CC BY
21Эффективные способы повышения устойчивости откосов грунтовых выемок
Преснов Олег Михайлович
кандидат тех. наук, доцент кафедры автомобильных дорог и городских сооружений, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», Инженерно-строительный институт, presn955@mail.ru
Тимофеев Дмитрий Сергеевич
студент, кафедра строительных конструкций и управляемых систем, Инженерно-строительный институт, ФГаОу ВО «Сибирский федеральный университет», ttmitts@gmail.com
Жданюк Александра Юрьевна
студент, кафедра строительных конструкций и управляемых систем, Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», sasszd@yandex.ru
Кременская Екатерина Александровна
студент, кафедра строительных конструкций и управляемых систем, Инженерно-строительный институт, ФГаОу ВО «Сибирский федеральный университет», ekaterina.kremenskaya@gmail.com
При устройстве траншей и котлованов, которые необходимы для возведения подземных зданий и сооружений, предъявляются особые требования. Если невозможно обеспечить требуемое заложение откосов (земляные работы в стесненных условиях, наличие грунтовых вод, плывунов и других сложных гидрогеологических условий), необходимо производить крепление котлованов и траншей. Откосы имеют свойство быть неустойчивыми. Устойчивость откоса зависит от угла внутреннего трения, сцепления грунта, приложенной нагрузки и крутизны откоса котлована. В статье рассматриваются эффективные способы повышения устойчивости грунтовых откосов. Ключевые слова: котлован, стена, шпунт, анкер, распорная система, контроль качества, возведение фундаментов зданий и сооружений, подземные сооружения, расходы материалов.
Откосы имеют свойство быть неустойчивыми. Устойчивость откоса зависит от угла внутреннего трения, сцепления грунта, приложенной нагрузки и крутизны откоса котлована. В своде правил [1] глубина крутизны откосов земляных выемок, которая допускается при формировании котлована, указана в таблице и составляет 5 м. Если глубина более 5 метров, то устойчивость откосов рассчитывается. Если, например, рассчитать заложение откоса в песчаных грунтах с глубиной котлована 5 м, то оно будет равно 1:1 - 5 метров. Такая глубина приводит к тому, что вылет грузоподъемных механизмов серьезно увеличивается. Укрепить стенки котлованов, глубина которых составляет порядка 5 метров способом откосов сложно, так как пятно строительства увеличивается. Если сделать стенки откосов вертикальными, то это не потребует расширения строительной площадки. Также в настоящее время условия, при которых возводятся новые сооружения являются стеснёнными, из-за обвала котлована велик риск гибели рабочих, поэтому устройство для крепления вертикальных стенок траншей и котлованов становится просто необходимым [2-4].
При выборе способа укрепления специалисты ориентируются на ряд факторов, в том числе учитываются гидрогеологические и геодезические условия, глубин выемки и близость к месту работ иных зданий.
Существует четыре основных способа укрепления вертикальных стенок откосов котлована: с применением распорной системы, анкерных конструкций, шпунтов и цементации.
Шпунтовый метод укрепления выемок является оптимальным для работы в стесненных условиях городской застройки. Откосы котлована в плотных грунтах укрепляются следующим образом: шунт погружается в грунт, а риск осыпания и обрушения стен нивелируется деревянной забир-кой. Это позволяет уменьшить число шпунта, так как площадь котлована перекрывается досками.
Распорная система необходима при невозможности укрепления стенок котлована шпунтом из-за большого давления грунтов. Распорная система имеет ряд преимуществ, в частности к ним можно отнести: несложный монтаж и демонтаж, использование вторичного металлопроката, более легкий, в сравнении с установкой шунтов, контроль качества. Перечисленные преимущества позволяют применять систему на небольших пространствах. Однако устройство анкеров-якорей - преимущественный способ с точки зрения удобства и темпа производства работ.
Анкерная система является отличной альтернативой распорным конструкциям. Такой метод крепления хорошо зарекомендовал себя в глинистых и песчаных грунтах. Исключение составляют набухающие грунты, просадочные и сильно сжимаемые породы: торф, ил, глина, а также грунты, которые обладают текучей консистенцией [5]. При этом, существует вероятность деформации грунтовых анкеров, не учитываемые в моделировании. Из-за этого анкерная система неудобна в применении в стесненных условиях, так как есть риск дефор-
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м
CJ
м см о см
о ш т
X
<
т О X X
маций зданий, расположенных вблизи площадки строительства и возможность появления анкера на территории, не принадлежащей застройщику.
Применение цементации в укреплении откоса котлована является надежным методом. Цементацию применяют в стесненных условиях и для того, чтобы полностью исключить вибрационное воздействие на фундаменты соседних сооружений. Данный способ укрепления является дорогим и во многих случаях вместо цементации выполняют лидерное бурение и в полученные скважины погружают сваи для шпунтового ограждения.
Вышеперечисленные способы постоянно совершенствуются.
Так, имеются работы по улучшению шпунтовых методов укрепления выемок, прежде всего нужно отметить крепление бортов котлована с ограждающей и несущей стеновой конструкцией [6]. Они соединены между собой поясом обвязки. Он представляет собой армированный воротник по верху ограждающей и несущей конструкции, который находится в углублении форшахты и выходит в сторону от котлована. Это позволяет жестко соединять арматурный каркас воротника и верхнюю обнаженную часть арматурного каркаса стеновых конструкций. Таким образом сформировать монолит соединения и увеличить жёсткость изгиба.
Установка для сооружения элемента траншейной стены - следующий способ усовершенствованного шпунтового метода укрепления выемок [7]. Установка начинается с сооружения траншеи с помощью устройства для выемки материала. Затем в нее вводят отвер-ждаемую среду, чтобы сформировать элемент траншейной стены и натягивают не менее двух тросов. Специальным прибором измеряют углы и расстояния измеряют положение не менее двух разнесенных по вертикали точек троса, чтобы использовать их для определения положения устройства для выборки в грунте.
Распорные конструкции совершенствуют креплением ограждений котлованов [8]. Для этого сваи вертикально погружены в грунт. Глубина погружения должна быть ниже отметки дна котлована, до низа отметки днища котлована. Элементы ограждения распределительных балок должны быть установлены с обнажением поверхностей, которые обращены внутрь. Расположение их в горизонтальной плоскости позволяет формировать обвязочные пояса, установить распорки по периметру котлована так, чтобы одни из их концов опирались в распределительные балки, а другие концы закреплялись грунте в зоне котлованного днища.
Также примером совершенствования распорных конструкций можно назвать возведение многоэтажного подземного сооружения [9]. Оно включает в себя стену по контуру, свай в местах колонн сооружения в соответствии с предполагаемым проектом, плиты перекрытия нулевого уровня сооружения, выемки грунта под плитами перекрытиями и монтажа плит перекрытия на следующий уровень. Затем производится пошаговая выемка грунта, монтаж перекрытия еще одного уровня, в том числе фундаментной плиты. По периметру обвязочные балки фиксируются на каждой плите перекрытия, включая фундаментную. Гидравлические домкраты, которые устанавливается между плитами и балками, выполняют функцию дополнительного активного распора.
Метод укрепления откоса с помощью вдавливания щелеобразователей с арматурой и последующего напорного инъектирования твердеющего состава представляет собой улучшенную анкерную конструкцию [10].
Этот способ может быть использован для вертикальных стенок откосов в стесненных условиях для слабых и сыпучих грунтов. Недостатком способа является дорогостоящая технология и невозможность повторного использования щелеобразователей.
Примером совершенствования анкерной системы является способ и устройство для укрепления грунта и/или для подъема сооружений [11], в том числе выполнение отверстия в грунте и сооружении, размещение в отверстии инжекторной штанги и соединенного с ней расширительного элемента, а также инжектирование в расширительном элементе. В расширительном элементе из нерастворимого материала инжектируется вещество, расширяющееся из-за химических реакций внутри расширительного элемента так, чтобы сила, придавливающая расширительный элемент к грунту, вызывается в основном химической реакцией, а затем удаляют штангу из расширительного элемента.
Постоянно оптимизируется метод укрепления откоса котлована с применением цементации. Одним из них является способ разработки котлована при проведении аварийных работ на подземных сооружениях [12]. Отметим, что такой способ включает в себя укрепление откосов провалов. Чтобы это сделать, в провал, в неустойчивую зону нагнетают расширяющийся, укрепляющий и твердеющий материал до полного заполнения. Так формируется укрепление участка. После чего грунт удаляют послойно, снимают слой расширившегося, укрепляющего и затвердевшего материала до подземного сооружения.
Еще одним методом улучшения цементации в этом блоке можно назвать укрепления грунта с применением следующих действий: бурение скважин, установку в них инъекторов с перфорированной частью через которые нагнетается под пригрузом цементного раствора в грунт [13]. Это обеспечивает гидроразрыв при давлении 5-20 атм. Важно отметить, что после уплотнения грунта инъ-екторы не извлекаются. В одну скважину устанавливают три различных по высоте инъектора, предназначенных для цементации различных по глубине слоев грунта. Для этого нужно соблюдать правило: перфорированная часть каждого последующего инъектора должна находиться ниже перфорированной части предыдущего, но не перекрывать ее. В цементный раствор можно добавить следующие компоненты: бентонитовую глину, жидкое стекло, цементную пыль, мелкий песок.
Также часто применяют различные комбинации способов укрепления. Например, распорки или дополнительные анкеры применяют для фиксации шпунтовой стенки. Плотные грунты и узкие котлованы служат основанием для использования распорок в качестве укрепления. Если требуется произвести выемку грунта низкой плотности на большую глубину, то можно провести фиксацию анкерами.
Ещё одним примером эффективного закрепления является способ закрепления котлована с помощью распорного анкерного устройства сборно-разборного многократного использования, условно называемого - расстрелом [14]. Он используется для крепления временных стен котлованов и может быть использован несколько раз. Расстрел сборно-разборный состоит из корпуса, в котором соединены две секции - центральная и боковая. Также существует опорный узел - распорное устройство в концевой части корпуса, чтобы закрепить расстрел к временной стене котлована на продольном опорном поясе. Опорный узел - это цилиндрический корпус, внутри которого находится подпружиненный упор и клиновой механизм. В свою очередь клиновой
механизм состоит их двух клинообразных шайб между которыми находится двухсторонний прямоугольный клин.
Заключение
1. Параметры грунтовых выемок строго регламентированы в нормативных документах.
2. Способы обеспечения устойчивости откосов грунтовых выемок зависят от разных факторов: от глубины, характеристик грунта, угла внутреннего трения, сцепления грунта, приложенной нагрузки и крутизны откоса котлована.
3. Перспективными вариантами в обеспечении устойчивости являются комбинации основных методов закрепления откосов земляных выемок.
Литература
1. СП 104-34-96 «Производство земляных работ».
2. СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» (Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87).
3. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».
4. Знаменский В.В., Чунюк Д.Ю., Морозов Е.Б. Устройство ограждающих систем котлованов в стесненных городских условиях // Жилищное строительство: Научно-технический и производственный журнал. -2012. - №9. - С 60-62.
5. Боровик В.О. Эффективное крепление откосов котлована // Школа науки.
6. Картозия Б.А., Репников Л.Н., Сандуковский А.Э. и др. Крепление бортов котлована. Патент № 2327008 РФ, E02D 17/04. № 2006123061/03; Заявл. 29.06.2006; Опубл. 20.06.2008 Бюл. №17.
7. Шванц Кристоф; Бауэр Шпециальтифбау ГмбХ. Способ и установка для сооружения элемента траншейной стены. Патент № 2528329 РФ, E02D 17/13. № 2012149608/03; Заявл. 22.11.2012; Опубл. 10.09.2014 Бюл. №25.
8. Басиев А.Н., Щербатов В.Ф., Икусов А.Г. и др. Способ крепления ограждений котлованов и распорная система ограждения котлованов для этого способа. Патент № 2254417 РФ, Е02D 17/04, 29/02. № 2003136048/03; Заявл. 15.12.2003; Опубл. 20.06.2005 Бюл. №17.
9. Карпов Андрей Викторович; Карпов Андрей Викторович. Способ строительства многоэтажного подземного сооружения. Патент № 2414563 РФ, Е02D 29/055. № 2009137420/03; Заявл. 02.10.2009; Опубл. 20.03.2011 Бюл. №8.
10. Зубачев П.В., Лубягик А.В., Бобряков А.П.; Общество с ограниченной ответственностью проектно-строи-тельная компания "Фундамент". Способ укрепления откосов и щелеобразователь для его осуществления. Патент № 2371547 РФ, E02D 17/18. № 2008111551/03; Заявл. 25.03.2008; Опубл. 27.10.2009 Бюл. №30.
11. Хяккинен Сами, Лиевонен Туомас; Юритек Уол-двайд Оу. Способ и устройство для укрепления грунта и/или для подъема сооружений. Патент № 2467124 РФ, E02D 3/12. № 2008147066/03; Заявл. 04.06.2007; Опубл. 20.11.2012 Бюл. №32.
12. Дзининскас Ч.А., Павлов А.А., Жакевич М.О.; Павлов Андрей Алексеевич. Способ разработки котлована при проведении аварийных работ на подземных сооружениях. Патент № 2414562 РФ, E02D 17/04, Е21С 41/00. № 2009139595/03; Заявл. 26.10.2009; Опубл. 20.03.2011 Бюл. №8.
13. Маннапов Р.Х., Резепина Г.Е.; Маннапов Рустэм Хамзеевич, Резепина Галина Евгеньевна. Способ укрепления грунта. Патент № 2439246 РФ, E02D 3/12. № 2010139075/03; Заявл. 22.09.2010
14. Абрамсон В. М., Кемеж С. Н., Хихлуха Б. А., Минц А. М., Абрамсон М. В., Орлова И. А.; акционерное общество «Метрогипротранс». Расстрел сборно-разборный многократного использования для крепления временных стен котлованов. Патент № 2668686 РФ, E02D 17/04. № 2017144781; Заявл. 20.12.2017;
15. Расчет устойчивости откосов: учеб.-метод. пособие / А.Б. Пономарев, О.А. Богомолова, А.Н. Богомолов. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. - 128 с.
Effective ways to increase the stability of the slopes of excavations Presnov O.M., Timofeev D.S., Zhdanyuk A.Yu., Kremenskaya E.A.
Siberian Federal University JEL classification: L61, L74, R53
When arranging trenches and pits, which are necessary for the construction of underground buildings and structures, special requirements are imposed. If it is impossible to provide the required laying of slopes (earthworks in cramped conditions, the presence of groundwater, quicksand and other difficult hydrogeological conditions), it is necessary to fix pits and trenches. Slopes tend to be unstable. The stability of the slope depends on the angle of internal friction, soil cohesion, the applied load and the steepness of the slope of the excavation. The article discusses effective ways to improve the stability of soil slopes. Keywords: foundation pit, wall, sheet pile, anchor, spacer system, quality control, construction of foundations for buildings and structures, underground structures, material costs. References
1. SP 104-34-96 «Production of earthworks».
2. SP 45.13330.2017 «Earthworks, Grounds and Footings» (Updated version of SNiP 3.02.01-87).
3. SP 22.13330.2016 «Soil bases of buildings and structures».
4. Znamensky V.V., Chunyuk D.Yu., Morozov E.B. The device of the enclosing systems of pits in cramped urban conditions // Housing construction : Scientific, technical and industrial journal - 2012. - №9. -P. 60-62.
5. Borovik V.O. Efficient fastening of the slopes of the excavation // School of Science.
6. Kartoziya B.A., Repnikov L.N., Sandukovskiy A.E. and others. Fastening the sides of the pit. Patent № 2327008 RU, E02D 17/04. № 2006123061/03; priority date 29.06.2006; publication date 20.06.2008 Bull. № 17.
7. Schwantz Christoph; Bauer Spetsialtifbau GmbH. Method and installation for constructing a trench wall element. Patent № 2528329 RU, E02D 17/13. № 2012149608/03; priority date 22.11.2012; publication date 10.09.2014 Bull. № 25.
8. Basiev A.N., Shcherbatov V.F., Ikusov A.G. et al. A method of fixing pit barriers and a spacer system for pit barriers for this method. Patent № 2254417 RU, E02D 17/04, 29/02. № 2003136048/03; priority date 15.12.2003; publication date 20.06.2005. Bull. № 17.
9. Karpov Andrey Viktorovich; Karpov Andrey Viktorovich Method for constructing a multi-storey underground structure. Patent № 2414563 RU, E02D 29/055. № 2009137420/03; priority date 02.10.2009; publication date 20.03.2011. Bull. № 8.
10. Zubachev P.V., Lubyagik A.V., Bobryakov A.P.; Limited Liability Company design and construction company "Foundation". A method for strengthening slopes and a slot former for its implementation. Patent № 2371547 RU, E02D 17/18. № 2008111551/03; priority date 25.03.2008; publication date 27.10.2009 Bull. № 30.
11. H8kkinen Sami, Lievonen Tuomas; Uritek Wildwide Ou. Method and device for strengthening the soil and/or for lifting structures. Patent № 2467124 RU, E02D 3/12. № 2008147066/03; priority date 04.06.2007; publication date 20.11.2012 Bull. № 32.
12. Dzininskas Ch.A., Pavlov A.A., Zhakevich M.O.; Pavlov Andrey Alekseevich. A method for excavating a pit during emergency work on underground structures. Patent № 2414562 RU, E02D 17/04, E21C 41/00. № 2009139595/03; priority date 26.10.2009; publication date 20.03.2011 Bull. № 8.
13. Mannapov R.Kh., Rezepina G.E.; Mannapov Rustem Khamzeevich, Rezepina Galina Evgenievna. Ground strengthening method. Patent № 2439246 RU, E02D 3/12. № 2010139075/03; priority date 22.09.2010; publication date 10.01.2012 Bull. № 1.
14. Abramson V. M., Kemezh S. N., Khikhlukha B. A., Mints A. M., Abramson M. V., Orlova I. A.; Aktsionernoe obshchestvo "Metrogiprotrans". Collapsible divider of multiple use for fixing temporary walls of excavations. Patent № 2668686 RU, E02D 17/04. № 2017144781; priority date 20.12.2017; publication date 02.10.2018 Bull. № 28.
15. Calculation of slope stability : study method allowance / A.B. Ponomarev, O.A. Bogomolova, A.N. Bogomolov. - Permian : Publishing house Perm. nat. research polytechnic university, 2022. - 128 p.
X X О го А С.
X
го m
о
to о to
M
