грунта; г - разработка грунта грейфером и заполнение нижней части бетонной смесью

Для погружения колодца в окружающий грунт нижнюю часть колодца выполняют в виде специального ножа из листовой стали, закрепляемого с помощью закладных деталей (рис. 11.2, а), а для уменьшения трения грунта о стенки колодца при погружении с внешней стороны делают небольшой уступ, и образующийся зазор заполняют раствором бентонитовой глины, которая поддерживает стенки грунта в процессе погружения (рис. 11.2, б). В последние годы в связи с развитием производства сборного железобетона стали применять и массивные сборные опускные колодцы, собираемые из отдельных секций толщиной 50…60 см с горизонтальным членением на блоки, повторяющие конфигурацию колодца в плане.

Рис. 11.2. Конструктивные детали и нагрузки, действующие на колодец:
а - конструкция ножа, б - сборный опускной колодец; в - нагрузки, действующие на колодец во время погружения; г - эпюры неравномерного давления грунта на боковой поверхности при «навале» на грунт во время неравномерного погружения; 1 - щель, заполняемая раствором бентонитовой глины; 2 - бетонная стенка; 3 - нож из сварной стали; 4 - железобетонное днище колодца

Сборные оболочки имеют небольшой собственный вес по сравнению с массивным опускным колодцем, поэтому сила тяжести в данном случае оказывается недостаточной для погружения. В связи с этим оболочки погружаются принудительно мощными вибропогружателями и вибромолотами, которые с помощью болтовых соединений жестко прикрепляют к верхнему фланцу Через специальный наголовник.

В строительной практике применяют оболочки диаметром от 1 до 3 м при толщине стенок 12 см. После погружения первого звена из его внутренней полости грунт извлекают, затем вибропогружателем доводят оболочку до проектной отметки. Нижнее звено оболочки оборудуют ножом, а стык звеньев выполняют с помощью фланцевых соединений на болтах или сварке.

Если в основании оболочки имеется слой скального грунта, то в нем пробуривают скважину, диаметр которой равен диаметру оболочки, с последующим заполнением оболочки и скважины бетоном, что обеспечивает заделку фундамента в скальном грунте.

В нескальных грунтах для повышения несущей способности прибегают к устройству уширения с помощью разбуривания или каму-флетного взрыва с последующим заполнением полости бетоном.

Оболочки погружают в грунт на глубину 30 м и более. К достоинствам таких фундаментов относится очень высокая несущая способность (более 10 МН), к недостаткам - возникновение значительных колебаний грунта на большом расстоянии от места погружения фундамента, в связи с чем их не рекомендуется применять в заселенных районах городов.

При погружении опускных колодцев необходимо обеспечивать его вертикальное положение, не допуская развития крена. Крен обычно устраняют с помощью увеличения разработки грунта в той части, где осадка меньше.

Способ разработки грунта выбирают в зависимости от размеров опускных колодцев, а также инженерно-геологических условий строительной площадки. При значительном объеме земляных работ применяют грейдеры или экскаваторы с бульдозером, опускаемыми в колодец. Последние, находясь в колодце, заполняют специальные ковши, которые с помощью крана извлекают на поверхность. При таком способе разработки грунта необходимо предотвращать поступление подземных вод в колодец, что осуществляется с помощью искусственного водопонижения или устройства шпунтовых заграждений, погружаемых до слоя водоупорных грунтов.

Разработка грунтов грейфером, эрлифтом или гидромонитором разрешается без устройства водозащитных экранов, однако в этом случае внутри колодца необходимо поддерживать повышенный уровень воды в колодце, превышающий уровень подземных вод, для предотвращения поступления (наплыва) грунта, окружающего колодец, что может вызвать около него осадку поверхности основания.

Расчет опускных колодцев производят на нагрузки, возникающие как в процессе погружения колодца, так и во время эксплуатации. При погружении колодцы испытывают воздействие следующих нагрузок: собственный вес колодца, давление грунта на стенки колодца, реактивное давление грунта, действующее на нож, и силы трения по боковой поверхности (рис. 11.2, в).

Тонкостенные оболочки рассчитывают, как пространственные оболочки, методами, используемыми при проектировании железобетонных конструкций.

Опускные колодцы, прямоугольные в плане, рассчитывают в горизонтальной плоскости как статически неопределимые железобетонные рамы на нагрузки, аналогичные действующим на цилиндрические колодцы. Нож колодца рассчитывают как консольную конструкцию, находящуюся под действием направленной под углом реакции грунта.

Днище колодца обычно выполняют из монолитного железобетона и рассчитывают как плитную конструкцию, находящуюся под действием реактивного давления грунта и гидростатического давления воды.

Опускные колодцы, погружаемые ниже уровня подземных вод, необходимо рассчитывать против всплытия. Для предотвращения всплытия днище колодца заанкеривают с помощью свай, погружаемых в нижележащие слои грунта, или устройства анкеров (см. рис. 8.6, в).

Основным неудобством при погружении опускного колодца является подводный способ разработки грунта. Сложность контролирования и управления этим процессом в случае неполного заполнения ковша грейфера, извлекающего грунт, и трудностей, возникающих при удалении камней, валунов и других крупных включений, привели к необходимости разработки и применения кессонного метода устройства фундаментов.

Способ возведения фундаментов с помощью кессона основывается на отжатии подземных вод из зоны разработки грунта с помощью избыточного давления, создаваемого сжатым воздухом.

Этот способ был впервые предложен и осуществлен в XIX в В связи с тем что этот способ связан с пребыванием людей при повышенном давлении и использовании дорогого оборудования, в настоящее время его применяют сравнительно редко, обычно в тех случаях, когда имеются препятствия для возведения свайных фундаментов и опускных колодцев.

Кессон представляет собой жесткую коробчатую конструкцию (рис. 11.3, д), имеющую потолок и боковые стенки консоли, располагаемые в нижней части фундамента. В рабочую камеру 5 подается сжатый воздух по трубам, давление которого назначается таким, чтобы уравновесить давление столба воды высотой Н и обеспечить ее отсутствие в рабочей камере. Для сообщения с рабочей камерой, которое необходимо в основном для прохода людей, подачи материалов и оборудования, на шахтной трубе устанавливают шлюзовой аппарат. Разработку грунта часто осуществляют гидромонитором, а его удаление - с помощью эрлифта.

Рис. 11.3. Схема возведения фундамента глубокого заложения кессонным методом

По мере разработки грунта в рабочей камере кессон под действием собственного веса и надкессонной кладки 9 погружается в грунт. Надкессонную кладку наращивают по мере погружения кессона (рис. 11.3, а). По достижении кессона проектной отметки (рис. 11.3, б) рабочую камеру заполняют кладкой или бетонной смесью, шахтные трубы и шлюзовые аппараты снимают, а шахтные колодцы также заполняют кладкой или бетонной смесью.

Продолжительность работы в кессоне строго регламентируется правилами техники безопасности.

Кессоны выполняют из монолитного или сборного железобетона и рассчитывают на нагрузки, действующие на опускные колодцы совместно с дополнительными: от веса кладки и избыточного давления на стенки рабочей камеры.

В сильно обводненных грунтах, содержащих прослойки скальных пород или твердых включений (валуны, погребенную древесину и т.д.) погружение опускных колодцев по схеме «насухо» требует больших затрат на водоотлив, а разработка грунта под водой невозможна из-за наличия в грунте твердых включений.

В этом случае используется кессонный метод устройства фундаментов глубокого заложения, который был предложен во Франции в середине 19в.

Кессон схематически представляет собой опрокинутый вверх днищем ящик, образующий рабочую камеру, в которую под давлением нагнетается сжатый воздух, уравновешивающий давление грунтовой воды на данной глубине, что не позволяет ей проникать в рабочую камеру, благодаря чему разработка грунта ведется насухо без водоотлива.

Рис.13.9. Схема устройства кессона:

а – для заглубленного помещения; б – для глубокого фундамента; 1 – кессонная камера; 2 – гидроизоляция; 3 – надкессонное строение; 4 – шлюзовой аппарат; 5 – шахтная труба

Метод является более дорогостоящим и сложным, поскольку требует специального оборудования. Кроме того, этот способ связан с пребыванием людей в зоне повышенного давления воздуха, что значительно сокращает продолжительность рабочих смен (до 2 часов при 350…400кПа(max)) при максимальной глубине 35-40м.

В связи с вышесказанным кессоны применяют значительно реже других типов фундаментов глубокого заложения.

Кессонная камера, высота которой по санитарным нормам принимается не менее 2,2 м, выполняется из ж/б и состоит из потолка и стен, называемых консолями.

Способ погружения кессона аналогичен опускному колодцу. Глубину погружения кессона и его внешние размеры определяют так же, как и для опускных колодцев.

Шлюзовой аппарат, соединенный с кессонной камерой шахтными трубами, предназначен для шлюзования людей и грузов при их спуске в кессонную камеру и при подъеме из нее.

Рабочий процесс . Рабочий входит в прикамерок шлюза, где давление постепенно повышается до имеющегося в рабочей камере. На этот процесс затрачивается от 5 до 15 мин., что необходимо для адаптации организма человека, после чего по шахтной трубе рабочий опускается в рабочую камеру кессона. Выход из рабочей камеры кессона осуществляется в обратной последовательности, но при этом на снижение давления воздуха в прикамерке шлюза до уровня атмосферного давления требуется 3-3,5 раза больше времени, чем вначале, т.к. быстрый переход от повышенного давления к атмосферному может быть причиной начала кессонной болезни.

Сжатый воздух в кессонную камеру начинают подавать не сразу, а как только ее нижняя часть при погружении достигнет уровня подземных вод. Давление воздуха, обеспечивающее отжим воды из камеры кессона, определяется из условия:

Где - избыточное (сверх атмосферного) давление воздуха, кПа ;

Гидростатический напор на уровне банкетки ножа, м ;

Удельный вес воды,

После опускания кессона на проектную глубину все специальное оборудование демонтируется, а рабочая камера заполняется бетоном.

Грунт в камере кессона разрабатывается или ручным или гидромеханическим способом.

Имеется опыт разработки грунта в кессонной камере вообще без присутствия в ней рабочих, когда все управление гидромеханизмами выносится за ее пределы. Такой способ опускания кессона называется слепым.

41. Возведение фундаментов методом "стена в грунте".

а – котлованы в городских условиях; б – подпорные стенки; в – тоннели; г – противофильтрационные диафрагмы; д – подземные резервуары

Способ заключается в том, что сначала по контуру будущего сооружения в грунте отрывается узкая глубокая траншея (b=60…100 см, H≤40…50 м), которая затем заполняется бетонной смесью или сборными железобетонными элементами. Затем, после полного удаления грунта из внутреннего пространства до проектной отметки возводят внутренние конструкции.

Стена может служить:

1. элемент фундамента

2. заглубленные сооружения

3. противофильтрационные завесы: в водонасыщенных грунтах при высоком уровне подземных вод. Способ особенно эффективен при заглублении стен в водоупорные грунты, что позволяет полностью отказаться от водоотлива или глубинного водопонижения.

4. ограждение котлована в городе: в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений. Устройство глубоких котлованов и заглубленных помещений вблизи существующих зданий и сооружений без нарушения их устойчивости.

Технология устройства «стены в грунте» - методом последовательных захваток .

1. Устройство сборной или монолитной форшахты, которая служит направляющей для землеройных машин, опорой для подвешивания армокаркасов, бетолитных труб, сборных железобетонных панелей и т.п. и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части.

2. Отрывка котлована отдельными захватками. Откопав первую захватку, на всю глубину стены по ее торцам устраивают ограничители, арматурный каркас и укладывают бетонную смесь.

3.Затем переходят к захватке «через одну», а после ее устройства – к промежуточной и т.д., в результате получается сплошная стена (рис. 13.14).

Конструкция форшахты из Г-образных (уголкового профиля) блоков

Рис.13.14. Последовательность возведения «стены в грунте»: а – первая очередь работ; б – вторая очередь работ; 1 – форшахта; 2 – базовый механизм; 3 – бетонолитная труба; 4 – глинистый раствор; 5 – грейфер; 6 – траншея под одну захватку; 7 – арматурный каркас; 8 – бетонная смесь; 9 – забетонированная секция; 10 – готовая «стена в грунте»

Для удержания стен захватки против обрушения по мере отрывки подливают глинистый раствор . После отрывки захватки и заполнения ее бетонной смесью вытесненный глиняный раствор, содержащий частицы разрабатываемой породы, идет на очистку и снова в траншею (с потерей ~10%).

После возведения «стены в грунте» по всему периметру сооружения (т.е. конструкция замыкает в плане будущее сооружение) поэтапно удаляют грунт из внутреннего пространства. Можно по периметру делать грунтовые анкера или распорки. Если нет, то устойчивость стены обеспечивается заделкой в грунт основания.

Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную и бетонную) конструкцию (рис. 9.1), которой в нижней части имеют заострения (консоли), обычно усиленные металлом (ножи). Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного в полости колодца и ниже его ножа.

Рис. 9.1. Опускной колодец а - погружение колодца.; б - фундамент в виде опускного колодца; 1 - консоли; 2 - стенки колодца; 3 - надфундаментная часть опоры; 4 - железобетонная плита; 5 - , уложенный насухо; 6 - подводный бетон; 7 - прочный грунт; 8 - слабый грунт

Стены колодцев либо сооружают сразу на полную высоту, либо наращивают по мере погружения колодцев в грунт (рис. 9.1,а).

Погружение опускных колодцев в грунт производят с откачкой или без откачки воды из их полости.

После достижения опускным колодцем проектной глубины заложения фундамента полость колодца целиком (рис. 9.1,6) или частично заполняют бетонной смесью сначала подводным способом, а затем насухо. В верхней части колодца сооружают распределительную железобетонную плиту, на которой впоследствии ведут кладку надфундаментной части опоры; в некоторых случаях такую плиту не делают.

Опускные колодцы применяют в случаях расположения грунтов с достаточной несущей способностью на больших (более 5-8 м) глубинах, когда сооружение фундаментов в открытых котлованах из-за сложности крепления их стен экономически нецелесообразно или технически неосуществимо. Так как в подобных случаях кроме опускных колодцев можно применять фундаменты из свай или оболочек, выбор типа фундамента производят на основе технико-экономического сравнения вариантов. Достоинством фундаментов из опускных колодцев является возможность их погружения без использования сложного технологического оборудования. Недостатками их являются большой объем кладки и значительные трудности, возникающие при встрече колодцев в водонасыщенных грунтах с препятствиями в виде крупных валунов, скальных прослоек, топляков и т. п. Устранение таких препятствий возможно лишь после откачки воды из колодцев, что при водонасыщенных грунтах не всегда удается сделать. Трудности, связанные с необходимостью осушения колодца, возникают и при посадке его на скальный грунт, поверхность которого не бывает строго горизонтальной и нуждается в планировке для возможности опирания на него колодца по всему периметру.

Рис 9.2. Кессон а - погружение кессона; б - кессонный фундамент; 1 - консоль; 2 - надкессонная кладка; 3 - трубы для сжатого воздуха; 4 - компрессорная станция; 5 - центральная шлюзовая камера; 6 - прикамерки; 7 - шахтные трубы; 8 - потолок кессона; 9 - нож; 10 - рабочая камера кессона; 11 - кладка надфундаментной части опоры; 12-бетон заполнения шахты; 13 - бетон заполнения рабочей камеры; 14 - прочный грунт; 15 - слабый грунт

Указанные трудности преодолеваются, если фундамент сооружают с применением кессона (рис. 9.2). Кессон (рис. 9.2,а) представляет собой открытую снизу железобетонную или стальную конструкцию, состоящую из потолка и боковых стен. Толщина стен кессона книзу уменьшается и они заканчиваются консолью со стальным ножом. Полость в нижней части кессона называют рабочей камерой. В ней производят разработку грунта, по мере которой кессон опускается под действием собственного веса, а также веса надкессонной кладки, возводимой из бетона над потолком в процессе погружения кессона в грунт. Подачей в рабочую камеру сжатого воздуха обеспечивают отжатие из нее воды, что позволяет вести разработку грунта насухо.

Сжатый воздух вырабатывается компрессорной станцией и подается по трубам как в рабочую камеру кессона, так и в шлюзовой аппарат. Последний состоит из центральной шлюзовой камеры и двух прикамерков - один для рабочих, второй для материалов. Шлюзовой аппарат устанавливают на две шахтные трубы, которые собирают из отдельных металлических звеньев и используют для подъема и спуска рабочих, а также вертикального транспорта материалов и грунта.

Спуск рабочих в камеру кессона производят в следующем порядке. Из пассажирского прикамерка выпускают сжатый воздух, что позволяет открыть вовнутрь наружную дверь прикамерка, в которую входят рабочие. Дверь закрывают и в прикамерок из центральной шлюзовой камеры подают сжатый воздух. Когда давление воздуха в прикамерке станет равным давлению воздуха в центральной шлюзовой камере, открывают дверь между ними и рабочие переходят в эту камеру, а потом по металлической лестнице, установленной в шахтной трубе, спускаются в камеру кессона. Подъем рабочих в центральную шлюзовую камеру и выход их наружу осуществляют в обратном порядке.

Изменение давления от нормального к повышенному (процесс шлюзования) и от повышенного к нормальному (процесс вышлюзовывания) в пассажирском прикамерке необходимо производить так, чтобы рабочие могли постепенно приспособиться к новым условиям. Время, потребное для шлюзования и вышлюзовывания, тем больше, чем выше давление воздуха в кессоне.

Для возможности отжатия воды из рабочей камеры кессона избыточное (сверх нормального) давление воздуха в ней должно несколько превышать гидростатическое давление на уровне низа ножа кессона.

Наибольшее избыточное давление, при котором разрешается работать людям в кессоне, равно 400 кПа. Это определяет максимальную глубину погружения кессона от уровня воды в 40 м.

После достижения проектной глубины заложения фундамента камеру кессона заполняют бетонной смесью (рис. 9.2,6). Затем демонтируют шлюзовой аппарат и шахтные трубы; вертикальную шахту заполняют бетонной смесью. В результате получается массивный фундамент глубокого заложения, на котором возводят кладку надфундаментной части опоры.

Преимущество кессонов по сравнению с другими типами фундаментов заключается в том, что они позволяют возводить фундамент глубокого заложения в любых гидрогеологических условиях. В рабочей камере кессона возможно освидетельствование и даже испытание грунта основания, что весьма ценно.

Кессоны имеют и существенные недостатки, к которым в первую очередь следует отнести вредное воздействие сжатого воздуха на организм рабочих, большой объем бетонной кладки в массивной конструкции фундамента, неиндустриальность конструкции и высокую стоимость кессонных работ. Если под избыточным давлением до 175 кПа разрешается находиться не свыше 7 ч в сутки, то под давлением в 350-400 кПа максимальное время пребывания составляет только 2 ч, из которых 1 ч затрачивается на процессы шлюзования и вышлюзовывания и только 1 ч используется на полезную работу. В связи с этим стоимость кессонных работ резко возрастает с увеличением глубины погружения кессона в грунт.

Фундамент глубокого заложения, выполненный в виде ящика без дна, опускаемого в грунт под действием собственного веса, оборудованного устройством для нагнетания сжатого воздуха в рабочую камеру кессона, что предотвращает поступление в нее воды и позволяет рабочим производить выборку грунта.

Источник: Справочник дорожных терминов

"Фундамент кессонный" в книгах

Фундамент