Грунты и их строительные свойства

Открытый водоотлив применяют для откачки протекающей воды непосредственно из котлованов или траншей насосами. При открытом водоотливе грунтовые воды просачиваются через откосы и дно котлована и направляются по прорытым водосборным канавам или лоткам к специально устроенным в пониженной части котлована приямкам, называемым зумпфами, откуда вода выкачивается диа-фрагмовыми или центробежными насосами соответствующей производительности. Насосы подбирают в зависимости от дебита (притока) вод, а сам дебит рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод.

Водосборные канавы устраивают шириной по дну 0,3...0,6 м и глубиной 1...2 м с уклоном 0,01...0,02 м в сторону  приямков. Сами приямки в устойчивых грунтах крепят в виде деревянного  сруба без дна, а в оплывающих грунтах еще шпунтовой стенкой.

Открытый водоотлив является простым и доступным способом борьбы с грунтовыми водами, но имеет  серьезный технологический недостаток. Восходящие потоки грунтовой воды, протекающей через стенки и дно  котлованов и траншей, разжижают  грунт и выносят из него на поверхность  мелкие частицы. В результате такого вымывания этот способ имеет ряд  существенных недостатков:

-   снижается естественная прочность основания выемки за счет размыва его проточной водой;

-   наличие воды на дне выемки затрудняет разработку грунта;

-   требуется крепление стенок выемок, так как движение воды к зумпфам приводит в движение и фунты;

-   подток воды к водосборной канаве может вызвать ослабление оснований зданий и сооружений, расположенных рядом со строящимся объектом. 

В тех случаях, когда водоотлив  оказывается нецелесообразным, применяют  искусственное понижение уровня грунтовых вод (водопонижение).

Водопонижение обеспечивает снижение уровня грунтовых вод (УГВ) ниже дна будущей выемки. Понижение уровня грунтовых вод состоит в откачке грунтовых вод глубинными насосами из шахтных колодцев (рис. 5.2) или буровых водопонижающих скважин, расположенных в непосредственной близости от будущего котлована или траншеи. При этом УГВ резко понижается, ранее насыщенный водой грунт и теперь обезвоженный, разрабатывается как грунт естественной влажности. При водопонижении появляется возможность сохранять в целостности откосы выемок и предотвращать вынос частиц грунта из-под фундаментов ближайших зданий.

Для искусственного водопонижения  разработано несколько других эффективных  способов, основными из которых являются иглофильтровой, вакуумный и электроосмотический

Иглофильтровый способ искусственного понижения УГВ основан на использовании иглофильтровых установок, состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части (иглофильтр), водосборного коллектора на поверхности земли и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем. Стальные трубы погружают в обводненный грунт по периметру котлована или вдоль траншеи.

Иглофильтр состоит из двух частей: фильтрующего звена и  надфильтровой трубы (диаметр иглофильтра 40...50 мм). Фильтрующее звено в свою очередь состоит из внутренней глухой и наружной перфорированной труб. Эта труба с наружной стороны обмотана проволокой, усилена фильтрационной и защитной сетками; снизу труба заканчивается фрезерным наконечником, внутри которого размещены шаровой и кольцевой клапаны.

Для опускания иглофильтра  в рабочее положение при сложных  грунтах применяют пробуривание скважин, в которые и опускаются иглофильтры (при глубинах до 6...9 м). В песках и супесчаных грунтах иглофильтры погружают гидравлическим способом (рис. 5.4, б), путем подмыва грунта под фрезерным наконечником водой с напором до 0,3 МПа. Поступая в верхнюю часть наконечника, вода опускает шаровой клапан, поступает под давлением к низу наконечника, размывает окружающий грунт, в том числе и по периметру трубы. Под действием собственной массы иглофильтр погружается в грунт, кольцевой клапан в процессе погружения трубы закрывает пространство между наружной и внутренней трубами. После погружения иглофильтра на рабочую глубину полое пространство вокруг трубы частично заполняется просевшим грунтом, частично засыпается крупнозернистым песком или гравием.

При включении всей системы  на режим откачки воды, шаровые  клапаны иглофильтров вследствие ползучести и под влиянием вакуума поднимаются  вверх и закрывают отверстие, одновременно кольцевой клапан опускается, открывая путь грунтовой воде через  ячейки сеток в пространство между  трубами и далее во внутреннюю трубу.

Иглофильтры позволяют при  одноярусном расположении понизить уровень грунтовых вод на 4...5 м, при двухъярусном - на 7...9 м. Иглофильтры  располагают на расстоянии 0,5 м от бровки котлована или траншеи. Узкие  траншеи глубиной до 4,5 м и шириной  до 4 м осушают одним рядом иглофильтров, при большей ширине и глубине - двумя рядами.

Расстояние в ряду между  иглофильтрами назначают в зависимости  от свойств грунта и глубины понижения уровня грунтовых вод. Для среднезернистых грунтов при коэффициенте фильтрации 2...60 м/сут расстояние принимают в пределах 1—1,5 м, в сильно фильтрующих крупнопесчаных и песчаногравелистых грунтах расстояние сокращают до 0,75 м.

Иглофильтровая установка состоит из ряда иглофильтров, погружаемых в грунт по периметру будущего котлована, по одной или двум сторонам траншеи. На поверхности земли иглофильтры присоединяют водосборным коллектором к насосной установке. При работе насосов в режиме откачки воды благодаря дренирующим свойствам грунта уровень воды в иглофильтре и окружающих грунтовых слоях понижается, что приводит к образованию нового УГВ, который называется депрессионной кривой. 

Вакуумный способ водопонижения основан на использовании эжекторньгх водопонизительньгх установок. Эти установки используют для понижения уровня грунтовых вод в мелкозернистых грунтах (мелкозернистые и пылеватые пески, супеси, илистые и лессовые грунты с коэффициентом фильтрации 0,02... 1 м/сут), в которых применять легкие иглофильтровые установки нецелесообразно. При работе вакуумных водопонизительных установок вакуум возникает в зоне эжекторного иглофильтра.

Эжекторная установка применима для понижения уровня грунтовых вод одним ярусом до глубины 15...20 м; оптимальные условия для работы эжектора - 8... 18 м. Фильтровое звено эжектора решено по принципу легкого иглофильтра, а надфильтровое звено состоит из наружной и внутренних труб с эжекторной насадкой. Погружение в грунт колонки надфильтровых труб осуществляется, как и у иглофильтра, гидравлическим способом, грунт размывается, труба опускается под действием силы тяжести. Когда колонка опустилась до необходимого уровня во внутрь ее опускают внутреннюю трубу с эжектором.

В рабочий период к насадке  эжектора подается рабочая вода с  поверхности под давлением 0,75...0,8 МПа в кольцевое пространство между внутренними и наружными  трубами. Выходя из эжекторной насадки, струя этой воды создает разряжение в окружающем кольцевом пространстве и подсасывает воду из основной рабочей трубы. В результате резкого изменения скорости движения рабочей воды в насадке создается разрежение и тем самым обеспечивается подсос грунтовой воды. Грунтовая вода, смешиваясь с рабочей, поступает по трубе наверх под действием всасывающего насоса в циркуляционный резервуар. Откаченная из грунта вода отводится из водосборного резервуара самотечным трубопроводом за пределы котлована или строительной площадки. 

Явление электроосмоса используют для расширения области применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт на расстоянии 0,5... 1 м от иглофильтров со стороны котлована погружают стальные трубы или стержни на глубину, идентичную погружению иглофильтров. Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а трубы или стержни - к положительному полюсу источника постоянного тока (анод) (рис. 5.5, б).

Электроды размещают относительно друг друга в шахматном порядке. Шаг, или расстояние анодов и катодов  в своем ряду принимают одинаковым в пределах 0,75...1,5 м. В качестве источника  электропитания применяют сварочные  аппараты или передвижные преобразователи  электрического тока. Мощность генератора постоянного тока определяют из необходимой  силы тока 0,5.-1 А на 1 м² площади электроосмотической завесы при напряжении в цепи 30...60 В. Под действием силы электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается по направлению к иглофильтрам. Благодаря электроосмосу коэффициент фильтрации грунта возрастает в 5...25 раз.

Применение каждого из описанных методов понижения  уровня грунтовых вод зависит  от мощности водоносного слоя, коэффициента фильтрации грунта, параметров земляного  сооружения и строительной площадки. Решение о выборе метода должно быть также обосновано и с позиций  охраны окружающей среды и экологической  безопасности возводимого объекта.  

Использование установок  для искусственного водопонижения  вызывает необходимость решения  задач экологического характера. В  первую очередь - это необходимость  применения экологически чистых технологий, которые не допускали бы загрязнения  подземных вод, попадания в них  вредных примесей.

Нередко при интенсивной  откачке грунтовых вод в районе строительства нарушаются гидрогеологические условия, взаимосвязь подземных  вод с поверхностными, в результате чего могут произойти нарушения  действующих водозаборных систем, осушение родников и т. д. Продолжительные  откачки грунтовых вод особо  опасны на застроенных городских  территориях, так как они могут  вызвать оседание земной поверхности, деформации зданий и сооружений, смещение осей инженерных сетей. Поэтому выбор способов защиты земляных сооружений от воздействия подземных вод должен сопровождаться анализом и разработкой соответствующих природоохранных мероприятий.

Создание искусственных  противофильтрационных завес и экранов

Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и  защиты проводимых в них строительных работ от поступления грунтовых вод в зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, мощности водоносных слоев существуют следующие способы закрепления грунта: замораживание, инъецирование в грунт растворов-отвердителей, создание тиксотропных противофильтрационных экранов и завес, устройство шпунтовых ограждений.

В сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофилырационные завесы при помощи естественного или искусственного замораживания грунтов.

Естественное замораживание применяют в районах с низкими температурами. В летнее время выкапывают котлован до уровня фунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20...30 см. После этого послойно (10... 15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

Искусственное замораживание грунтов применяют при высоком уровне грунтовых вод (в сильно водонасыщенных грунтах и плывунах) при строительстве шахт, туннелей, при разработке котлованов (глубоких выемок) в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах. Цель замораживания - создание льдогрунтовой оболочки вокруг сооружения, под защитой которой будет осуществляться разработка выемки.

По периметру разрабатываемого котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между  собой сетью из двух трубопроводов, которые подключены к холодильной  камере. Замораживающая колонка (охлаждающая  игла) состоит из двух труб - наружной диаметром ПО мм с замкнутым и заостренным нижним концом и внутренней трубы диаметром порядка 35 мм, при этом внутренняя труба не замкнутая и она не доходит до низа наружной. К верху наружной трубы приварена крышка, через нее пропущена внутренняя труба, по которой подается замораживающий раствор, и сбоку в верхней части наружной трубы приварена отводящая труба, по которой уже использованный охлаждающий раствор подается снова в холодильную камеру; на этих отводящих трубах закреплены термометры для контроля за температурой рассола.

Для замораживания грунтов  используют холодильную установку, подающую хлористый кальций или  другой охлаждающий раствор - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания) в погруженные в грунт  замораживающие колонки. Раствор хлористого кальция в холодильнике охлаждается  до температуры -20...-25°С под действием хладоагентов - углекислоты (диоксид углерода) или аммиака и под давлением подается во внутреннюю питательную трубу и из нее выливается, попадая в замкнутую наружную трубу, соприкасающуюся с грунтом. Перемещаясь по этой трубе снизу вверх под действием давления, раствор нагревается за счет поглощения тепла от грунта через стенку наружной трубы, одновременно охлаждая грунт, возвращается в холодильник с остаточной температурой около -5°С, где снова охлаждается и вновь поступает в систему труб.

Вокруг охлаждающей колонки, по которой проходит рассол, со временем образуется цилиндр замороженного  грунта, диаметр которого со временем увеличивается и максимально  может доходить до 3 м. Через некоторое  время после начала замораживания (часы, но чаще сутки), соседние цилиндры замороженного грунта сливаются (смерзаются) в сплошную стенку мерзлого грунта, которая препятствует проникновению  грунтовой воды в котлован, т. е. выполняет  функцию конструкции ограждения временной выемки. Замороженная стенка должна быть заглублена до водонепроницаемого пласта грунта для предотвращения доступа воды во внутреннюю полость снизу.

Расстояние между колонками  зависит от гидрогеологических и  температурных условий производства работ, глубины предполагаемой выемки и в большинстве случаев оказывается  в пределах 1,5...3 м.

Устройство тиксотропных противофильтрационных экранов толщиной 0,15...0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия. В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпун-тин или пустотелых свай. Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотропную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать, т. е. поглощать воду в количестве, до 7 раз большем собственной массы, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.