Тема 4. Виконання земляних робіт

Водовідлив і пониження рівня ґрунтових вод. Під час влаштування виїмок, розташованих нижче рівня ґрунтових вод, необхідно осушити водонасичений ґрунт і забезпечити його розроблення у звичайних умовах. Крім цього, котловани, траншеї і виробітки у період проведення робіт необхідно убезпечити від потрапляння в них ґрунтових вод. Ефективним технологічним прийомом вирішення таких завдань є відкачування ґрунтової води. У разі невеликого надходження ґрунтових вод котловани й траншеї розробляють із застосуванням відкритого водовідливу, а якщо води надходить багато і товщина водонасиченого шару, що розробляють велика, то до початку виконання робіт рівень ґрунтових вод штучно знижують, використовуючи різноманітні способи закритого водовідливу. Такий процес називається водозниженням. Відкритий водовідлив (рис. 4.3) застосовують під час відкачування плинної води безпосередньо з котлованів або траншей за допомогою насосів.

Рис. 4.3. Схема відкритого водовідливу: а – з котловану; б – з траншеї; 1 – канава дренажна; 2 – приямок (зумпф); 3 – знижений рівень ґрунтових вод; 4 – привантаження дренажне; 5 – насос; 6 – кріплення шпунтове; 7 – розпірка інвентарна; 8 – рукав всмоктуючий з сіткою (фільтром); Н – висота всмоктування

У разі відкритого водовідливу ґрунтові води, просочуючись через укосини й дно котловану, скеровують проритими водозбірними канавами або лотками до спеціально влаштованих у нижній частині котловану приямків – зумпфів, звідки воду викачують діафрагмовими або відцентровими насосами.

 Водозбірні канави повинні мати такі розміри: ширина по дну 0,3…0,6 м, глибина 1…2 м, ухил у бік приямків – 0,01…0,02 м. У стійких ґрунтах приямки укріплюють у вигляді дерев’яного зрубу без дна, а в пливких ґрунтах – шпунтовою стінкою. Відкритий водовідлив є простим і доступним способом боротьби з ґрунтовими водами, але має значні технологічні недоліки: внаслідок розмивання проточною водою знижується природна міцність основи виїмки; наявна на дні виїмки вода ускладнює розроблення ґрунту; потрібно укріплювати стінки виїмок, оскільки рух води до зумпфа спричиняє рух і ґрунтів; підтікання води до водозбірної канави може спричиняти послаблення підвалин будинків і споруд, розташованих поруч зі споруджуваним об’єктом. У тих випадках, коли використання водовідливу є недоцільним, рівень ґрунтових вод штучно понижують (водозниження). Водозниження застосовують, щоб зменшити рівень ґрунтових вод (РГВ) нижче дна майбутньої виїмки. Рівень ґрунтових вод знижують шляхом відкачування з колодязів або бурових свердловин глибинними насосами, знижуючи при цьому рівень, розташованих у безпосередній близькості від майбутнього котловану або траншеї.

 Розроблено декілька ефективних способів штучного водозниження, головними з яких є голкофільтрувальний, вакуумний і електроосмотичний.

Голкофільтрувальний спосіб (рис. 4.4) штучного зниження РГВ базується на використанні голкофільтрувальних установок, що складаються зі сталевих труб із фільтрувальним елементом у нижній частині (голкофільтр), водозбірного колектора – на поверхні землі й самоусмоктувального вихрового насоса з електродвигуном. Сталеві труби занурюють у ґрунт по периметру котловану або уздовж траншеї.

Рис. 4.4. Водозниження за допомогою легких голкофільтрових установок: а – котлован із голкофільтрами, встановленими в один ярус; б – встановлення голкофільтрів у два яруси; в – гідравлічне занурення голкофільтра; г – фільтрувальний елемент і схема роботи клапанів під час гідравлічного занурення голкофільтра; д – фільтрувальний елемент і схема роботи клапанів під час відкачування води; 1 – відцентровий насос; 2 – засувка; 3 – колектор; 4 – голкофільтри; 5 – підвідний трубопровід; 6 – насос; 7 – напірний рукав; 8 – хомут для ручного регулювання; 9 – приямок; 10 – усмоктувальний колектор; 11 – фільтрувальна сітка; 12 – захисна сітка; 13 – сталева спіральна обмотка; 14 – зовнішня труба з отворами; 15 – внутрішня труба; 16 – кільцевий клапан; 17 – кульовий клапан; 18 – стопорний болт; 19 – наконеччя; 20 – депресійна крива під час відкачування води з першого ярусу; 21 – з другого ярусу

Щоб опустити голкофільтр у робоче положення, у разі складних ґрунтів бурять свердловини. У пісках і супіщаних ґрунтах голкофільтри занурюють за допомогою гідравлічного способу. Одноярусне розташування голкофільтрів дає змогу знизити рівень ґрунтових вод на 4…5 м, двоярусного – на 7…9 м. Голкофільтри розташовують на відстані 0,5 м від бровки котловану або траншеї.

Вузькі траншеї – до 4,5 завглибшки м і до 4 м – осушують за допомогою одного ряду голкофільтрів, якщо ширина й глибина більші – двох рядів.

Вакуумний спосіб водозниження базується на використанні ежекторних установок, що знижують рівень води. Ці установки використовують у дрібнозернястих ґрунтах, у яких легкі голкофільтрові установки застосовувати недоцільно. Під час роботи вакуумних установок вакуум виникає в зоні ежекторного голкофільтра.

Рис. 4.3. Схеми голкофільтрових установок з вакуумним водозниженням, електроосушуванням ґрунту та ежекторним водопідйомом: а – водозниження легкими голкофільтровими установками; б – вакуумне водозниження; в – голкофільтрова установка з електроосушуванням; г – водозниження за допомогою ежекторних голкофільтрів; д – схема ежекторного голкофільтра; 1 – ланка фільтра; 2 – дзеркало ґрунтових вод після зниження їх голкофільтрами; 3 – відцентровий насос; 4 – епюра тиску при зниженні легкими голкофільтрами; 5 – те саме, при вакуумному водозниженні; 6 – вакуум-насос; 7 – сталева труба (анод); 8 – голкофільтр (катод); 9 – дзеркало ґрунтових вод після електроосушення; 10 – низьконапірний насос; 11 – водовідвідний колектор; 12 – голкофільтрова труба; 13 – внутрішня труба з ежекторним пристроєм; 14 – дифузор; 15 – насадок; 16 – фільтрувальна оболонка з гофрованої сталевої оцинкованої стрічки, що має знижене ущільнення шва; 17 – вікно для пуску ґрунтової води; 18 – шаровий клапан; 19 – водоупор

Під час роботи установки в кільцевий простір між зовнішньою та внутрішньою колонами труб голкофільтра під тиском 0,6–1,0 МПа подають “робочу” воду, яка спрямовується у насадку. Біля виходу з насадки внаслідок різкого зростання швидкості руху цієї води створюється розрідження, під дією якого через прорізи всмоктується ґрунтова вода, що пройшла до цього через гофрований фільтр. Ґрунтові води біля входу у горловину змішуються з “робочою” водою і далі проходять крізь дифузор, піднімаються до верху, де виливаються через патрубок у бак.

Явище електроосмосу використовують, щоб розширити сферу застосування голкофільтрових установок у ґрунтах з коефіцієнтом фільтрації менше ніж 0,05 м/добу. Голкофільтри під’єднують до негативного (катод), а труби або стрижні – до позитивного полюса джерела постійного струму (анод).

Під дією сили електричного струму вода, що міститься в порах ґрунту, вивільняється і переміщується у напрямку до голкофільтрів. Унаслідок застосування явища електроосмосу коефіцієнт фільтрації ґрунту зростає в 5...25 разів. Під час інтенсивного відкачування ґрунтових вод у районі будівництва порушуються гідрогеологічні умови, зв’язок підземних вод із поверхневими, унаслідок чого може погіршитися робота діючих водозабірних систем, процес осушення джерел. Тривале відкачування ґрунтових вод небезпечне на забудованих міських територіях, оскільки воно може спричинити осідання земної поверхні, деформацію будівель і споруд, зміщення осей інженерних мереж.

Створення штучних протифільтраційних завіс і екранів. Щоб убезпечити котловани, траншеї, підземні виробітки й захистити будівельний майданчик від надходження ґрунтових вод, залежно від їхнього стану й потужності водоносних шарів застосовують такі способи укріплення ґрунту: заморожування, уведення в ґрунт розчинів-затверджувачів, створення тиксотропних протифільтраційних екранів і завіс, улаштування шпунтових огороджень. У дуже водонасичених ґрунтах (пливунах) під час розроблення глибоких виїмок і підземних споруд за допомогою природного або штучного заморожування ґрунтів створюють протифільтраційні завіси

Сукупним різновидом впливів, унаслідок яких підвищується міцність ґрунту (він стає нерозмивним, а в деяких випадках і водонепроникним) є штучне укріплення ґрунтів. Укріплюють ґрунти, щоб створити навколо розроблюваних виїмок водонепроникні завіси й підвищити несучу здатність ґрунтових підвалин. Залежно від фізико-механічних властивостей ґрунту, його стану, необхідного ступеня й призначення укріплення застосовують такі способи штучного закріплення ґрунтів: заморожування, цементація, бітумізація, хімічний, електрохімічний тощо.

Способи заморожування грунтів

Ґрунти, що дуже насичені водою (пливуни), під час розроблення глибоких виїмок заморожують. Для цього по периметру котлована занурюють заморожувальні ряди труб, з’єднаних між собою трубопроводом, по якому закачують спеціальну рідину – розсіл (розчини солей з низькою температурою замерзання), охолоджений холодильною установкою до –20...25 °С (рис. 4.5)

Рис. 4.5. Схема штучного заморожування ґрунтів: а – за близького залягання водоупору; б – за глибокого залягання водоупору; в – схема холодильної установки; 1 – колонка заморожувальна; 2 – труба відвідна; 3 – труба живильна; 4 – колектор; 5 – розподільник; 6 – насос циркуляційний розсольний; 7 – випарник; 8 – вентиль терморегулювальний; 9 – конденсатор; 10 – збирник олії; 11 – лінія низького тиску аміаку; 12 – компресор; 13 – лінія високого тиску холодоносія; 14 – ґрунт заморожений

Спосіб заморожування має такі недоліки: ефект зберігається тимчасово, процес природного відтавання триває досить довго, підвищується вологість ґрунту внаслідок переміщення води з теплих шарів ґрунту до охолоджених (під дією градієнта температур) тощо. Технологія заморожування й технічні засоби для її виконання, однак, достатньо відпрацьовані, і, незважаючи на зазначені недоліки, цей спосіб застосовують досить широко.

 Цементація і бітумізація передбачає введення відповідного цементного розчину або розігрітих бітумів у поруваті ґрунти з високим коефіцієнтом фільтрації, а також скельні породи з тріщинами.

За допомогою хімічного способу закріплюють піщані й лесові ґрунти накачуючи в них через ін’єктори хімічні розчини. Застосовують один або два розчини. Розчин накачують за допомогою спеціальних труб-ін’єкторів, занурюючи їх окремо або пакетами по 5 шт. Відстані між ін’єкторами встановлюють, ураховуючи в’язкість розчину й тип ґрунту, які визначають експериментально.

Електричний спосіб застосовують для укріплення вологих глинястих ґрунтів. Він полягає у пропусканні через ґрунт постійного електричного струму з напруженістю поля 0,5...1 В/см і щільністю струму 1...5 А/м². Одночасно глину осушують і ущільнюють, вона втрачає здатність до пучення. 

 Електрохімічний спосіб відрізняється від попереднього тим, що одночасно з електричним струмом у ґрунт через трубу, яка є катодом і використовується як ін’єктор, вводять розчини хімічних домішок, що збільшують провідність струму (силікат натрію, хлористий кальцій, хлористе залізо). Унаслідок цього інтенсивність процесу закріплення ґрунту зростає.