Осушение котлованов, заложенных в песчаной толще. Понижение уровня грунтовых вод
При вскрытии котлованов в песчаной толще выпирание их дна в случае чрезмерных сдвигающих напряжений, как это могло бы случиться при глинах, не происходит. Такое выпирание, как известно, вызывается нарушением устойчивости глинистой толщи в результате сдвига на значительную глубину от дна выемки. Этот вид нарушения устойчивости глин присущ им потому, что их сопротивляемость сдвигу часто является постоянной и не зависящей от веса перекрывающих масс грунта. Такое положение совершенно невероятно для большинства разновидностей зернистых грунтов, подобных пескам. Сопротивляемость песков сдвигу зависит от проявления в нем внутреннего трения, а не сцепления, и поэтому увеличивается с глубиной от поверхности грунтовой толщи.
Однако проходка котлованов в толще водонасыщенных песков может сопровождаться различного рода трудностями. Так, например, если не будут приняты специальные меры по осушению котлованов, пески способны переходить в состояние плывуна. Это положение иллюстрируется рис. 14.11, на котором изображено вертикальное сечение по шпунтовой перемычке. Перемычка устроена на небольшой глубине и была предназначена для возведения в ее пределах мостового быка. Подошва фундамента быка располагалась на песке в уровне -40 футов. Если осушить котлован поверхностной откачкой воды из зумпфа, то можно ожидать подтока к нему по линиям тока, отвечающим гидродинамической сетке, показанной на рис. 14.11. В результате этого, в соответствии с данными примера 14.2, у зумпфа и вокруг него песок перейдет в состояние плывуна. Другими словами, песок на дне котлована начнет «кипеть», частично разжижаться и поступать вверх. Помимо этого, так как в состоянии плывуна песок не может нести ни боковой, ни вертикальной нагрузки, шпунтовые стенки перемычки потеряют опору, существовавшую ранее на их нижних концах в толще песка. При этом условии на нижние распорки крепления перемычки будет передана чрезмерная на них нагрузка, в результате чего возникнет прогрессирующее нарушение прочности крепления и может стать неминуемым смещение шпунтовых стенок в котлован. В качестве частичного защитного мероприятия может служить временный понур из глины, уложенный по поверхности песка 0—0 вокруг перемычки.
Для полного пресечения описанного явления требуется искусственное понижение грунтовых вод.
Принцип работы трубчатого колодца для искусственного понижения уровня грунтовых вод виден на рис. 14.12. Стальная труба диаметром приблизительно 1,5 дюйма с перфорированными стенками у нижнего конца, прикрытыми фильтром-сеткой с мелкими ячейками, заглубляется в грунт путем размыва последнего струей воды, нагнетаемой через трубу. При погружении трубы колодца в грунт нагнетаемая в нее вода поднимается к дневной поверхности вдоль внешней стороны стенки трубы и образует вокруг трубы колодца цилиндрическую полость, которая по мере снижения скорости восходящих токов воды может постепенно заполняться песком. Вода из всех проницаемых слоев, расположенных выше наконечника трубы колодца, может подтекать к нему безотносительно к наличию или отсутствию в толще любых горизонтальных водонепроницаемых прослоев, которые в ином случае перекрывают путь отходу воды из водонасыщенных слоев в вертикальном направлении. Трубчатые колодцы устанавливаются рядами, причем каждый из них подсоединяется на поверхности грунта к трубе-коллектору, которая, в свою очередь, связана с насосом (рис. 14.13,б).
Переход песка в состояние плывуна при использовании трубчатых колодцев предотвращается изменением направления действия фильтрационных сил. В данном случае эти силы направлены вниз или горизонтально по отношению к металлической сетке-фильтру наконечника, который способен их воспринять и не допускает выноса частиц песка из толщи через фильтр. Вводя трубчатые колодцы ниже уровня дна котлована, защищенного шпунтом, изменяют направление фильтрационных сил, действующих в общем случае в сторону котлована. При этом условии возможность перехода песка в состояние плывуна на дне котлована исключается.
Степень устойчивости песчаных откосов может быть также значительно повышена при использовании надлежаще расположенной системы трубчатых колодцев (рис. 14.14), так как при этом удается изменить направление потока грунтовых вод, движущихся в естественных условиях к откосу выемки. Тогда фильтрационные силы с измененным направлением действия вместо снижения степени устойчивости откоса будут способствовать ее повышению. Рис. 14.13 иллюстрирует пример практического использования этого принципа, позволившего вскрыть траншею под замок ядра плотины насухо с довольно крутыми откосами в толще песка до скалы, залегающей на 41 фут ниже уровня воды в протекающей рядом реке.
Для требуемого понижения уровня грунтовых вод в толще весьма мелкозернистых песков с некоторой примесью пылеватых и глинистых частиц может оказаться необходимым располагать обычные трубчатые колодцы очень близко друг к другу. В подобных случаях можно применять так называемый вакуумный метод с целью увеличения нормального (гравитационного) напора, под действием которого вода в этих грунтах фильтрует в направлении к трубчатым колодцам. На поверхности грунта над песчаным фильтром цилиндрического вида, расположенного вокруг колодца, устраивается водонепроницаемый тампон из глины. При откачке воды из колодца в песчаном фильтре возникает некоторый вакуум. При этом гравитационный напор, воздействующий на поток, направленный к колодцу, увеличивается на разницу между атмосферным давлением и этим частичным вакуумом, возникшим в порах песка.
При использовании наряду с водопонижением электроосмоса можно создать дополнительный напор, который приведет к фильтрации воды даже в относительно водонепроницаемых пылеватых грунтах и грунтах типа каменной муки.
Лео Казагранде сообщил о ряде случаев, когда вскрытие котлованов в таких грунтах стало возможным только благодаря использованию электроосмоса. При этом методе ряды трубчатых электродов работают в сочетании с расположенными вблизи них рядами стержневых электродов. Один из приведенных им примеров касается работ по строительству убежища для подводных лодок в Тронхейме, Норвегия. Здесь требовалось заложить котлован глубиной 46 футов вблизи океана. Попытки использовать для этой цели мероприятия обычного вида оказались безрезультатными.
К числу опробованных с отрицательным результатом мероприятий относились уположение откосов котлована и его защита шпунтом длиной 60 футов, который забивался в грунт до глубины 50 футов. В процессе работ по вскрытию котлована в его бортах возникли оползни с глубоким захождением в толщу поверхности скольжения, что привело к нарушению устойчивости стенка и ее перемещению внутрь котлована. Однако при последующем использовании электроосмотического дренажа строительство было завершено без каких-либо новых трудностей.
На рис. 14.15 приведены кривые гранулометрического состава грунтов, при котором понижение уровня грунтовых вод может успешно осуществляться теми или иными методами. Эти данные основаны на опыте работ корпорации Моуретренч.
