4) Кессоны.
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 при проетировании опускного колодца описанные в предыдущем вопросе 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.
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.
Фундаменты кессонные и из опускных колодцев являются массивными фундаментами глубокого заложения. Деформации таких фундаментов весьма малы, поэтому их при расчете не учитывают, как и деформации жестких фундаментов мелкого заложения. При расчете массивных фундаментов глубокого заложения, в отличие от расчета фундаментов мелкого заложения, учитывают не только сопротивление грунта под подошвой фундамента, но и сопротивление вышерасположенного грунта его вертикальному смещению и повороту.
Методика расчета фундаментов глубокого заложения основана на предположении, что грунт представляет собой упругую линейно деформируемую среду, характеризуемую коэффициентом постели. Под коэффициентом постели понимают давление, которое надо приложить к площадке поверхности грунта вокруг фундамента или под ним, чтобы перемещение этой площадки равнялось 1 см (или 1 м и т. п.).
«Стена в грунте».
Фундаменты, устраиваемые методом «стена в грунте», стали применять сравнительно недавно. Сущность этого метода заключается в следующем. В грунте под защитой глинистого раствора отрывают глубокую траншею шириной 0,5…0,8 м, а затем с помощью бетонолитной трубы производят бетонирование, причем по мере заполнения траншеи трубу поднимают вверх. Для получения железобетонных фундаментов в траншею предварительно укладывают арматурный каркас. В некоторых случаях применяют сборные железобетонные элементы, имеющие выпуски арматуры. Зазоры после сварки арматуры также бетонируют с помощью бетонолитной трубы.
«Стена в грунте» может служить одновременно креплением стенок котлована, стен подземных этажей и фундаментом. При устройстве фундаментов глубокого заложения методом «стена в грунте» ее, как правило, доводят до слоев более плотных грунтов, чтобы передать значительные нагрузки как по подошве стены, так и за счет сил трения, возникающих по боковой поверхности фундамента. При выполнении работ необходимо стремиться, чтобы на дне траншеи не образовывался шлам от разработки грунта и не выпадал осадок от раствора бентонитовой глины, так как и то и другое снижает несущую способность фундамента, вызывая дополнительные осадки.Устойчивость «стена в грунте» обеспечивается с помощью анкеров или распорок. Часто в качестве распорок используют подземные элементы перекрытий (рис. 11.4, а). Для этого фундамент устраивают методом «стена в грунте» по всему периметру здания, внутренние опоры бетонируют аналогично. Затем под первое перекрытие разрабатывают грунт на глубину 2…3 м и устраивают само перекрытие, далее эту же операцию выполняют под второй подземный этаж и т. д. Грунт обычно разрабатывают с помощью бульдозера и удаляют грейфером или ковшами через отверстия, предусмотренные в перекрытиях. По мере разработки грунта устраивают новые перекрытия, служащие распорками. Таким образом возводится вся подземная часть здания. Возможную глубину отрывки траншеи определяют расчетом в зависимости от свойств грунта на строительной площадке и особенностей его пространственной работы в данных конкретных условиях. Устойчивость стенок траншей при возведении фундаментов глубокого заложения методом «стена в грунте» обеспечивается противодавлением раствора бентонитовой глины.
В некоторых случаях фундамент глубокого заложения, устраиваемый методом «стена в грунте», формируют с помощью бурения и заполнения бетоном секущихся скважин, получаемых следующим образом. Под защитой раствора бентонитовой глины бурят сначала две скважины с шагом, равным полутора диаметрам (рис. 11.4, б). Затем их заполняют бетонной смесью и после начала схватывания бетона, но до набора им значительной прочности, бурят третью скважину между ними с последующим заполнением бетонной смесью и т. д. до тех пор, пока пересекающиеся скважины постепенно не образуют стену требуемой длины и глубины.
Рис. 11.4. Фундаменты, устраиваемые методом «стена в грунте»: 1 — «стена в грунте»; I — IV — скважины бурения соответствующих очередей
В некоторых случаях глубокие опоры выполняют в виде набивных столбов методом «стена в грунте». Для этого устраивают несколько коротких, но глубоких траншей, которые могут образовывать в плане двутавр (рис. 11.4, в), крест (рис. 11,4, г), трилистник (рис, 11.4, д), звезду (рис. 11.4, е) или замкнутый прямоугольник (рис. 11.4, ж). После заполнения траншей бетоном и установки арматурных каркасов в верхних участках опор такие фундаменты можно стыковать с надземными конструкциями зданий и сооружений. Глубокие опоры и фундаменты, выполняемые методом «стена в грунте», могут выдерживать сжимающие и горизонтальные нагрузки, а также изгибающие моменты большой интенсивности. Несущую способность подобных конструкций обычно определяют как несущую способность свай при соответствующих методах изготовления или погружения.