СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ БОРТОВ КОТЛОВАНА
METHOD TO REINFORCE FOUNDATION PIT BOARDS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для усиления крепления стен котлована, бортов траншеи достаточной длины (плоская задача) при устройстве трубопроводов, в том числе, газо - и нефтепроводов, возведении подземных и заглубленных сооружений открытым способом в условиях плотной городской застройки в местах, требующих минимизации нарушения природного напряженно-деформированного состояния (НДС) вмещающего грунтового массива.
Известны способы крепления бортов траншеи и котлована, включающие выполнение ограждающих и несущих стенок из шпунта, свай, «стен в грунте» и пр., объединение отдельных элементов крепления обвязочным поясом, установленным поверху стенок, например, [1] горизонтальным «шапочным» элементом с последующей разработкой грунта в котловане.
Недостатком указанного способа [1] является создание крепления, вступающего в работу после развития бокового активного давления грунта и приращений деформаций, т.е. носящего пассивный характер. Кроме того, крепление, устроенное таким способом, не может быть применено для траншей большой длины (десятки и сотни метров) при прокладке газо- и нефтепроводов в случае незамкнутого контура котлована без дополнительной поярусной установки анкеров или распорок. Даже при установке анкеров или распорок не исключаются горизонтальные перемещения несущей стенки и грунта в сторону котлована, поскольку установка анкеров производится после частичной выемки грунта из котлована. Эти перемещения являются причиной образования новых или раскрытия существовавших дефектов в инженерных сооружениях, находящихся в зоне влияния строительства вплоть до возникновения предаварийного или аварийного состояния.
Разработка грунта является техногенным воздействием, т.е. вторжением в сформировавшийся природный массив грунта. В процессе выемки грунта существовавшие ранее природные бытовые напряжения на контуре выработки снимаются; поэтому в расчетных схемах снимаемая нагрузка прикладывается с обратным знаком к контуру, с которого удаляется грунт. Этот фактор является причиной изменения сложившего природного поля напряжений и деформаций. Реакция противодействия зависит от физико-механических свойств массива и параметров воздействия внешних факторов. Поэтому крепление повышает свою эффективность в случае вступления в работу до начала выемки грунта, т.е. когда это крепление является активным по отношению к вмещающему массиву.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ крепления бортов замкнутого в плане котлована с обвязочным поясом, выполненным в виде уширенного в средней части армированного воротника [2] и соединенного по верху с ограждением, выступающего в сторону от котлована, который образует жесткую конструкцию Г- образной формы. Способ включает возведение ограждающей стеновой конструкции, например, способом «стена в грунте», затем производят "обнажение" верхней части арматурного каркаса «стены в грунте» и жесткое соединение его с арматурным каркасом будущего воротника ограждения. В местах установки соединения устраивают углубление в форшахте, после чего узел соединения бетонируют с включением в конструкцию нижнего элемента бывшей форшахты и производят разработку грунта в котловане. Для снижения приращений деформаций грунта вес воротника может быть увеличен путем приложения сверху воротника дополнительного пригруза. Этот способ можно отнести к «полуактивному».
3
max
Однако, в случае протяженной стенки траншеи, как показывают расчеты, размеры воротника должны быть неприемлемо велики. Например, для стены ограждения глубиной Н=12 м и длиной L=26 м, устраиваемой в песчаном грунте с γ=18,5кН/м, φ=30° при использовании конструкции крепления с воротником в форме балки прямоугольного сечения высотой h=0,8 м и шириной b=1,5 м и принятых грунтовых условий значение изгибающего момента в середине пролета получается равным 5450 кНм, прогиб y=0,0454 м. Кроме того, в ряде случаев, применение сплошного воротника может стать проблематичным в силу различных причин, а создание распределенного пригруза на поверхности воротника не позволяет эффективно использовать его площадь и оперативно реагировать на изменения, обнаруженные, например, при геотехническом мониторинге.
Задачей настоящего изобретения является нейтрализация влияния снимаемого бытового давления путем включения крепления в работу до разработки грунта в котловане с целью исключения или минимизации горизонтальных перемещений стенки.
Решение поставленной задачи согласно изобретению достигается за счет установки и соединения с воротником анкеров в вертикальной плоскости и приложения к ним усилий стягивания до разработки грунта. Натяжение анкеров, во-первых, освободит воротник от пригруза, во-вторых, создаст изгибающий момент нужной полярности (т.е. противоположной активному снимаемому бытовому давлению), который начнет прижимать крепление и, соответственно, грунт в сторону борта будущей выработки, который будет оказывать пассивное сопротивление. Увеличивая усилие натяжения, можно зарегистрировать момент, когда стенка получит перемещение в сторону борта котлована, означающее вступление крепления в работу. Для регистрации начала перемещения могут быть использованы известные методы: лазерный, геодезический, инструментальный и др. И, наконец, предлагаемый способ приведет к улучшению НДС грунтового массива в пределах потенциальной призмы давления грунта на ограждение, поскольку грунт между анкером и воротником будет сжат.Сжатие массива будет препятствовать образованию его предельного состояния и, соответственно, призмы обрушения, и способствовать повышению несущей способности грунтового массива. Таким образом, благодаря данному способу достигается наибольший положительный эффект в креплении протяженных котлованов и траншей, особенно при строительстве газо- и нефтепроводов, без распорок и связанных с креплением анкеров, устраиваемых из котлована.
На фиг.1 приведена активная конструкция крепления, выполненная с помощью предлагаемого способа. На фиг.2 отражена конструкция, выполненная известным способом [3], при котором установка и закрепление анкера на ограждении выполнена после частичной выемки грунта. С помощью предлагаемого способа сначала ограждение прижимается к борту будущей выработки за счет создания изгибающего момента к верху будущего ограждения анкерами, расположенными на воротнике и тем самым улучшается НДС массива, после чего производится выемка грунта.
Способ осуществляют следующим образом. Возводится стеновая ограждающая конструкция (1) котлована. Устраивается воротник (3), который соединяется со стеной. При необходимости выполняется усиление (5) места этого соединения. Устанавливают в вертикальной плоскости анкера (6) с замком (2) на воротнике (3). Производят натяжение анкеров, выполняют регистрацию начала перемещения крепления в сторону котлована, после чего выполняют разработку грунта в котловане до проектной отметки (4).
В случаях, когда воротник невозможно устроить в виде ленты в силу различных причин (технологических, отсутствие свободного места и т.п.), он может быть выполнен в виде балок в перпендикулярном к стене направлении, соединенных или не соединенных между собой, к которым прикладывают изгибающий момент с помощью натяжения установленных в вертикальном направлении анкеров. Для крепления отдельных балок со стеной по верху крепления устраивают укороченный обвязочный пояс, аналогично [1]. В ряде случаев для достижения равенства угловых перемещений балки и стены ограждения в узле их соединения или увеличения его жесткости, возможно выполнение усиления этого узла в виде устройства, например, вутов, причем не только в горизонтальном, но и вертикальном направлениях.
В случаях, когда анкера необходимо расположить на близком расстоянии от крепления, для исключения расклинивающего эффекта в грунте борта котлована, корень анкера заглубляют ниже дна будущего котлована.
В результате испытаний установлено, что наиболее эффективным является крепление, в котором создается изгибающий момент противоположного знака относительно изгибающего момента в креплении от давления грунта до начала земляных работ. На фиг.3 представлен фрагмент испытания стенки котлована, устойчивость которой обеспечивает создание с помощью рычага на поверхности грунта изгибающего момента в креплении в сторону бортов этого котлована.
Литература
1. Способ возведения ограждающей стенки в грунте / Пат. RU № 2095520. Перцовский М.И. // БИ №31, 1997.
2. Крепление бортов котлована / Патент RU 2327008. Картозия Б.А., Репников Л.Н., Сандуковский А.Э. и др. // БИ. - 2008. - №17.
3. Маковский Л.В., Чеботарев С.В., Зеге C.O. Системы крепления котлованов при строительстве подземных сооружений: Учебное пособие / МАДИ (ТУ). - 2000. - 120 с.