Описание метода и технологии устройства «стена в грунте»

Метод устройства «стены в грунте» грейферным способом заключается в том, что стены сооружения возводят в узких и глубоких (до 60 м) траншеях, заполняемых при выемке грунта бентонитовым раствором, который создает избыточное гидростатическое давление на вертикальные стенки траншеи, благодаря чему они остаются ровными. Затем траншею заполняют заглинизированным грунтом, грунтобетоном монолитным бетоном или железобетоном. Вероятней всего, при создании противофильтровальной стенки вокруг ЧАЭС, подготовленные траншеи заполняли железобетоном (!) на глубину 100(!) метров. Данный способ рекомендуется использовать для защиты от загрязнений грунтовых вод инфильтрационными водами из различного рода отстойников, шламохранилищ, иловых площадок; для предотвращения фильтрации в обход гидротехнических сооружений; защиты от подтоплений и заболачивания территорий и магистральных каналов, водохранилищ. Метод «стена в грунте», или «траншейная стенка» (особый способ производств строительных работ), является одним из важнейших достижений фундаментостроения в 20-м столетии. В наши дни с помощью этой технологии решаются сложные задачи строительства при возведении подземных сооружений, подпорных стен, противофильтрационных завес, фундаментов глубокого заложения и др. Основным звеном этой прогрессивной технологии является разработка глубоких траншей без крепления стенок под глинистым раствором Проходка таких траншей возможна в разнообразных и неблагоприятных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях: например, при наличии слабых глинистых грунтов, плывунов, при высоком уровне подземных вод без водопонижения и т. п.Стены ограждений котлованов, устраиваемые способом «стена в грунте"могут иметь различную форму в плане: прямоугольную, многоугольную и т. д.

Траншейные «стены в грунте» могут сооружаться непрерывными или отдельными секциями. При устройстве монолитной бетонной или железобетонной стенки бетонная смесь укладывается в траншею методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ), глинистый раствор выдавливается, очищается от шлама и используется повторно на следующих захватках.

Глинистый раствор представляет собой разбавленную суспензию бентонитовой глины, в которую вводятся некоторые добавки (измельченные минералы — барит, гематит, магнезит и др.) Эта суспензия обладает высокой устойчивостью и тиксотропными свойствами, т. е. частицы глинистого минерала монтмориллонита, составляющего главный компонент бентонитовой глины, не выпадают в осадок, а остаются во взвешенном состоянии неопределенно долгое время. Вязкость суспензии падает в результате сотрясений Суспензия в зависимости от концентрации глины и добавок (утяжелителей) обладает сравнительно высокой плотностью (1,1—1,3 г/см3), поэтому она оказывает на стенки траншеи значительное давление, не воспринимаемое поровой водой окружающего грунта. Это давление воспринимает активное боковое давление грунта, чем обеспечивается устойчивость стенок прорези (траншеи). Подобный эффект сохраняется и в грунтах, обладающих высокой фильтрационной способностью, поскольку поры таких грунтов быстро заиливаются глиной раствора (явление кольматажа), утечка раствора из траншеи прекращается и суспензия воспринимает распор грунта. При использовании глинистой суспензии производится ее периодическая замена тампонажным раствором. В состав тампонажного раствора входят цемент, бентонит, глина, песок, вода и химические добавки для его пластификации и замедления сроков твердения. Плотность тампонажного раствора принимается 1,55…1,8 г/см и должна обеспечить вытеснение глинистого раствора из траншеи или скважины.

Для увеличения продольной жесткости ограждающей конструкции котлована иногда применяют стену в грунте с контрфорсами, которые существенно увеличивают изгибную жесткость стены. На рис. 1.42 а, б приведены примеры устройства стены в грунте с контрфорсами в Сингапуре и Монако (Петрухин В. П. и др.).

Траншея в грунте, заполненная бентонитовой суспензией, представляет собой противофильтрационную завесу (она резко сокращает притоки воды в строительные котлованы) или разделительную конструкцию (последняя выполняет ту же роль, что и разделительный шпунт). Однако гораздо чаще траншея, заполненная суспензией, — лишь начальный этап производства работ. Ее используют для возведения в ней железобетонной конструкции (в последующем она будет работать вначале в качестве крепления котлована, а затем как конструкция фундамента), выполняемой в сборном или монолитном варианте. Технологическая схема устройства стены в грунте (в одном из возможных вариантов) приведена на рис. 9.9. Прорезь в грунте проходят грейферным экскаватором с плоским ковшом, который подвешивается на жесткой штанге. Ширина прорези в зависимости от размеров ковша задается 0,5—1,5 м; глубина стенки — до 100 м. Стенке придается в плане любая форма: прямоугольная, круглая, в виде креста, «ромашки» и т. п., что удобно при необходимости передачи на основание больших сосредоточенных сил.

Свободно стоящая стена при одностороннем ее откапывании может иметь лишь ограниченную высоту. Поэтому в необходимых случаях применяют два типа креплений: распорное и анкерное (грунтовой анкер). Последний тип крепления представляет наибольший интерес как весьма прогрессивная и эффективная конструкция. Грунтовой анкер устраивают следующим образом (рис. 9.10). Через железобетон траншейной стенки пробуривают горизонтальную или наклонную скважину (с креплением или без него), в скважину вводят (забивают) специальное устройство — заделку анкера. В заделке закрепляют трос или стержень. На траншейной стенке устанавливают распределительную пластину, через которую натягивают анкер силой, обеспечивающей устойчивость стенки при откапывании, чтобы ее перемещения не превышали заданной величины.

Стадии выполнения работ способом «стена в грунте».

а — выемка грунта из траншей под глинистым раствором; б — заполнение траншей тампонажным раствором; в — установка панелей; 1 — сборная панель; 2 — грейфер; 3 — тампонажный раствор; 4 — глинистый раствор

Длину анкеров устанавливают таким образом, чтобы якорь (активная часть устройства) был расположен за пределами призмы обрушения, а сопротивление анкера достигало необходимой величины. Обычно длина анкера составляет 6—20 м (активная часть 1—6 м), диаметр активной части — 0,2—0,4 м, напряжение (контролируется динамометрами либо по величине удлинения троса или стержня при натяжении) — в зависимости от вида грунта 150—200 кН. Грунтовые анкеры размещают рядами, в несколько ярусов, чем обеспечивается устойчивость и неподвижность стен любой высоты.

Крепление стены в грунте грунтовыми анкерами инъекционного типа;

1 — призма обрушения; 2 — стена в грунте (железобетон); 3 — тяж анкера (трос); 4 — резиновый пакер (уплотнитель); 5 — ерш (активная часть анкера); I — заделка (активная часть); II — пассивная часть; III — натяжное (стопорное) устройство (пунктирные линии — глубина разработки грунта в котловане перед установкой очередного анкера) Эффективная область применения метода «стена в грунте». Эффективность метода «стена в грунте» может проявляться двояко: когда метод «стена в грунте» является единственным технически возможным методом строительства и его нельзя заменить никаким другим методом, а также когда из нескольких технически возможных методов строительства заглубленного сооружения метод «стена в грунте» является наиболее эффективным по выбранному критерию сравнения. В первом случае область эффективности называют областью незаменимости метода «стена в грунте». Во втором — областью сравнительной экономической эффективности.

К области незаменимости метода «стена в грунте» относятся, в частности, следующие случаи:

сооружение имеет в плане большие размеры и очень сложную конфигурацию, что исключает возможность успешного применения метода опускного колодца из-за большой вероятности его частых перекосов при опускании, а большая глубина заложения сооружения в водонасыщенных неустойчивых грунтах и сжатые сроки исключают возможность строительства его в открытом котловане;

сооружение имеет разную ступенчатоили плавно меняющуюся глубину заложения стен по его периметру, что также исключает возможность его возведения методами опускного колодца и в открытом котловане;

сооружение закладывается на значительную глубину в сильно проницаемых суффозионных и подверженных выпору грунтах в условиях отсутствия в его основании водоупорных пластов для сопряжения с ними противофильтрационных шпунтовых или ледопородных диафрагм;

сооружение большого размера в плане и большой глубины строится в суровых климатических условиях при длительном периоде морозов, что практически исключает его возведение опускным методом из-за опасности примерзания конструкций к окружающему грунту, а возведение его в открытом котловане невозможно в требуемые сроки из-за сильных морозов;

Преимущества метода «стена в грунте» настолько велики, что поиски путей преодоления приведенных выше ограничительных факторов ведутся очень интенсивно. Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией этого метода остается образование узкой глубокой траншеи в грунтах на глубину до 50−60 м. шириной 0,5−1,2 м. Для этих целей используют траншеепроходческое оборудование, в основе работы которого ударный, вибрационный, режущий и водовоздушный принципы разработки грунта в узкой траншее.