книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

7 Способы водопонижения при устройстве котлованов

Для защиты котлованов от обводнения чаще всего используют открытый водоотлив из зумпфов – приямков, располагаемых по краям котлована; из этих зумпфов ведут откачку воды насосами (рис. 8.20). Однако открытый водоотлив может привести к суффозии – выносу мелкозернистых частиц и ослаблению грунта. Как отмечалось, суффозия может наступить, если фактически возникающие градиенты напора превысят значения критических градиентов напора Icr. Суффозию можно контролировать, например, по поступлению мутной воды к зумпфам: опыт показывает, что дальнейшая откачка становится опасной, если поступление мутной воды продолжается более 1–2 суток.

Рис. 8.20. Схемы понижения УПВ в котловане открытым водоотливом

Втаких ситуациях переходят к глубинному водоотливу, для чего по периметру котлована погружают иглофильтры – трубы с перфорированной нижней частью, защищенной стальной сеткой, которые по верху объединяют коллекторами, отводящими воду насосами.

Впростейшем случае это одноярусное водопонижение (рис. 8.21, а),

ав более сложных случаях – двухъярусное (рис. 8.21, б) или даже много-

ярусное водопонижение. Необходимость расположения иглофильтров в несколько ярусов обусловлена тем, что разрежение воздуха, создаваемое откачивающими насосами, не может превысить атмосферного давления, что соответствует реальной возможности подъема вода из иглофильтра не более чем на 7–8 м.

Врасчетах требуется определить притоки воды в котлован Q, оценить радиус влияния водопонижения (радиус депрессии) R и обеспечить понижение воды в самом котловане более чем на 0.5 м от его дна

(см. рис. 8.20). Соответствующие формулы для расчетов Q, R и Нх – пониженного уровня воды на расстоянии х в пределах радиуса влияния, можно найти в монографии [20] и/или в справочниках [5, 19].

Впрактических расчетах для определения радиуса депрессии вокруг котлована обычно используют приближенные формулы.

271

Пример. Требуется определить радиус депрессии R и приток воды Q в котлован размером в плане L B = 30 30 м глубиной Н=3 м; требуемое понижение воды S = 2.6 м от дна. Радиус влияния водопонижения от

края котлована [формула (8.20)]: R1 = 2S (Hk) = 2 · 2.6 (3 12) = 31.2

м. К этой величине добавляется приведенный радиус котлована rо =

=(LB / π) = ~17 м, следовательно, радиус депрессии R = R1 + rо = 31.2 +

+ 17 = ~ 48 м от центра котлована. Котлован находится в слое суглинка, имеющего коэффициент фильтрации k = 12 м/сут.

Как отмечалось, формулы для расчетов понижения уровня воды Нх на любом расстоянии х от котлована приведены в источниках [5, 20] и др. Формулы для расчетов параметров депрессионной воронки различаются в зависимости от типа дренажа (совершенный, несовершенный), притоков воды в котловане Q, времени откачки, направления основного источника подтопления (изотропная или анизотропная фильтрация) и др.

Впрактических расчетах приток воды Qо на 1 м2 площади дна

истен котлована рекомендуется принимать:

– для глин и суглинков – 0.0005–0.0015 м3/ч, для супесей – 0.005–0.015 м3/ч, для мелкозернистых песков – 0.05–0.15 м3/ч, для среднезернистых песков – 0.10–0.24 м3/ч, для крупнозернистых песков – 0.30–3.0 м3/ч, для трещиноватых скальных грунтов – 0.15–0.40 м3/ч

(для рассматриваемого случая Q = Qо (L B) = 0.005–0.015 (30 · 30) = = 4.5 – 15 м3/ч);

– или: приток воды Qо' на 1 м2 площади котлована при градиенте

напора I = 1: в песчаных грунтах с k = 10–2 – Qо' = 8.6 м3/сут; в глинистых грунтах с k = 10–8 – Qо' = 8.6 см3/сут.

В монографии Ю.И. Ярового [20] рассматриваются более сложные случаи:

–расчеты при наличии притоков не только из котлована, но и при удалении подземной воды из других подземных сооружений (траншей, тоннелей метрополитена и др.);

–расчеты времени формирования депрессионной воронки;

–расчеты осадок земной поверхности и существующих строений в

зоне влияния водопонижения выше уровня Нх (примеры деформаций зданий на трассе Екатеринбургского метрополитена и расчетов осадок от водопонижения были приведены в 1-й лекции (см. рис. 1.12));

–расчеты времени осушения грунта после прекращения водопонижения и образующихся при этом дополнительных деформаций поверхности и существующих строений.

273

8 Способы защиты строений от обводнения

Для защиты от проникновения воды в сооружения, сохранения и упрочнения оснований здания, снижения фильтрационного давления на конструкцию применяются локальные дренажные системы (дренаж). Также дренаж необходим для поддержания площадок и дорог участка

всухом состоянии, предотвращения загнивания корневой системы высаженных растений, защиты фундамента и подвальных помещений от избыточной влаги.

Впроектах дренажных систем [21] определяется место расположения дрен, глубина их залегания, уклоны, устройство каналов, подбор комплектующих изделий и материалов. В зависимости от уровня залегания подземных вод, приводящих к увлажнению территории, может быть выполнен дренаж поверхности участка (поверхностный дренаж) или глубинный дренаж.

Основные виды дренажа (рис. 8.22):

– Пластовый дренаж (поз. 1). Пластовая дренажная система укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт. При этом она гидравлически связана с трубчатой дреной (подземный искусственный водоток для сбора и отвода грунтовых вод), расположенной с наружной стороны фундамента. Пластовая дренажная система защищает сооружение как от подтопления грунтовыми водами, так и от увлажнения капиллярной влагой.

– Пристенный дренаж (поз. 2). Представляет собой систему из дренажных труб 3, уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения. Пристенный дренаж применяется, как правило,

втех случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте.

– Вертикальный дренаж (поз. 3). Представляет собой систему из группы вертикальных скважин, в которые производится сброс дренаж-

274

9 Последствия водопонижения

Как было показано, понижение уровня подземных вод приводит к образованию депрессионной воронки, размеры которой определяются величиной водопонижения и фильтрационными свойствами грунтов. Но опасная сторона водопонижения – возможность создания существующими зданиями так называемого барражного эффекта – изменения уровня подземных вод (УПВ) на пути фильтрационного потока.

Преграду может создать свайное поле или уплотненная зона под фундаментной плитой (рис. 8.23, а), которая, как и сваи, уменьшает проницаемость грунта, в результате чего первоначальное положение УПВ (поз. 1) изменится так, как показано поз. 2: сначала с некоторым понижением под зданием, причем более интенсивным в пределах более уплотненной центральной зоны.

б) а)

Рис. 8.23. Иллюстрация влияния барражного эффекта (а) и эффективности противофильтрационной завесы (б)

Понижение воды, как отмечалось, сопровождается снятием архимедовой силы, поэтому возникают неравномерные осадки поверхности грунта слева и справа от здания и образование его наклона.

Как показано на рис. 8.23, б, снижение барражного эффекта может быть достигнуто путем возведения на пути фильтрации подземной воды противофильтрационной завесы – тонкой стены из слабо проницаемого вещества (жирной глины, имеющей коэффициент фильтрации в 20 раз меньше, чем грунт основания), углубленной в грунт рядом с существующим зданием.

В случае возможного подпора подземных вод при устройстве завесы происходит подтопление части территории справа от здания (поз. 4) с возможным затоплением подвала, поэтому здесь потребуется устройство одного из видов дренажа.

275

Результат снятия архимедовой силы ярко проявился при глубоком водопонижении в ходе сооружения тоннелей и станций Екатеринбургского метрополитена: около 80 зданий получили различные повреждения за счет неравномерных осадок, а 10-этажный дом по ул. 8 Марта–Большакова заметно отклонился от вертикали (см. рис. 1.11 в 1-й лекции).

счет выклинивания более слабого песка в сторону оси VI при строительстве в зимний период 2007–2008 гг. Согласно расчетам, для выправления наклона требовалось со стороны оси V дома понизить УПВ на 15 м, поддерживая его постоянным за счет перекачки воды в водоприемную скважину возле оси VI.

Предложение было принято к реализации, но, к сожалению, по ряду причин не было завершено полностью. Однако за 1.5 месяца работ по регулируемому водопонижению осадки дома по оси V составили SV = 7 см, а с противоположной SVI = 1 см, в результате чего наклон дома уменьшился на 16 см – с 46 до 28 см. Сохранившийся наклон был оценен как безопасный и визуально почти неощутимый, несмотря на то, что он в 2 раза превышал допустимый (ΔS/Н)u = 14.4 см [7]. По сведениям, полученным к 2014 г., наклон дома как бы по инерции (за счет вероятной консолидации) еще несколько уменьшился – с 28 до 22 см – и полностью стабилизировался.

276

Список литературы

1.Павловский Н.Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями. – М.: Госстройиздат, 1923; 1932. – 752 с.

2.Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. – М.: Высшая школа, 1991. – 447 с.

3.СП 23.13330.2011. Основания гидротехнических сооружений

(акт. ред. СНиП 2.02.02–85). – М., 2012.

4.СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений (акт. ред.). –

М., 2016.

5.Годес Э.Г., Нарбут Р.М. Строительство в водной среде: справ. – 2-е изд. – Л.: Стройиздат, 1989. – 384 с.

6.Николаев Б.А. Погружение свай с помощью электроосмоса. – Л.: Госстройиздат, 1959. – 94 с.

7.СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия (акт. ред. СНиП

2.01.07–85*). – М., 2011.

8.Ларионов А.К. Занимательная инженерная геология. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1974. – 280 с.

9.Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация. – М.: Высшая школа, 1986. – 277 с.

10.Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. – М.: Наука, 1967. – 270 с.

11.Рекомендации по определению параметров ползучести и консолидации грунтов лабораторными методами / ПНИИИС Госстроя СССР. – М.: Стройиздат, 1989.

12.Цытович Н.А. Механика грунтов: Краткий курс: учеб. – 4-е изд. – М.: Изд-во ЛКИ, 2008. – 288 с. – (Классика инженерной мысли. Строительство).

13.Механика грунтов, основания и фундаменты: учеб. пособие / С.Б. Ухов, В.В. Семенов, В.В. Знаменский [и др.]. – М.: Высшая школа, 2002. – 527 с.

14.ГОСТ 20276–2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. – М., 2012.

15.ГОСТ 12248–2010. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – М., 2010.

16.Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга: моногр. – М.: Изд-во АСВ, 2010. – 264 с.

17.ТСН 50-302–2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге / Правительство Санкт-Петербурга. –

СПб., 2004.

277

18.Безволев С.Г. Актуализированная методика инженерно-геоло- гического расчета первичной и вторичной консолидации водонасыщенных грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2018. –

№1. – С. 2–8.

19.Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01–83) / НИИОСП им. Герсеванова Госстроя СССР. – М.: Стройиздат, 1986. – 415 с.

20.Яровой Ю.И. Прогноз деформаций земной поверхности защита городской застройки при строительстве метрополитенов на Урале: моногр. / УрГУПС. – Екатеринбург, 1999. – 257 с.

21.Руководство по проектированию дренажей зданий и сооружений / Правительство Москвы. – М., 2000.

22.Пат. 2162122 Рос. Федерация, E02 D. Способ понижения уровня грунтовых вод вблизи зданий и сооружений / Ю.И. Яровой, В.В. Лушников, С.В. Ляхов. – Опубл. 20.01.2001.

278

Приложение А

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРВИЧНОЙ КОНСОЛИДАЦИИ сv

Приведем пример испытания квадратным штампом А = 5000 см2 суглинка с характеристиками: Iр = 12; IL = 0.35; коэффициенты пористости ео = 0.90, фильтрации k = 0.05 с/сут, Пуассона ν = 0.30 и бокового расширения β = 0.74, модуль деформации Е = ω (1 – ν2) b р / S = 088

(1–0.302)·70.7·3.0/1.55 = 110 кгс/см2 = 11.0 МПа = 1100 тс/м2 = 11000 кПа;

Таблица А.2

Прогнозы деформаций на 3-й ступени

279

16/ (24·0.004) = 8.33 мм/ч против dS/dt = 0.1 мм за 1 ч по ГОСТ 20276,

т.е. скорость достигается в 83.3 раза больше расчетного времени.

2. Исправленные значения t0.9 = 0.015·83.3 = 0. 125; сv = (4 N h2/π2) /t = = (4·2.8·0.722/π2)/1.25 = 0.471 м2/сут, k = сv mо γw = 0.471·0.00128 =

=0.0006 м/сут.

3.При исправленных значениях сv = 0.471 м2/сут, k = 0.0006 м/сут

и = 0.33 сут скорость осадки на 3-й ступени составила dS/dt = 0.05S / = 0.05·16/0.33 = 0.1 мм/ч, а фактическое время условной стабилиза-

ции составило: t0.9 = 1.25·24 = 30 ч (в опыте t90 = 48 ч) против t0.9 = 0.36 ч при первоначальных исходных данных.

Вывод: несмотря на столь значительное расхождение результатов расчетов при первоначальных и уточненных значениях характеристик сv и k, предлагаемый способ позволяет прийти к правдоподобному результату развития деформаций.

280