CC BY
3
УДК 692.22, 691.714.122
Щуклинов С.П. студент магистрант строительный факультет Санкт-Петербургский государственный архитектурно -
строительный университет Россия, г. Санкт-Петербург ВОЗВЕДЕНИЕ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОТЛОВАНОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ IWG ПРИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ В УСЛОВИЯХ СЛАБОГО ГРУНТА
Аннотация:
В статье рассматривается современный способ устройства ограждающей конструкции вертикальных котлованов - «стены в грунте» под наклоном к плоскости фундамента для придания устойчивости. Активное давление грунта воспринимается засчет силы тяжести конструкции, поэтому отсутствует необходимость в монтаже дополнительных распорных и удерживающих элементов. Проблема заключалась в формировании такого типа конструкции и обеспечении ее качества. В настоящее время современные технологии и открытия способствуют достижению этой цели.
Ключевые слова: строительство, современные технологии, нулевой цикл, ограждающая конструкция, стена в грунте, металлическая оболочка
Shchuklinov S.P.
Master's degree student of construction faculty Saint- Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering Russia, Saint- Petersburg ERECTION OF ENCLOSING STRUCTURES OF VERTICAL TRENCHES BY TECHNOLOGY IWG IN UNDERGROUND CONSTRUCTION IN WEAK SOIL
Abstract:
The article discusses the modern way of erection of enclosing structure of vertical trenches - «wall in ground» under an inclination to the foundation plane to give stability. Active soil tension is perceived by influence structure gravity, therefore there was no need to install additional spacers and restraints elements. The problem was to form such a structure and ensure its quality. Modern technologies and discoveries contribute to the achievement of this goal now.
Keywords: construction, modern technologies, underground, enclosing structure, wall in ground, metal shell
В настоящее время при возведении вертикального котлована используют метод «стены в грунте» и устройство шпунтового ограждения. В
каждом есть свои достоинства и недостатки. Их в целом можно свести к нескольким пунктам для более детальной постановки задачи и нахождения ее решения. Ниже приведено существенное различие стены в грунте и шпунтового ограждения [1]:
1. Стена в грунте способна выдержать активное давление грунта, но зачастую даже она укрепляется при помощи распорного пояса в связи с тем, что котлован обычно имеет большую протяженность. Но при условии отсутствия внешнего давления со стороны существующей застройки и возведения подземной части здания небольшой глубины стена в грунте справляется гораздо лучше шпунтового ограждения. Из недостатков стоит отметить большую продолжительность устройства конструкции и затраты
2. Шпунтовое ограждение устраивают в котлованах по большей части, чтобы сэкономить на затратах, особенно, если строительство подземной части здания занимает несколько этажей. Обычно шпунт укрепляют огромным количеством распорных металлических элементов для обеспечения необходимой его устойчивости, что сказывается на увеличении сложности проведения работ по монтажу конструкций подземной части здания: фундамента, колонн, стен. Часто шаг между распорными элементами может и вовсе сводиться к минимуму, тогда используют Bobcat, рабочую силу при монтаже крупногабаритных элементов и др.
Хотелось бы предложить пару методов, которые бы, на мой взгляд, решили текущие проблемы, а именно:
- Обеспечение устойчивости стенок котлована при минимальных затратах
- Сокращение продолжительности работ
- Использование щадящих технологий
Стоит отметить, что все конструкции, которые выполняют роль ограждающей жесткой стены при устройстве котлованов с вертикальными откосами, монтируются методом защемления нижней части в грунте. В углах конструкции не происходит смещения, поскольку сам по себе угол фиксирует элемент, как минимум в двух направлениях. В середине каждой стороны котлована будет же происходить выталкивание конструкции внутрь котлована. Конечно, железобетон частично решает эту проблему, но и он становится податлив, когда длина ограждающей конструкции слишком велика. Стоит обратить внимание, что не учитывается один серьезный аспект взаимодействия системы «грунт - стена», а именно гравитация. Таким образом, если разместить конструкцию с небольшим наклоном в сторону грунта, произойдет перераспределение нагрузки за счет образования пространственного угла. Современные установки позволяют возвести конструкцию стены в грунте или шпунтового ограждения под углом к плоскости дневной поверхности, поэтому по факту нет необходимости изобретать что-то новое.
Разложим составляющие:
F = m*g, сила тяжести конструкции, которая зависит от материала, из которого она изготовлена и габаритных размеров (внешняя нагрузка с вышележащих конструкций не учитывается)
При создании угла в 20 градусов сила раскладывается на две составляющие: N продольную силу в элементе и Q- поперечную силу в элементе, которая из расчетов составляет 0,342F, другими словами около 30% от силы тяжести конструкции, которые будут противодействовать естественному активному давлению со стороны грунта (рис. 1).
«Рис. 1» - Схема действия нагрузок от наклонной стены в грунте Сложность заключается в устройстве такой конструкции, поскольку неверно подобранная методика может усугубить ситуацию и создать большие проблемы в дальнейшем. Таким образом, возведение традиционной стены в грунте с использованием бентонита не подходит для текущей ситуации. Шпунтовое ограждение можно установить под углом, хотя по сути этим можно мало чего выиграть. Это связано с небольшим относительным весом шпунта и увеличением объема котлована, что влечет больше затрат на разработку грунта. Понятно, что никто не будет возводить наклонные внешние ограждающие стены подземной части здания методом снизу- вверх. Но в случае со стеной в грунте есть свои преимущества, которые можно достичь, изменив слегка технологию ее устройства.
Предлагаемый метод IWG (Inclined Wall in Ground) для возведения стены в грунте основан на возведении свай методом вертикально поднимающейся трубы, который используется при устройстве свай методами Double Rotary, CSP, обсадной трубы с Келли - штангой, с теряемым наконечником и вибрационным способом.
Суть предлагаемого IWG метода заключается во вдавливании продольной оболочки с закругленными гранями в грунт до проектной отметки, после чего извлекают грунт изнутри оболочки, устанавливают ограничители с двух сторон, которые задают прямоугольную форму
захватки, опускают арматурный каркас и бетонируют захватку. После схватывания бетона оболочку извлекают и переходят к следующей захватке. Длина захватки прямо пропорциональна количеству шнеков, которые осуществляют извлечение грунта. При этом устройство захватки осуществляется под наклоном к вертикальной плоскости и ограничивается проектным углом, который зависит от нагрузки с вышележащих конструкций.
Ниже приведено описано порядка монтажа одной захватки и особенности ее устройства методом IWG:
1. Устанавливают продольную оболочку с закруглёнными гранями (oval form shell) в устройство вдавливающей установки. OFS представляет собой металлическую оболочку длиной прямо пропорциональной диаметру шнека, который впоследствии будет выполнять извлечение грунта (рис. 2)
2. Осуществляют вдавливание под наклоном OFS в грунт до проектной отметки, наращивая оболочку по длине закрепляемыми секциями (по типу секций вертикально поднимающейся трубы).
3. В устройство вставляется шнек или пара шнеков, которые посредством закручивания в область внутри OFS поднимают грунт на поверхность. Если шнеков несколько, их вращение происходит синхронно. Извлекают грунт поэтапно от одного края OFS к другому. Диаметр шнека чуть меньше ширины OFS и идеально вписывается в закругленные края оболочки.
4. После извлечения грунта внутрь OFS вставляются два фиксатора (ограничителя), которые задают края будущей забетонированной захватки. Фиксаторы крепятся заведением в специальные пазы с двух сторон по стенкам оболочки.
5. Далее осуществляют установку арматурного каркаса, который сверху закрепляется, и бетонируют захватку.
6. После бетонирования дожидаются, пока бетон схватится, и извлекают OFS. При этом ограничители извлекаются вместе с оболочкой.
«Рис. 2» - Модель OFS
7. Переходят к устройству следующей части наклонной стены в грунте.
Стоит отметить, что OFS изнутри покрыта специальным материалом, который скользит по поверхности бетона, тем самым позволяя извлечь оболочку после его схватывания. Материал представляет собой усовершенствованный Фторопалст-4 или так называемый тефлон. Материал имеет в своем составе углеродные нанотрубки и был разработан учеными из университета Кембридж, технического университета Дании и Южной Дании. Размеры нанотрубки в длину 1 тыс. нанометров и ширину 100 нанометров, при этом частокол из трубок обеспечивал в 4 раза больше скольжение, чем тефлон. Усовершенствованный материал имеет название SLIPS (Slippery Liquid- Infused Porous Surfaces)- скользкие вымоченные пористые поверхности, который открыли в Гарварде. Новый материал невозможно испачкать, поскольку он является одной из самых скользких известных науке поверхностей, и поэтому на нем не задерживается влага и загрязнения, при этом он сохраняет свои свойства даже в условиях экстремальных температур и давления. Идея была позаимствована из природы (рис. 3), после чего разработали материал на основе микрочастиц полистирола, который наносился на стеклянную поверхность [2]. После чего частицы были залиты жидким стеклом, после их затвердевания, расплавлены нагревом. Наконец на покрытие нанесли смазывающее вещество 3M Fluorinert FC-70 в жидком виде, на котором собственно и основана сама технология.
«Рис. 3» - Идея для создания скользкого покрытия из природы, травяное недревесное насекомоядное растение непентес, которое растет, как виноградная лоза, устроено, как ловушка для насекомых и покрыто изнутри
скользким веществом.
В итоге SLIPS представляет собой губчатый слой тефлона, на который нанесена вышеуказанная смазка. Из возможных сред применения материала - защита для бортов ледоколов от обледенения, стен от «граффити».
Рассмотрим преимущества метода IWG. Во-первых, он сокращает затраты на возведение подземной части здания. Конечно, устроить наклонную стену сложнее, чем обычную вертикальную, но зато происходит экономия подземного пространства, которое сейчас разрабатывать занимает много затрат. Засчет оптимального угла наклона стены в грунте в 20 градусов по отношению к вертикали нагрузка с вышележащих конструкций плавно переносится на нижележащие. Стоит отметить, что конструкция стены в грунте в меньшей мере работает, как балка из-за плотного прилегания элемента к грунту, поэтому нагрузка как бы равномерно распространяется в грунтомассив. Кроме сокращения стоимости увеличивается качество конструкции, поскольку стена в грунте возводится не традиционным методом с использованием бентонита, а методом ВПТ (вертикально поднимающейся трубы), засчет чего уменьшается вероятность образования дополнительных пустот в скважине, что приводит к увеличению расхода бетона. По срокам возведения конструкции все неоднозначно- с одной стороны возможно увеличение продолжительности работ засчет сложности возводимой конструкции, с другой стороны это увеличение не тривиально.
Главное положительный момент метода заключается в том, что после возведения конструкции нет необходимости в дополнительном ее усилении и увеличении устойчивости, поскольку ограждающая конструкция вдавлена в грунтомассив и так удерживается своим весом по всем сторонам, препятствуя активному давлению грунта спровоцировать крен конструкции и обрушение стенок котлована, а самое главное - развитие осадок у существующей застройки.
Использованные источники:
1. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И., Сапин Д.А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. Учебное пособие. - М., СПб: Изд-во АСВ, 2013. - 256 с.
2. Федоров А. SLIPS: новая технология создания антизамораживающихся покрытий [Электронный ресурс]. URL: http: //www. km. ru/nauka/2012/06/18/izobreteniya-i-innovatsii-v-razHchnykh-oblastyakh-znanii/sHps-razrabotana-novaya- (дата обращения: 09.05.2018).
