IV.4. ПІДГОТОВЧІ ТА ДОПОМІЖНІ РОБОТИ

Безпосередньо перед виконанням основних робіт, що містять розпушу­вання, розроблення та транспортування ґрунту, відсипання його та ущіль­нення, підчищання дна та опорядження укосів виїмки та насипів, треба виконати ряд підготовчих робіт: очищення території, зняття рослин­ного шару ґрунту, відведення поверхневих вод, геодезичне розбивання, улаштування шляхів, освітлення тощо. У процесі виконання земляних робіт проводять допоміжні роботи з водовідливу, водозниження, штуч­ного закріплення ґрунтів, захищення виїмок від ґрунтових вод, улашту­вання кріплень виїмок і т. ін.

Зняття рослинного шару. Будівельні організації під час підготовки територій до будівельних робіт повинні зняти рослинний шар ґрунту з метою його подальшого використання для благоустрою територій. Витрати на виконання цих робіт входять у вартість об’єктів будів­ництва.

Рослинний шар ґрунту, що містить у собі значну кількість органічних домішок, знімають за допомогою бульдозерів, грейдерів та скреперів.

Бульдозером зрізують та переміщують ґрунт, укладаючи його в проміжні валки, які підгортають для завантаження у автосамоскиди екскаватором чи тракторним навантажувачем. Грейдером ґрунт зрізують та зсувають убік. Під час наступних проходок збільшений об’єм ґрунту переміщують ще далі, утворюючи поздовжній валик ґрунту, який потім підгортають бульдозером. Скреперами рослинний шар ґрунту після виїмки переміщують у тимчасові відвали чи вивозять та укладають шаром потрібної товщини на площах, які підлягають рекультивації.

Геодезичний контроль при улаштуванні виїмок. Розбивання виїмки (наприклад, котловану) починають з виносу та закріплення в натурі основних осей будівлі відповідно до робочих креслень.

Навколо майбутньої виїмки поза її габаритами влаштовують огорожу (суцільну чи з розривами) із стовпчиків, до яких із зовнішнього боку прибивають горизонтальні дошки 25…30 см завширшки й 5 см завтовшки. Верхню грань дощок установлюють за нівеліром. Кінці стовпчиків зрізують урівень з верхнім ребром дошки. На огорожу переносять за до­помогою теодоліта основні розбивці осі і закріплюють їх цвяхами. Між протилежними дошками огорожі по позначених точках натягують дріт (вісь). Опускаючи з перетину осей висок, визначають потрібну точку на дні котловану Контролювати точність виїмки ґрунту з котловану можна за допомогою візирок (рис. IV. 1). Розміри котловану зверху та знизу позначають добре видимими кілочками. Для пропускання машин під час розроблення котловану в огорожі влаштовують розриви.

Розробляючи ґрунт у виїмках простої конфігурації, огорожу можна не влаштовувати. Габарити виїмки в цьому разі фіксують за допомогою геодезичних інструментів і встановленням кілочків по всіх кутах та в певних точках. Лише після закінчення улаштування виїмки приступають до розбивання осей будівлі чи споруди з улаштуванням огорожі.

Відведення поверхневих вод, відкритий водовідлив та водозни­ження. Навколо майбутньої виїмки чи тільки з підвищеного боку влаш­товують водовідвідні канави так, щоб вода, яка надходить до них, відво­дилась у знижені точки місцевості. У разі потреби стінки канав закріп­люють камінням, дерном тощо.

Відкритий водовідлив здійснюють в щільних, добре дренувальних ґрунтах викачуванням води діафрагмовими, поршневими чи центробіжними насосами безпосередньо з виїмки під час розроблення ґрунту нижче рівня ґрунтових вод, а також після досягнення проектного рівня, на якому мають виконуватись роботи з улаштування фундаментів, укла­дання труб тощо.

Для збирання води дну виїмки надають незначного уклону в бік водозбірних приямків (зумпфів), які влаштовують у самій виїмці або поза нею. Стінки приямків закріплюють шпунтом чи дерев’яними ящи­ками без дна розміром 1 х 1 м, а на дно приямків насипають фільтрів­ний матеріал (щебінку чи гравій).

Відкритий водовідлив є найбільш простим та економічним способом водозниження, але має обмежене застосування внаслідок того, що у виїмці майже завжди є вода, яка утруднює виконання робіт та порушує природ­ну структуру основи виїмки. Тому переважно використовують складні­ший, але ефективніший метод боротьби з прибуттям ґрунтових вод — зниження їхнього рівня.

Для цього використовують легкі голкофільтрові установки, які дають змогу в разі їхнього одноярусного розташування знизити рівень ґрун­тових вод на 4...5 м, а двоярусного — на 7...9 м; ежекторні голкофіль­три, що забезпечують зниження рівня ґрунтових вод на 16...20 м, та свердловини з глибинними насосами, здатними викачувати воду ще з більших глибин.

Легкі голкофільтрові установки (ЛГУ) застосовують переваж­но для осушення піщаних ґрунтів з коефіцієнтом фільтрації 1,5...2 м/добу. До комплекту ЛГУ належать голкофільтри (до 100 шт.), водозбірний колектор діаметром 100...200 мм та два центробіжних насоси для за­безпечення безперебійної роботи установки, один із яких є резервним (рис. IV.2, а).

Голкофільтр — це труба діаметром 38 чи 50 мм, до 8,5 м завдовжки, на нижньому кінці якої прикріплена ланка фільтра (рис. IV.2, г), що складається з двох труб: внутрішньої — подовження загальної труби діаметром 38 мм - та зовнішньої діаметром 60 мм з рівномірно розпо­діленими отворами для пропускання води. Зовнішня труба по спіралі обмотана дротом діаметром 3 мм і покрита фільтраційною і захисною сітками. Ланка фільтра закінчується наконечником, у середині якого розміщені шаровий та кільцевий клапани.

Голкофільтри частіше за все занурюють у ґрунт гідравлічним спо­собом (рис. IV.2, в). Вода, що нагнітається по внутрішній трубі під тиском до 0,3 МПа, відштовхує шаровий клапан (кільцевий клапан у цей час піднімається й закриває проміжок між зовнішньою та внутріш­ньою трубами). Виходячи з наконечника, вода розмиває ґрунт навколо голкофільтра й виносить його частинки на поверхню (рис. IV.2, г). У разі похитування та при поворотах голкофільтр, підгримуваний кра­ном, легко занурюється у ґрунт під дією власної ваги.

Під час викачування води (рис IV.2, д) внаслідок розрідження шаро­вий клапан спливає, а кільцевий опускається, відкриваючи шлях ґрунтовій воді, яка поступає через фільтраційну сітку та перфоровану трубу в голкофільтр і далі у колектор.

Голкофільтри встановлюють по периметру осушуваної виїмки (рис ІV.2, а) на відстані 0,5 м від бровки укосу. Якщо потрібно знизити рівень ґрунтових вод більш як на 4 .5 м, голкофільтри монтують у два яруси (рис. IV 2, б). Проте при двоярусній установці значно збільшу­ється обсяг земляних робіт за рахунок улаштування ряду берм.

Установки з вакуумним водозниженням (УВВ) доцільно застосо­вувати, якщо коефіцієнт фільтрації становить від 1 до 0,01 м добу. Суть вакуумного водозниження полягає в тому, що на відміну від водо­зниження легкими голкофільтрами, де ґрунтові води проникають у них тільки під дією сил ваги, а центробіжний насос створює в ґрунті додат­ковий позитивний надмірний тиск (рис. ІV.З, а), у ланці фільтра вакуум­ного голкофільтра та в оточуючому ґрунті створюється та безперервно підтримується негативний надмірний тиск, тобто вакуум (рис. ІV.З, 6). Він сприяє відсмоктуванню з ґрунту гравітаційної та капілярної води.

Водоповітряна суміш надходить у голкофільтр і відкачується ваку­ум-насосом.

У глинистих водонасичених ґрунтах з коефіцієнтом фільтрації мен­ше ніж 0,1 м/добу, де звичайна голкофільтрова установка малоефектив­на, застосовують спосіб, заснований на явищі електроосмосу. Постійний струм, проходячи крізь глинисті ґрунти, призводить до переміщення води в порах ґрунту в бік негативного полюса. Суть цього способу полягає у тому, що між бровкою котловану та голкофільтрами заглиблюють труби діаметром 38 мм або стрижні з арматурної сталі. Після цього їх підклю­чають до позитивного полюса генератора напругою ЗО...60 В, а голкофіль­три — до його негативного полюса. Під дією електричного струму вода, що міститься у порах ґрунту, переміщується в бік голкофільтрів. Таким чином збільшується водовіддача глинистого ґрунту, внаслідок чого ви­тягується не тільки гравітаційна, а й капілярна вода.

Ежекторні голкофільтрові установки (ЕГУ) застосовують для зниження рівня ґрунтових вод з коефіцієнтом фільтрації 1...40 м/добу з глибини до 20 м (рис. ІУ.З, г).

Ежекторний голкофільтр (рис. ІУ.З, д) складається з двох колон надфільтрових труб діаметром 70 мм та внутрішньої труби діаметром 48 мм, до нижнього кінця якої прикріплено ежекторний пристрій — дифузор з насадкою.

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 «робочої» 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 доверху, де виливаються через патрубок в бак.

Водознижувальні свердловини з глибинними насосами засто­совують для зниження рівня ґрунтових вод на глибину більш як 20 м, а також при глибині майже 20 м у разі великої товщини водоносного шару та тривалих термінів відкачування.

По периметру майбутньої виїмки пробурюють свердловини, в які опускають обсадні труби діаметром 90...400 мм, улаштовуючи піщано-гравійний фільтр заввишки 0,2...0,3 м. У кожен колодязь опускають насос із двигуном або артезіанські насоси, що мають довгий вал і електро­двигун, розміщений над устям свердловини.

Штучне закріплення ґрунтів та захист виїмок від ґрунтових вод. Для утворення навколо майбутніх виїмок водонепроникних завіс га збільшення несівної здатності ґрунтів залежно від їхніх фізико-механічних властивостей та стану застосовують заморожування, рідше цемен­тацію, бітумізацію, силікатизацію.

         Штучне заморожування — це тимчасове закріплення водонасичених ґрунтів (пливунів) під час розроблення глибоких виїмок. Навколо виїмки створюють водонепроникні льодові стінки (рис. ІV.4, а). Для цього по периметру виїмки заглиблюють колонки, що складаються із зовнішніх заморожувальних та внутрішніх живильних труб, з’єднаних трубопроводом, по якому нагнітається спеціальний розчин (розсіл) со­лей, що мають низьку температуру замерзання. Охолоджений до мінус 20…45 °С у холодильній установці розсіл циркулює навколо колонок, створюючи стовпи мерзлого ґрунту. Поступово збільшуючись у діаме­трі, стовпи з’єднуються між собою у суцільну стіну.

Цементацію застосовують при закріпленні середньо- та крупно- зернистих пісків, тріщинуватих скельних порід нагнітанням тампонаж­них розчинів під тиском 25... 100 МПа на 1 м заглиблення ін’єкторів (труб для подавання розчину).

При незначній глибині ін’єктори заглиблюють за допомогою віброза­нурювача, пневматичними молотами, гідравлічним способом, при значній глибині (15 і більше метрів) у заздалегідь пробурені свердловини. В ін’єк­тори поршневими чи діафрагмовими насосами нагнітають суспензію, яка має співвідношення за масою цемент : вода у межах від 1 : 1 до 1 : 10. Ще рідшу суспензію застосовують для замуровування тріщин у скельних по­родах. Радіус закріплення ґрунтів залежить від виду та стану ґрунту й орієнтовно становить, м: для пісків середньої крупності — 0,3...0,5, крупнозернистих пісків — 0,50...0,75, скельних ґрунтів — 1,2...1,5.

Бітумізацію застосовують як допоміжний спосіб до цементації для закріплення тріщинуватих скельних порід гарячою бітумною мастикою за великої швидкості ґрунтових вод. Піщані ґрунти закріплюють холод­ною бітумною емульсією. Мастику чи емульсію нагнітають у ґрунт крізь пробурені свердловини спочатку під тиском 0,2... 0,3 МПа, а потім поступово підвищують його до 5...8 МПа.

Силікатизацією підвищують водонепроникність, стійкість та міц­ність водонасичених пісків та пливунів.

За допомогою ін’єкторів під тиском 0,5... 1,5 МПа нагнітають у ґрунт спочатку розчин рідкого скла, а через одну-дві години — хлориду каль­цію. Змішуючись, розчини вступають у реакцію й утворюють гель силіцієвої кислоти, який, тверднучи, зв’язує ґрунт у міцний монолітний масив. Розчин можна вводити і за один раз. Компонентами для однорозчинної суміші є рідке скло та ортофосфорна кислота або рідке скло та силіційфтористоводнева кислота тощо.

Виїмки у водоносних шарах можна влаштовувати під захистом тик- сотропних протифільтраційних екранів. Для цього використовують тиксотропну суспензію, яка має властивість у стані спокою тверднути та знову перетворюватись на рідину при перемішуванні.

Для влаштування тонких (0,15...0,25 м) протифільтраційних екра­нів застосовують машини, в основі роботи яких лежать ударний, ріжучий та водоповітряний принципи дії.

         За допомогою машин ударної дії (копрів) впритул один до одного забивають ряд сталевих шпунтин-ін’єкторів двотаврового перерізу (рис. IV.4, б). Потім першу забиту шпунтину витягують гідравлічним екстрактором, а утворену в ґрунті порожнину поступово заповнюють тиксотропною суспензією, яку нагнітають під тиском до 6 МПа крізь трубу, приварену до двотавра. Витягнену шпунтину переставляють на нове місце впритул до установленого ряду і знову забивають. Процес повторюють по фронту майбутньої виїмки до повного огороджування її водонепроникним екраном.

Щілини для наступного заповнення суспензією можна нарізати машинами із різальним робочим органом — баром (рис. ІV.4, в), кон­струкція яких аналогічна конструкції машин для розроблення мерзлих ґрунтів.

Для нарізання щілин можна також застосовувати установку, в якій різальним органом є канат (рис. ІV.4, д). По периметру бурять сверд­ловини на 1...2 м глибше від проектної позначки і крізь обсадні труби заповнюють їх тиксотропною суспензією, яка запобігає руйнуванню стінок свердловини. У свердловини опускають штанги з вантажами зверху, а внизу з блоками, через які протягують канат на лебідки. Канат попе­ремінно перемотують з однієї лебідки на іншу, приторможуючи в цей час одну з них. Канат, врізаючись у ґрунт, втягує зі свердловини су­спензію, яка і створює в ґрунті суцільний екран. Послідовно перестав­ляючи штанги в інші свердловини, весь котлован закривають тиксотроп­ним екраном.

Спосіб улаштування протифільтраційних екранів з використанням водоповітряної струмини полягає у тому, що в пробурену свердловину опускають підвішену на крані спеціальну гідромоніторну установку (рис. ІV.4, г). За її допомогою розмивають та витискують ґрунт на поверхню суспензії, яка під тиском поступає з ін’єкторної голівки.

Улаштування кріплень. Необхідність кріплення стінок котлованів і траншей визначається та регламентується нормативними документами і залежить від гідрогеологічних умов: виду та вологості ґрунту, наявності ґрунтових вод, глибини виїмки тощо.

Вертикальні стінки без кріплень допускаються в ґрунтах природ­ної вологості із цілісною структурою, якщо немає ґрунтових вод: при глибині виїмок у насипних, піщаних та гравелистих ґрунтах не більш як 1 м, у супіщаних — 1,25 м, у суглинкових та глинистих — 1,5 м, в особливо щільних ґрунтах — 2 м.

Для укладання трубопроводів плітьми в зв’язних щільних ґрунтах можна копати траншеї багатоківшевими екскаваторами на глибину до З м без кріплення. Проте в місцях сходження робочих у траншею для стикування плітей та виконання інших робіт слід улаштовувати місцеві укоси чи кріплення.

Для запобігання осипанню чи сповзанню ґрунту рекомендується у слід за виїмкою влаштовувати фундаменти, укладати труби і т. д.

У разі відривання глибоких виїмок із вертикальними стінками або за наявності ґрунтових вод для забезпечення стійкості стін застосову­ють тимчасові кріплення. Тип кріплення визначається проектом вико­нання робіт залежно від розмірів виїмки, властивостей ґрунту, величини притоку ґрунтових вод та конкретних умов виконання процесів

Кріплення стінок котлованів класифікується за способами роботи їх як несівних конструкцій і поділяється на підкісні, анкерні, консольні (шпунтові), розпірні та консольно розпірні

Підкісне кріплення (рис IV 5, а) встановлюють усередині котлова­ну. Підкоси затруднюють виконання подальших робіт у котловані, і тому застосування цього кріплення обмежене. У зв’язних ґрунтах при­родної вологості при глибині виїмки до 3 м улаштовують горизонтальну закладку (забірку) з дощок 5 см завтовшки із прозорами на ширину дошки Якщо глибина більше ніж 3 м, закладку роблять суцільною У грунтах сипких та підвищеної вологості, незалежно від глибини котло­вану, прозорів не залишають.

Анкерне кріплення (рис IV 5,6) складається зі стояків та закладок, розміщених у котловані, дерев’яних чи металевих тяг та паль, розміще­них за межами котловану на відстані, м,

де h — глибина котловану, м; φ — кут природного укосу, град.

Щоб анкерні тяги не заважали переміщенню людей, їх слід улаш­товувати трохи нижче поверхні ґрунту.

Консольне (шпунтове) кріплення — це шпунтова стінка, жорстко затиснена ґрунтом. Таке кріплення влаштовують з металевого або, рід­ше, дерев’яного шпунта. Переважно їх використовують при огороджуван­ні мілких котлованів у водонасичених ґрунтах, коли неможливо штучно знизити рівень ґрунтових вод.

Металевий шпунт (рис IV 5, в), який постачає промисловість за вста­новленим сортаментом (плоский, Z-подібний, коритного типу «Ларсен»), має велику несівну здатність та багаторазово використовується у будь-яких ґрунтових умовах, а також при розробленні ґрунту на значну глибину.

Розпірне кріплення сприймає всі діючі навантаження через розпірки, а щити кріплення та шпунтові стінки виконують функції огорожі. Роз­пірки можна встановлювати в один або кілька рядів по висоті перерізу.

За способом улаштування закладок (забірок) кріплення буває горизон­тальне (суцільне чи з прозорами) та вертикальне (рис. IV.5, г, д)

Розпірні кріплення переважно дерев’яні, для огороджувальних еле­ментів їх використовують у вигляді інвентарних щитів У котлованах більш як 2,5 м завглибшки замість щитів можна встановлювати дере­в’яну шпунтову стінку, яку для підвищення стійкості заглиблюють у ґрунт на 0,5...0,7 м. Розпірки, як і підкоси, утруднюють виконання наступних робіт у котловані.

Рис. IV.5. Кріплення стінок котлованів і траншей:

я — підкісне; б — анкерне; в — шпунтове; г — розпірне горизонтальне з прозорами; д – те саме, вертикальне суцільне; е — консольно-розпірне; є — інвентарне; 1 — забирка з дощок; 2 — стояк; 3 — бобишка; 4 — підкіс; 5 — паля; 6 — анкерна тяга; 7 — засипка; розпірка; 9 — металева паля; 10 - пояс-обв'язка; 11 — розпір; 12 — дошка затяжки; 13 – укіс котловану; 14 – кронштейн; 15 — накладки; 16 — клини; 17 — шар ризк-бетону; 18 — прогони; 19 — збірно-розсувна рама; 20 — інвентарні щити огорожі; 21 – в’язі жорсткості

         Консольно-розпірні кріплення (рис. IV.5, е) поєднують у собі два види кріплення. Навантаження від тиску ґрунту, складених біля бров­ки котловану матеріалів тощо сприймається не тільки розпірками, а й огороджувальними елементами кріплення. Для останніх використовують дерев’яний чи металевий шпунт, а також двотаврові балки, між якими закладають дошки огорожі. Такі кріплення застосовують, як правило, для вузьких та неглибоких котлованів.

Для широких та глибоких котлованів використовують кріплення з телескопічними розпірками. Металеві палі з двотаврових балок № 40...60 забивають уздовж бровок майбутнього котловану з кроком а = 0,5...1,5 м і більше, заглиблюючи їх нижче підошви майбутньої підземної споруди на Н₃=3...5 м. Стінки котловану між палями під час розроблення ґрунту закріплюють дерев’яними дощатими затяжками. Дошки 5...7 см завтовшки заводять за полиці паль та розклинюють ґрунтом.

Якщо глибина котловану більше ніж 3...4 м, палі додатково розкріп­люють поздовжнім поясом — обв’язкою з двотаврових балок на від­стані не менше ніж 0,5 м від верху котловану. У пояси упирають попе­речні розпори, розташовуючи їх через 4...6 м уздовж осі котловану (рис. IV.5, е). Для передавання навантаження від палей на розпори між кожною палею та балками обв’язки встановлюють сталеві клинки. У разі великої глибини котловану (більш як 10... 12 м) та значного бокового тиску ґрунту розпори встановлюють по висоті в кілька ярусів.

Розпори роблять із труб діаметром 30…40 см і більше чи металевих профілів, складених із двох швелерів або чотирьох кутиків, з’єднаних накладками за допомогою електрозварювання.

Конструкція розпорів розсувна (телескопічна). Розкріплюються вони сталевими клинами чи спеціальними гідравлічними домкратами.

Кріплення вертикальних стін траншей за конструктивними ознаками подібне кріпленню стін котлованів. За конструктивним вико­нанням огороджу вальних стінок розрізняють такі кріплення: горизон­тальне (суцільне чи з прозорами), вертикальне (суцільне) та інвентарне.

Горизонтальне кріплення з прозорами (рис. IV.5, г) застосовують у траншеях до 3 м завглибшки у зв’язних ґрунтах природної вологості, якщо немає чи є незначний приплив ґрунтових вод. При глибині тран­шей 3...5 м за тих самих умов улаштовують суцільне кріплення.

У ґрунтах сипких чи підвищеної вологості застосовують суцільне горизонтальне та вертикальне кріплення незалежно від глибини траншеї (рис. IV.5, д). Якщо приплив ґрунтових вод великий і є загроза винесення частинок ґрунту, влаштовують шпунтові кріплення з дощок, брусів чи металевих шпунтів (рис. IV.5, в).

Характерною ознакою інвентарних кріплень є те, що вони скла­даються із збірно-розсувних розпірних рам та інвентарних щитів ого­рожі (рис. IV.5, є). Дві розпірні рами опускають у траншею. Після цього між стінками траншеї та стояками закладають по обидва боки інвентарні щити, розсувають стояки розпірних рам обертанням упор­них гайок до відмови. Після установлення кріплень на розпірні рами для підвищення стійкості накладають в’язі жорсткості. Інвентарні крі­плення застосовують для розроблення землерийними машинами траншей до 3 м завглибшки.