Основание и фундамент подводной части водозаборного сооружения берегового типа

ξ_γ =1-0,25/ηξ_q =1+0,25/η, ξ_c =1+0,25/ηη=l/b

Здесь l и b - соответственно длина и ширина подошвы фундамента, принимаемые в случае внецентренного приложения равнодействующей нагрузки, равными приведенным значениям l ^/ , и b'.

Такой расчет допускается выполнять, если соблюдается условие: tgδ<sinφ_1, tgδ=0,82>sinφ₁ =sin24^o =0,41. Условие не выполняется.

4.2 Расчет фундамента на сдвиг

Если условие не выполняется, следует производить расчет фундамента на сдвиг по подошве (плоский).

, ,

Где - суммы проекций на плоскость скольжения расчетных сдвигающих и удерживающих сил, определяемых с учетом активного и пассивного давлений грунта на заднюю и переднюю стены сооружения.

Условие не выполняется. устойчивость на сдвиг не обеспеченна.

4.3 Проверка недопущения опрокидывания

Кинематически возможнойсхемой потери устойчивости является опрокидывание сооружения относительно передней грани фундамента.

,

устойчивость на опрокидывание не обеспеченна. С целью повышения устойчивости, предусматриваем "зуб" в задней стенке сооружения.

5. Расчет основания по деформациям

Цель - ограничение абсолютных перемещений здания водозабора. Совместная деформация основания и сооружения характеризуется:

абсолютной осадкой основания S , м;

креном сооружения i ;

горизонтальным перемещением фундамента u , м.

где - предельные значения совместной деформации основания сооружения.

5.1. Контактное давление

Среднее давление под подошвой фундамента:

не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R, определяемого по формуле:

где γ_с1 и γ_с2 - коэффициенты условий работы, принимаемые по СНиП 2.02.01-83; k - коэффициент, принимаемый равным 1, если прочностные характеристики грунта определены непосредственными испытаниями, и 1,1, если приняты по таблицам; М_γ , М_q , М_{с -} коэффициенты, принимаемые по СНиП 2.02.01-83; k_z - коэффициент, принимаемый равным:

при b < 10 м k_z =1;

при b ≥ 10 м k_z =z₀ /b + 0,2 (здесь z₀ =8м);

- удельный вес грунта ниже и выше подошвы фундаментной плиты.

В связи с внецентренностью приложения нагрузки проверяются условия:

Условие не соблюдается, необходимо увеличить ширину подошвы b или глубину заложения d фундамента.

5.2. Абсолютная осадка фундамента

Осадка основания S, м, с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства, определяется методом послойного суммирования по формуле:

где β - безразмерный коэффициент, равный 0,8; - среднее значение дополнительного вертикального напряжения в i -том слое грунта, равное полусумме на верхней и нижней границах слоя по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента; - толщина и модуль деформации i -го слоя грунта; n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.

Расчет выполняется в последовательности:

На чертеже в масштабе М 1: 100 (М 1: 200) наносится поперечное сечение сооружения ниже дна, с указанием отметок FL и LL.

Слева от вертикальной оси, проходящей через центр тяжести подошвы (точка О), строится эпюра давления σ_zg , от собственного веса с учетом взвешивания песка водой и положения литологической границы LL.

Дополнительное вертикальное давление р_о непосредственно под подошвой фундамента определяется как разность между контактным давлением р и вертикальным напряжением σ_zg,o от собственного веса грунта на уровне отметки FL:

Для построения эпюры дополнительного давления σ_zp толща грунта ниже отметки FL разбивается на ряд слоев мощностью 0,2b. Значение величины σ_zp для любого сечения, расположенного на глубине z от подошвы, определяется по формуле:

где α - коэффициент затухания давления, принимаемый по таблице 1 приложения 2 СНиП 2.02.01-83.

Расчеты удобно выполнять в табличной форме.

Эпюра σ_zp откладывается справа от оси в том же масштабе, что и σ_zg .

Устанавливается положение отметки ВС из условия: , для чего вправо от оси откладывается эпюра σ_zg , уменьшенная в 5 раз.

Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е < 5 МПа (5000 кПа) или такой слой залегает непосредственно ниже отметки FL, нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия s_zр = 0,1s_zg.. Устанавливается количество слоев n, шт., в пределах сжимаемой толщи Н_сж . Определяется значение величины осадки S методом послойного суммирования.

Построение эпюры дополнительного давления

Таблица 5.1.

Рисунок 5.2: Схема к расчету осадки основания

Согласно приложению 4 СНиП 2.02.01. - 83 S_и =20 см.

Условиевыполняется: 0,09 см < 20 см

5.3. Крен сооружения

Крен фундамента i_b при действии внецентренной нагрузки определяется по формуле:

где k_e =0,19 - коэффициент, принимаемый по таблице 5 приложения 2 СНиП 2.02.01. - 83; v - коэффициент поперечного расширения (Пуассона), v= 0,3; k_т =1 - коэффициент, учитываемый при расчете крена фундаментов по схеме линейно деформируемого слоя принимаемый по таблице 3 приложения 2 СНиП 2.02.01. - 83.

Согласно приложению 4 СНиП 2.02.01. - 83 i_u = 0,004<i_b = 0,0077. Условие не выполняется.

5.4. Горизонтальное перемещение фундамента

Расчет горизонтального смещения и следует производить по формуле:

где Ф - функция, определяемая из выражения:

Н_s - толщина сжимаемого слоя

Расчет предельного горизонтального смещения производится по формуле:

Условие не выполняется: 1,76 > 0,7.

6. Строительный котлован водозабора

6.1. Особенности строительства

Строительные площадки в поймах рек могут затапливаться поверхностными (паводковыми) водами, что усложняет условия производства работ при возведении сооружений. К числу особенностей в таких случаях можно отнести:

Необходимость защиты строительной площадки от затопления внешними водами с помощью перемычек.

Выполнение мероприятий по закреплению откосов перемычек, обеспечению устойчивости стен котлованов и устройству их ограждений.

Потребность в специальных средствах, технологиях и оборудовании.

Проведение работ по защите котлованов от грунтовых вод или отводу их за пределы застройки.

6.2. Назначение размеров выемки

Рисунок 6.1.: Габариты котлована. 1-пойма, 2-искусственно отсыпаемый полуостров, 3-дно котлована, 4-откос котлована, 5-контур сооружения, 6-ограждающая стена из металлического шпунта.

Строительный котлован со стороны русла и с боков выполняется в ограждающих стенках из металлического шпунта, а со стороны поймы - с естественным откосом. До начала погружения стальных элементов в части русла со стороны берега устраивается искусственный полуостров, по которому впоследствии перемещается копровое устройство с вибропогружателем. Размеры котлована в плане в уровне его дна диктуются габаритами сооружения b x l с запасами, обеспечивающими возможность выполнения необходимых технологических операций во время строительства (рисунок 6.1).

6.3. Перемычки

Это временное сооружение для ограждения места постройки фундамента или подземной части конструкции от поверхностных вод. При возведении береговых водозаборов перемычки устраивают как со стороны русловой части, так и на пойме. В современном водохозяйственном строительстве применяют следующие их основные типы: грунтовые; однорядные шпунтовые с грунтовой обсыпкой; двухрядные шпунтовые с грунтовой засыпкой; из металлического или железобетонного шпунта. На реках с песчаным руслом перемычки могут быть устроены средствами гидромеханизации из местного грунта, как на пойме, так и в русле. При скорости течения воды в русле до 0,5...0,7 м/с песок не уносится при отсыпке его непосредственно в воду, а в результате заиливания взвешенными в воде мелкими частицами его водопроницаемость снижается. Песчаные перемычки применяют при глубине воды в русле до 4 метров, а иногда - до 4... б метров с шириной поверху не менее 2...3 метров и крутизной откосов 3: 1 - 5: 1 (наружный) и 3: 1 (внутренний).

6.4. Грунтовая перемычка на пойме

Этот тип применяется чаще всего при глубине паводковых вод на пойме не более 1,3...1,7 м (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2.: Грунтовая перемычка на пойме.

Лучшими грунтами для их отсыпки являются супеси или мелкие суглинки. При скорости течения V = 0,1 м/с наружные откосы оставляют без крепления. Основание перемычки должно быть слабо - или водонепроницаемым. Поэтому пласт песчаного грунта прорезают непроницаемой преградой с заглублением ее ниже отм. LL не менее 0,5. .1,0 м. Грунтовые перемычки рассчитывают на устойчивость против плоского сдвига и фильтрацию воды через ее профиль по схеме плоской задачи - для участка в плане длиной 1 п. м. Расчет на плоский сдвиг на участке 1 п. м. перемычки производится из условия:

где - суммы проекций на плоскость скольжения соответственно расчетных сдвигающих и удерживающих сил.

Воздействие , вследствие гидродинамического давления воды (скоростного напора):

Удерживающая сила трения по основанию перемычки:

Собственный вес 1 п. м. перемычки с учетом взвешивания частиц грунта водой:

Условие выполняется. Сдвига не будет.

Удельный расход воды, q на 1 п. м. просачивающейся через грунт отсыпки, по закону Дарси:

Расход воды Q по всей длине перемычки L_u , м:

Исходя из значения величины Q, подбирают тип и количество насосов для откачки воды за пределы котлована.

Рисунок 6.3.: Схема двухрядной шпунтовой перемычки с грунтовой засыпкой.

6.5. Двухрядная шпунтовая перемычка с грунтовой засыпкой

Такие перемычки состоят из двух шпунтовых рядов, пространство между которыми заполняется грунтом. Их применяют для защиты котлована не только от поверхностных, но и грунтовых вод (рисунок VI-3).

Внутреннее ограждение служит одновременно для защиты от грунтовых вод и для закрепления стены котлована. Его погружают ниже литологической границы на глубину не менее 0.5...1,5 м с проверкой устойчивости ряда, а также устойчивости основания в целом. Наружный шпунтовой ряд, служащий для удержания грунтовой засыпки и придания перемычке общей жесткости и устойчивости забивают ниже дна реки на глубину 1,5...2,5 м . Головы маячных свай шпунтовых рядов соединяют горизонтальными схватками, обеспечивающими совместную работу стен. Ширину перемычек назначают из конструктивных соображений:

Окончательно принимаем ширину перемычки .

Шпунтовые ряды такой перемычки рассчитывают по схемам, соответствующим разным стадиям ее сооружения,

Внешняя стенка снаружи испытывает давление воды с равнодействующей:

Обе стенки изнутри испытывают давление грунта заполнителя и воды, равнодействующую которой условно принимают в половинном размере:

Кроме этого, на внутреннюю стенку действует гидростатическое давление воды и взвешенного грунта ниже дна реки и котлована (рисунок 6.3).

Примем глубину заделки в грунт ниже дна котлована принимается в первом приближении равной 7,4 м и проверим из соотношения суммы моментов, опрокидывающих и удерживающих сил относительно точки О:

, ,

Из анализа эпюры находим:

Из анализа эпюры находим:

Размеры сечения шпунта находят по изгибающим моментам, определяемым из рассмотрения равновесия верхних отсекаемых частей стены. Наиболее опасное сечение находится на глубине h₀ , ниже дна котлована. Из условия равенства суммы горизонтальных сил, приложенных к шпунту выше искомого сечения, можем приближенно записать:

где р - суммарная величина давления в уровне проектного дна:

предельное значение углового коэффициента уравнения линии эпюры результирующего давления на стену ниже дна котлована:

Решая уравнение относительно h₀ , получим для определения местоположения опасного сечения шпунтового ограждения формулу:

Тогда наибольший изгибающий момент М_max в опасном сечении определяется по формуле

Профиль стального шпунта (плоский, корытный, зетовый, типа "Ларсен") подбирается по техническим характеристикам. Требуемый момент сопротивления W, шпунта определяется зависимостью:

где R _y - расчетное сопротивление стали на площадке текучести.

6.6. Элементы котлована

Разработке грунта выемки предшествует отсыпка в примыкающий к берегу части русла искусственного полуострова, с последующим устройством перемычек. На пойменной части стройплощадки для защиты котлована от паводковых вод устраивают грунтовые перемычки. В песчаном основании между дневной поверхностью (отм. NL) и кровлей подстилающего пылевато-глинистого пласта (отм. LL) устраивают противофильтрационные преграды в нашем случае с использованием технологии "стена в грунте. Со стороны русла ограждающие конструкции могут быть представлены различными вариантами в нашем случае - свободностоящая стенка из металлического шпунта с грунтовой засыпкой для уменьшения водопроницаемости.

6.7. Производство работ

Погружение и извлечение металлического или деревянного шпунта осуществляют с помощью специальных машин и оборудования:

Для погружения элементов с относительно небольшими лобовым сопротивлением и массой применяют высокочастотные вибрационный погружатель ВПП-6. Для жесткой связи вибровозбудителя с погружаемой шпунтиной служит наголовник. Более высокие значения статического момента дебалансов, малую частоту колебаний и большую массу имеют низкочастотный вибропогружатель В1-772. Вынуждающая сила у этих механизмов достигает сотен кН, а у В1-722-1250 и 1700 кН.

Свае - и шпунтовыдергиватели это специально сконструированные машины для извлечения забитого в грунт шпунта используем виброударный шпунтовыдергиватель Ш-2. Шпунтовыдергиватель Ш-2 создан на базе вибратора и предназначен для извлечения стальных шпунтин массой до 2 т и длиной до 20 м. При работе удары, направленные вверх, наносят корпусом вибратора о наковальню, расположенную на траверсе над корпусом. Шпунтовыдергиватель подвешивают к крану через пружинный амортизатор.

7. Подземные противофильтрационные преграды

С целью снижения просачивания воды в котлован со стороны поймы в песчаной толще основания устраивают водонепроницаемые преграды. Для этого используют: инъектирование грунтов (цементация, битумизация, химические растворы); искусственное замораживание грунтов; технологию "стена в грунте"; струйный способ; цементно-грунтовые секущиеся сваи (оборудование шведской фирмы "Алимак"). Толщина преграды определяется из условия сохранения фильтрационной прочности материала по формуле:

где - действующий напор (перепад уровней), м, см. п. VI-4; J_cr - критический градиент напора, при котором наступает разрушение материала.

7.1. Цементно-грунтовые секущиеся сваи (оборудование фирмы "Алимак")

Противофильтрационный экран может быть устроен с помощью оборудования, которое разработано шведской фирмой "Алимак". В массиве грунта бурится скважина глубиной до 10 м и диаметром 0,5 м. В момент, когда бур начинает извлекаться из скважины, через его полный вал под давлением подается цемент и перемешивается с разрыхленным грунтом. В грунте образуется цементно-грунтовая свая. Затем на расстоянии, меньшем диаметра сваи, бурится новая скважина, в которой также устраивается цементная колонна. Между двумя колоннами снова бурят скважину, при этом частично захватывая материал двух соседних свай. В результате образуется стенка из сомкнутого ряда свай, обладающая противофильтрационными свойствами. Оборудование позволяет устраивать не только вертикальные, но и наклонные сваи (до 15° во всех направлениях).

Литература

1. Баранов Н.Н. "Основание и фундамент подводной части водозаборного сооружения берегового типа"-Методическое пособие для курсового проектирования по дисциплине "Механика грунтов, основания и фундаменты" для студентов специальности Т. 19.04. - "Водохозяйственное строительство". Минск 2000 г.

2. Штоль Т.М. и др. "Технология возведения подземной части зданий и сооружений". "Стройиздат" 1990 г.

3. СНиП 2.02.01. - 83^* "ОСНОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ".