Несущие конструкции опускных колодцев

В опускных колодцах, работающих на нагрузке окружающей , их среды, несущими конструкциями являются наружные стены и днище, а в колодцах-помещениях — также внутренние стены и перекрытия. Материал выбирают в зависимости от назначения и класса сооружения, а также в зависимости от возможностей производственной базы строительства.

Колодцы каменные, деревянные и из чугунных тюбингов применяют для сооружения с размерами в плане менее 12 м.

Опускные сооружения из каменной и кирпичной кладки могут иметь в (плане любую форму. Каменные конструкции лучше сжимаются, чем растягиваются. Это свойство может быть более эффективно использовано в круглых колодцах. Стены выкладывают из хорошо обожженного красного кирпича ( см), бетонных блоков или природного камня ( см) на цементном растворе. Минимальные марки кирпича, бетонных блоков и раствора М 100, природного камня — М 200. В элементах конструкций, испытывающих значительные растягивающие усилия, устанавливают вертикальную и горизонтальную стальную арматуру, которую укладывают в швах, внутри стен. Нож колодца выполняют в монолитном железобетоне.

В районах, богатых древесиной, прямоугольные опускные колодцы изготовляют из брусьев. Деревянные колодцы целесообразно погружать на глубокой воде. В этом случае попользуются выгодные свойства конструкции — небольшой начальный вес и достаточная плавучесть. Стены рубят из брусьев сечением 20Х20 или 30X30 см с тщательной конопаткой швов. Стыки делают на врубках и болтах. Для повышения жесткости внутри колодца устанавливают поперечные и продольные связи, парные стойки. Ножевую часть выполняют в металле. При проходке круглых вертикальных стволов стены опускных колодцев монтируют из чугунных тюбингов, применяемых для обделки тоннелей. Стыки — болтовые. Нож — из тюбингов, разрезанных пополам по продольной оси. Чугунные колодцы просты в монтаже и опускании, но очень дороги.

Железобетонные опускные колодцы монолитные, сборно-монолитные и сборные наиболее распространены. Конструкции и их типоразмеры должны обеспечивать возможность применения инвентарной опалубки и эффективного использования механизированных средств укладки бетона, непрерывность производства строительно-монтажных работ, выполнения земляных работ механизированным способом.

Минимальные толщины железобетонных элементов колодца принимают: банкетки ножа 0,15, наружных стен 0,25, днища 0,3, внутренних стен 0,15 м. Наружные углы прямоугольных колодцев закругляют радиусом, равным 15 см. Толщина защитного слоя для арматуры рекомендуется следующая: со стороны грунта 35 мм; на внутренней поверхности при ; ,  мм. Для рабочей арматуры применяют сталь классов А-ІІ и А-ІІІ. Арматуру укрупняют в сварные арматурные сетки и арматурные каркасы. Горизонтальное армирование стен, армирование ножа и днища производят сетками. Шаг стержней в сетках, а также шаг стержней при армировании отдельными стержнями 150—200 мм. Сетки делают шириной 2,0—2,5 и длиной 9—12 м. Распределительную арматуру в сетках ставят при условии достаточной жесткости сеток при их транспортировке и монтаже. Диаметр и шаг поперечной арматуры в сетках приведены в табл. 37. Сетки с рабочей арматурой одного направления без стыковки укладывают таким образом, чтобы расстояние между крайними рабочими стержнями соседних сеток равнялось шагу этих стержней. В рабочем направлении сетки стыкуются внахлестку при диаметре стержней менее 22 мм. При большем диаметре рабочей арматуры стержни стыкуются ванной сваркой.

В опускных колодцах-помещениях применяют гидроизоляцию из стальных листов. Изоляцию устанавливают с внутренней стороны стен (рис. 38). Металлическая гидроизоляция в 40—60 раз дороже окрасочной битумной изоляции и ее применение ограничено. Ее устанавливают только в помещениях, которые по степени сухости ограждающих конструкций относятся к I категории. Стальные листы работают как армирование стен и служат опалубкой при их бетонировании. Минимальная толщина стальной

Рис. 38. Металлическая гидроизоляция колодца (1):
2 — полосовая опора; 3 — отверстие для нагнетания цементного раствора; 4, 5 — анкеры; а — стена; б — днище.

изоляции 4 мм. Гидроизоляцию в бетоне заанкеривают стержнями из арматурной стали. Анкеры в стенках приваривают непосредственно к листам или к опорам из полосовой стали, которые в свою очередь приваривают к листам. В днище закладывают только анкеры с опорами. При бетонировании между поверхностью бетона и листом гидроизоляции оставляют зазор толщиной 30 мм. После приварки листов в зазор нагнетают цементно-песчаный раствор. Нагнетание производят через отверстия в листах. Стыки листов гидроизоляции в стенах и днище осуществляют стальной полосовой накладкой, привариваемой к изоляции сплошным плотным швом. Сварные швы испытывают на плотность.

В расчетах железобетонных сечений металлическая гидроизоляция учитывается как листовая арматура, работающая совместно со стержневой. При этом в расчетах на нагрузки в период опускания принимается 100, а на эксплуатационные нагрузки 60% ее площади (с учетом возможной коррозии). Совместная работа металлических листов с бетоном обеспечивается приваркой анкерующих коротышей. Сечения их рассчитывают на сдвиг и отрыв. Лист рассматривают как гибкую мембрану, нормальное давление которой передается на опоры, работающие по схеме неразрезной балки с пролетом, равным расстоянию между анкерами. Усилия от натяжения листов воспринимают приваренные к торцам анкеры.

В монолитных конструкциях вертикальную арматуру стен сваривают в пространственные арматурные блоки. На эти блоки с наружной и внутренней стороны стен навешивают горизонтальную арматуру (сетки или листы). Длину и поперечное сечение арматурных блоков принимают максимальных размеров в пределах транспортных габаритов. Удобны для монтажа блоки длиной 9—12 м — один или два на всю высоту стены. Блоки изготовляют из плоских сварных каркасов одним из следующих способов:

-с помощью отдельных поперечных стержней, привариваемых точечной контактной сваркой к продольным стержням плоского каркаса;

-четыре плоских каркаса объединяют в пространственный блок путем сварки крайних продольных стержней. Сварку производят шпоночными швами длиной 40—50 и шагом 300—400 мм (рис. 39, б);

-пространственный каркас образуют путем приварки дуговой сваркой скоб к поперечным стержням плоских каркасов (рис. 39, в). В этом случае диаметры арматурных скоб и поперечных стержней каркасов во избежание пережога должны быть не менее 10 мм, а длина сварного шва не менее 5 диаметров стержня скобы.

Пространственную жесткость арматурным блокам, необходимую при транспортировке, придают продольные и поперечные связи, которые изготовляют из арматуры диаметром 10—12 мм и приваривают к крайним продольным стержням плоских каркасов дуговой сваркой. Длину шва принимают равной 60 мм. Расстояния между связями должны быть около 6 м, при этом в пространственном блоке должно быть не менее двух связей.

Рис. 39. Сварная арматура монолитных железобетонных стен:
а — вертикальный каркас; б — плоский каркас; в — пространственный каркас; г, д — армирование стен; 1 — плоский каркас вертикальной арматуры; 2, 3 — связи; 4 — скобы; 5, 6 — поперечные каркасы и отдельные стержни.

Стыки армоблоков по высоте производят ванной сваркой стержней рабочей арматуры. При армировании стен без армоблоков наружную и внутреннюю арматуру связывают шпильками. Последние устанавливают из стержней диаметром 8—10 и шагом 400—600 мм в шахматном порядке.

Отдельные элементы колодца имеют следующую конструкцию.

Нож — нижняя, режущая грунт, часть стены колодца заостренной формы. Конструкцию выполняют в монолитном железобетоне при монолитных и сборно-монолитных стенах. В сборных панельных колодцах нож является составной частью панели.

Рис. 40. Формы ножей опускного колодца:
а — фундамента; б — внутренней стены; в — помещения; г — горизонтальной поверхности; д, е — подводной разработки грунта; ж — металлической конструкции; з — приставной.

В работе колодца нож выполняет разнообразные функции, влияющие на выбор его формы. Конструкция ножа усложняется с увеличением размеров сооружения.

При разработке забоя до нижнего уровня ножа в грунте под банкеткой возникает зона высокой концентрации напряжений. Основание теряет устойчивость и происходит осадка — опускание колодца.
При верхнем уровне разработки забоя врезавшаяся в грунт банкета и ее внутренняя наклонная грань создают опоры, приостанавливающие развитие осадки и обеспечивающие равновесие сооружения. Основные формы ножа приведены на рис. 40.

Ширину банкетки и наклон ее внутренней грани определяют расчетом в зависимости от физико-механических свойств грунтов. Наиболее распространены наклон внутренней грани в 60° и ширина банкетки 0,1—0,6 м. В глубоких колодцах с тяжелыми стенами устраивают дополнительно одну или несколько горизонтальных поверхностей (рис. 40, г). Погружение колодца останавливается при опирании этих поверхностей на грунт. При погружении в грунт, имеющий крупные твердые включения (валуны, тепляк и т. п.), банкетку защищают стальным уголком или швеллером, заанкеренным в бетон. Нож воспринимает и распределяет по оболочке сосредоточенные вертикальные нагрузки, возникающие на контакте с включениями.

В колодцах, погружаемых в тиксотропной рубашке, на уровне наружной поверхности к ножу приваривают стальную полосу высотой 0,2—0,4 м. Прочность и устойчивость полосы обеспечивается приваркой ребер. Врезаясь в грунт, стальная полоса создает замок, препятствующий просачиванию тиксотропной суспензии в забой.

В небольших сборных колодцах, погружаемых вибраторами, нижнюю часть ножа выполняют в виде отдельной металлической конструкции (рис. 40, ж). Металлический нож крепят болтами к нижнему торцу железобетонной стены.

В гравитационных массивных колодцах, опускаемых в глинистых и песчаных грунтах, режущую часть ножа выполняют из железобетона без металлической облицовки.

Толщину ножа определяют из расчета как консоли, нагруженной горизонтальным давлением грунта. Консоль толще в глубоких колодцах и в слабых грунтах. Нож должен иметь высоту, которая обеспечивала бы жесткость сооружения при монтаже и бетонировании вышележащих стен, а также вертикальную устойчивость его при погружении. Высоту ножа принимают 1,0—4 м. Во внутренних стенах, возводимых до погружения, низ ножа принимают выше банкетки наружных стен на высоту не менее 0,5 м. В ножевой части внутренних стен оставляют проемы шириной 0,6 и высотой 1,2 м для сообщения между отсеками.

В опускных колодцах-помещениях в верхней части ножа устраивают уступ или паз для опоры железобетонной плиты-днища. Глубина уступа определяется расчетом на смятие бетона вертикальными силами, передающимися от днища. При подводной разработке грунта глубина ножа увеличивается за счет высоты подушки, выполняемой методом подводного бетонирования, или подушки-дренажной пригрузки.

Стыки сборных и сборномонолитных стен с монолитным ножом производят при помощи кольцевой бетонной шпонки и сварки выпусков стержней из арматурных блоков нижней и верхней частей колодца.

Армирование ножа производят арматурными сетками, установленными по его наружной и внутренней поверхностям. В сетках консоли вертикальная и горизонтальная арматура—рабочие. В сетках верхней части ножа—рабочая кольцевая арматура. Вертикальная арматура сваривается в пространственные арматурные блоки, на которые навешиваются арматурные сетки.

Пример армирования ножа приведен на рис. 41.

Стены колодцев проектируют различной формы. Неглубокие колодцы (Н<15 м) имеют постоянную толщину стен. В более глубоких колодцах толщина стен ступенями уменьшается к верху. Уступы образуют по внутренней поверхности стен. Нижний уступ делают несколько выше (1—2 м) верха ножевой части. Следующие уступы располагают в зависимости от размещения промежуточных перекрытий и проемов. Размеры ступеней по ширине 0,2—0,3, по высоте 3—5 м.

В монолитных колодцах при устройстве уступов учитывают высоту ярусов бетонирования. Высоту первого яруса бетонирования назначают в зависимости от высоты подъема крюка и вылета стрелы крана, обслуживающего возведение и погружение колодца. Этот размер должен быть не менее высоты, определяемой расчетом на прочность при снятии колодца с подкладок.

Рис. 41. Армирование ножа:
С, К — соответственно сетки и каркас; а, б, в — связи.

Рис. 42. Колодец конструкции ППСП.

Высота второго и последующих ярусов бетонирования обычно равна высоте первого яруса. Размеры ярусов принимают кратными размерам опалубочных щитов.

Сечения стен назначают такими, чтобы поперечной рабочей арматуры не требовалось. Пример армирования стены колодца арматурными сетками и арматурными блоками показан на рис.39, г, д.

Сборные железобетонные стены часто применяются в круглых и многогранных колодцах. Сборные элементы должны иметь многократную повторяемость. В период строительства в сборномонолитных конструкциях они выполняют функцию несущей конструкции, лесов и опалубки. Желательно стремиться к равновесности сборных элементов и бадей, это позволяет рационально использовать одни и те же краны для монтажа стен и удаления грунта. Монтажные петли и трубки в сборных конструкциях должны располагаться с учетом удобства их подъема при изготовлении, транспортировке и монтаже инвентарными стропами, траверсами и другими приспособлениями.

Наиболее распространены колодцы из плоских сплошных панелей с вертикальной разрезкой элементов конструкции ППСП (рис. 42) и из пустотных блоков с горизонтальной разрезкой

Рис. 43. Панель конструкции ППСП:
1 – стальная гидроизоляция; 2,3 – выпуски арматуры; 4 – вертикальная круглая арматура; 5 – поперечная полосовая арматура; 6 – металлический нож; 7,9 – монтажные скобы и трубки; 8 – болты крепления уплотнителя.

элементов, предложенных Ленинградским Промстройпроектом и усовершенствованных институтом «Центрогипроруда» (рис. 44). Панели конструкции ППСП (табл. 38) изготовляют из бетона марки М 300, часто с металлической гидроизоляцией. В этом случае арматурный блок сваривают из стального листа и стержневой арматуры с поперечинами из полосовой стали. Вертикальные стыки панелей часто делают с петлевыми соединениями арматуры (стыки типа «Передерия») и омоноличиваются бетоном. Горизонтальные стыки решены приваркой полосовой накладки к закладным частям панели.

Колодцы Н<20 м монтируют из одного яруса панелей. Длина панелей равна глубине колодца. Более глубокие колодцы строят из двух ярусов-элементов.

По верху колодца после его погружения устраивают монолитный железобетонный кольцевой пояс. Он омоноличивает выпуски вертикальной арматуры панелей и служит выравнивающим элементом, компенсирующим неточности погружения.

Харьковским ПромстройНИИпроектом предложена конструкция плоской панели с обрамлением по контуру стальным уголком или полосой. Верхняя и нижняя рамки из уголка приварены к арматурным сеткам и совместно с ними образуют единый арматурный блок.

Рис. 44. Блок конструкции «Центрогипроруда»:
1 — арматурный каркас; 2 — выпуски.

Уголки являются рабочей арматурой. Панели удобно изготовлять на заводах железобетонных изделий в стандартных формах многопустотных настилов (типа ПК-59 и др.).

Вертикальные и горизонтальные стыки осуществляют приваркой фланговым швом стальных накладок к закладным рамкам. Из нескольких ярусов таких панелей удобно изготовлять глубокие колодцы малых и средних размеров в плане.

Блоки конструкции «Центрогипроруда» (рис. 44) применяют в колодцах R>10 и H>20 м. Конструкция колодца сборно-монолитная. Ножевую часть, пояса и стыки выполняют в монолитном железобетоне. В ноже в местах вертикальных швов стен закладывают выпуски арматуры, которые соединяют с вертикальными стержнями стыков. Монолитные стыки являются вертикальными ребрами жесткости оболочки, горизонтальными ребрами являются нож и пояса. В вертикальных швах сопряжение кольцевой арматуры блоков осуществляют сварными стыками. После монтажа стен полости блоков заполняются щебнем или бетоном. Размеры блоков унифицированы.

Стыка сборных элементов. Стык под воздействием расчетных нагрузок должен обладать необходимой прочностью и жесткостью, неизменяемостью взаимного положения стыкуемых элементов и, кроме того, должен быть технологичным по изготовлению элементов на заводе и по монтажу на строительной площадке. Он должен обеспечивать возможность быстрого и устойчивого закрепления в рабочем положении монтируемых элементов. Желательно применение стыков без сварки. В строительной практике разработаны разные типы стыков стеновых элементов.
При изготовлении сборных колодцев наиболее часто применяют стыки на сварке стальными накладками, ванной сварке стержней (рис.45) и петлевые типа «Передерия».
Качественно замоноличенные стыки с металлическими накладками или с ванной сваркой выпусков арматуры при воздействии продольных поперечных сил и изгибающих моментов почти равнопрочны сплошному сечению. Сварку основных швов желательно выполнять в нижнем или вертикальном положении. Переходные уголки применяют в стыках пустотных блоков. Уголки привариваются на монтаже к выпускам арматуры из сборных элементов, а потом к ним приваривают накладки, которые одновременно выполняют функцию вертикальной арматуры.

Петлевой стык проще в исполнении, так как не требует сварочных работ. Однако при монтаже тяжелых элементов с толстыми выпусками арматуры возникают затруднения при заводке петель.

Рис. 45. Стыки сборных стен:
а — с переходным уголком; б — на стальных накладках; в — с ванной сваркой стержневой арматуры; 1 — продольная арматура; 2 — переходные уголки; 3 — накладки; 4 — ванная сварка.

При воздействии осевого сжатия или растяжения петлевой стык равнопрочен сплошному сечению. То же наблюдается при воздействии поперечной силы. При воздействии изгибающего момента прочность петлевого стыка в 2 и более раз меньше прочности сплошного сечения. В ядре быстро возникают трещины и появляется пластический шарнир. В стенах опускных колодцев, работающих на внецентренное сжатие, петлевые стыки можно применять только при небольших эксцентриситетах, т. е. при более толстых стенах. Наиболее экономичен стык со сваркой выпусков арматуры. Применяют стыки на эпоксидном клее ЭД-6. Колодец канализационной насосной станции АЗЛК в Москве построен в сборном железобетоне с горизонтальными клееными стыками. Иногда панели стен вставляют в стакан монолитного ножа.

Днище выполняют в монолитном железобетоне независимо от конструкции колодца. При разработке грунта посуху основание котлована выравнивают дренирующим материалом. В песках заполняют только местные перекопы. Для дренажа применяют щебень, гальку и крупный песок, укладывая их по типу обратного фильтра. Более крупные фракции размещают внизу, более мелкие сверху.

Оклеечную гидроизоляцию устраивают под железобетонной плитой днища по подготовке из монолитного бетона.

Рис. 46. Гидроизоляция днища:
а — при опускании колодца с открытым водоотливом; б — при подводном бетонировании подушки; в — с устройством дренажной пригрузки; 1 — железобетонное днище; 2, 3 — бетонные стяжки; 4 — оклеенная гидроизоляция; 5 — слой толя; 6 —дренажный слой.

Металлическую гидроизоляцию укладывают поверх плиты. Пример решения днища с оклеечной гидроизоляцией приведен на рис. 46.

При опускании колодца с выемкой грунта из-под воды в основании укладывается толстая подушка из дренирующего материала или бетона. Дренажная подушка является пригрузкой основания и применяется при сравнительно невысоком уровне грунтовых вод. Для отсыпки применяют щебень или крупный гравий. Толщина подушки определяется расчетом устойчивости грунтов основания при откачке воды из котлована для устройства днища.

Бетонную подушку выполняют методом подводного бетонирования. Толщина ее определяется расчетом на прочность при воздействии гидростатической нагрузки в период устройства днища. В этот период производится откачка воды из зумпфа и значительно снижается величина гидростатической нагрузки. Конструкция днища и устройство гидроизоляции аналогичны описанным для условий погружения колодца посуху.

Для сбора и удаления случайных вод в днище колодцев-помещений устраивают один или несколько зумпфов. Пол колодца делают с уклоном 0,01 в сторону зумпфа. Собравшуюся в зумпфе воду откачивают дренажным насосом. В днище устраивают стаканы для сборных железобетонных колонн и пазы для сборных внутренних стен. В местах примыкания монолитных внутренних степ и колонн закладывают выпуски арматуры.

Железобетонная плита днища армируется верхней и нижней арматурой. Армирование производят сварными сетками, имеющими прямоугольный контур и взаимно перпендикулярные продольные и поперечные стержни. Сетки укладывают в два слоя по двум взаимно перпендикулярным направлениям. По кольцевой опоре по радиальному направлению укладывается дополнительный ряд сеток. Стыки сеток внахлестку располагают вразбежку в зоне, удаленной от максимальных изгибающих моментов. Сетки с рабочей арматурой более 22 мм стыкуют ванношовной сваркой.

Для установки и фиксации верхней арматуры плиты применяют приспособления типа «лягушки» или изогнутые в плане каркасы типа «зиг-заг». Каркасы устанавливают через 0,75—1,2 м перпендикулярно к направлению стержней, непосредственно укладываемых на каркасы. Каркасы изготовляют из стержней диаметром более 10 мм.

Армирование плиты днища производят по возможности минимальным количеством типоразмеров сеток (3—4) и каркасов (1—2). Пример армирования плиты железобетонного днища сетками приведен на рис. 47.

В благоприятных геологических условиях неглубокие опускные колодцы-помещения делают без железобетонного днища с устройством обыкновенных бетонных полов. При этом нож после погружения добетонируют до требующихся по расчету размеров фундамента. Прочность стыка обеспечивается выпусками арматуры из ножа и специальной его формой, при которой подбетонка работает только на сжатие. В колодцах с большими размерами в плане под колонны делают отдельные ступенчатые фундаменты.

Внутренние стены и перекрытия, бетонируемые до погружения опускного колодца, соединяют с наружными стенами жесткими узлами рамного типа. Обычно стены в монолитном железобетоне с армированием внутренних стен выполняют арматурными сетками и блоками по типу, принятому для наружных стен. В подвалах многоэтажных зданий, сооружаемых методом опускных колодцев, под внутренние стены подводят столбчатые фундаменты. Стыки фундаментов и стен выполняют приваркой стальных накладок к закладным частям элементов с последующей зачеканкой цементным раствором зазора между их торцами. Перед сваркой стыков между стеной и фундаментом устанавливают домкраты, которые обжимают фундаменты расчетной нагрузкой.

Стыки внутренних стен с железобетонным массивным днищем осуществляют при помощи арматурных сеток. Вверху сетки приваривают к закладным частям ранее возведенных стен, а внизу омоноличивают в бетоне днища. Для связи с вышележащими конструкциями по верху стен оставляют выпуски арматуры.

Стыкование производят сваркой стержней рабочей арматуры с последующим их омоноличиванием.

Внутренние стены и перекрытия, возводимые после погружения опускного колодца, выполняются преимущественно в сборном железобетоне.  Внутренние стены делают из плоских панелей, располагая их вертикально или горизонтально в зависимости от размеров сооружения. Целесообразно применять для них панели и блоки наружных стен.

Сборные внутренние стены соединяют с наружными стенами в паз. В монолитных наружных стенах форма паза и его размещение в плане могут быть произвольными.

Рис. 47. Армирование днища:
а — продольные сетки; б — то же, поперечные; в — то же, кольцевые.

В наружных стенах из сборных элементов с замоноличиваемыми стыками паз располагают в стыке. В колодцах с металлическими накладками в стыках паз образуют привариваемыми к ним стальными деталями. Перекрытия выполняют сборными или сборно-монолитными по сборным колоннам. Колонны применяют прямоугольного сечения с обычными стыками. При большой временной нагрузке перекрытия делают из сборных железобетонных лотковых настилов.

Балки, плиты и настилы перекрытий опирают на консоли или уступы в стенах. В сборно-монолитных колодцах конструкции института «Центрогипроруда» консоли выпускают из колонн, образованных в горизонтальных стыках блоков. В сборных колодцах, имеющих стальные накладки в стыках, все опорные консоли и закладные части приваривают к этим накладкам.