Необходимость, виды и способы установки шпунтового ограждения

Процесс создания котлована включает в себя много важных этапов. Одним из них является создание ограждение для стенок, чтобы предотвратить обрушение.

Укрепление стенок шпунтами – надежный способ защиты котлована.

Рассмотрим технологию шпунтового ограждения котлована подробнее.

Что это такое?

Шпунтовое ограждение представляет собой сплошную стенку, составленную из одинаковых элементов, соединенных друг с другом.

Связь отдельных шпунтов позволяет конструкции выдерживать большие нагрузки и оставаться надежным укреплением для стен котлована.

Повышенная прочность и устойчивость позволяют применять шпунтовое ограждение на слабых почвах:

• песчаных,
• болотистых,
• с высоким уровнем грунтовых вод.

Некоторые разновидности шпунтов используются при укреплении береговой линии. Они широко применяются для широких котлованов с глубиной более пяти метров.

Строительные нормы и правила

СП 45.13330.2017 регламентирует обустройство земляных сооружений. В соответствии с требованиями документа при обустройстве шпунтовых ограждений, а также других строительных работах, необходимо учитывать пересечения с действующими коммуникациями. Особенное внимание следует уделять линиям связи, силовым кабелям и магистральным трубопроводам.

СНиП 12-04-2002 «Безопасность труда в строительстве» не требует применения каких-то конкретных методов укрепления отвесных стенок котлованов и траншей, но запрещает осуществление работ в таких выемках без дополнительного укрепления стен, если их глубина превышает:

• 1 метр, при работе на песчаной почве;
• 1,25 метра, при строительстве в супесях;
• 1,5 метра для глин и суглинков;
• не более 2 метров для плотных грунтов.

Также обустройство конструкций ограждений регламентируются с помощью ГОСТ Р 57365—2016 «Стены шпунтовые. Правила производства работ».

Согласно данному документу, рекомендуется заранее проводить предварительную подготовку строительного участка к размещению шпунтов, маркировать отдельные сваи, а также проводить инженерные изыскания для определения необходимости использования шпунтового ограждения.

Разновидности

Для создания ограждений котлованов применяется несколько видов шпунтов. Каждая разновидность имеет свои особенности и назначение, вид шпунта также может ограничивать возможности применения технологий монтажа.

Представляет собой металлический профиль особой формы, называемой «корытообразной». Края шпунта снабжены замками, которые делают ограждение цельной конструкцией. Размеры профиля могут достигать 35 метров в длину. Ширина составляет 0,8 м, а толщина варьируется от 1,5 до 2,3 см.

Существуют различные модели данного вида шпунта, которые могут отличаться как размерами, так и формой. Одна из моделей – Л5:

1. Прочность – 800 кН/м.
2. Один погонный метр профиля имеет вес 100 кг.
3. В качестве материала используется Ст3 или 16ХГ.

Как правило, шпунт Ларсена монтируется с помощью вибрационного оборудования. Сфера применения – сложные и повышенной сложности объекты. Хорошо показывает себя на неплотных грунтах, болотистой почве, защищает котлованы от грунтовых вод.

К недостаткам изделия можно отнести высокую стоимость и то, что при установке требуется более высокая точность монтажа, чем при работе с другими видами шпунтов.

Все современные стальные шпунты представляют собой различные аналоги шпунта Ларсена. Могут отличаться от него формой и конструкцией замков, которые улучшают прочностные характеристики, а также упрощают забивку свай.

По функциональному же назначению и свойствам стальные шпунты других конфигураций совершенно идентичны шпунту Ларсена.

Особый вид металлических стальных шпунтов – трубчатые сварные. За счет своей формы они выделяются среди аналогов и отличаются от шпунтов Ларсена повышенной в несколько раз устойчивостью к нагрузкам. Другое достоинство – большие сроки службы. К недостаткам относится высокая цена крепления устройства из стальных труб.

Шпунты, изготовленные из древесины – самая старая разновидность. Допускается делать ограждения из бревен, досок, бруса. Элементы погружают в почву на глубину до 6 метров, монтируют в один или два ряда, вплотную друг к другу.

При обустройстве ограждения из специально обработанного бруса, в каждом элементе имеется выступ и паз, что позволяет связать между собой элементы конструкции.

Основные преимущества:

• доступность материала,
• относительно невысокая его цена,
• возможность установки без использования специальной техники.

К отрицательным качествам стоит отнести трудоемкость монтажа, низкие прочность и устойчивость к воздействию окружающей среды в сравнении с металлическими и пластиковыми шпунтами.

В качестве альтернативы металлическим шпунтам, можно применять элементы из полимерных материалов. Наиболее популярны ограждения из ПВХ.

Они обладают повышенной сопротивляемостью к коррозии, стойки к механическому воздействию. Панели из ПВХ обладают небольшим весом, а потому облегчается их установка, что уменьшает сроки монтажа. Данный вид шпунтов преимущественно устанавливают в местах, где наблюдается повышенное воздействие агрессивных сред, в первую очередь около водоемов, для укрепления береговой линии, для обустройства объектов рядом с соленой морской водой и в других аналогичных случаях. Метод установки – вдавливание или вибрирование. Не применяются для забивного погружения.

Изготовлены из армированного бетона. По краям имеют пазы, которые позволяют соединять соседние шпунты в ограждении. Максимальная длина – 16 метров. Отличаются большим весом, а также склонностью к растрескиванию, потере целостности при механическом повреждении.

Нет возможности демонтажа, после возведения здания становятся внешним периметром фундамента. Применяются при постройке гидротехнических сооружений.

Применяемые технологии шпунтирования

Основные разновидности методик погружения шпунта, которые могут применяться как по отдельности, так и комбинироваться в различных сочетаниях:

• ударный способ;
• вибрационный способ;
• вдавливание.

Для работы применяются разнообразные машины. Каждая из технологий предъявляет к технике особые требования. Наибольшее распространение имеют следующие установки:

1. Низкочастотные вибромашины (9-10 Гц, усилие до 1700 кН).
2. Среднечастотные (10-30 Гц, усилие 270 кН).
3. Высокочастотные агрегаты с возможностью регулировки дисбаланса.
4. Вибраторы высокой частоты с настройкой дисбаланса и нерезонансными фазами включения-выключения.
5. Вдавливающие системы.
6. Механические молоты.
7. Воздушные молоты.
8. Гидравлические молоты.
9. Дизельные молоты.

Наиболее эффективным являются вибрационные методы, а использование свайного копра позволяет вибраторам достичь превосходной точности при монтаже шпунта на заданную глубину.

Методика вибропогружения улучшает точность установки свай и уменьшает их склонность к перекашиванию. Для работы применяются строительные машины с навесной виброголовкой.

Перед началом работы ее соединяют со шпунтом. За счет вызываемых оборудованием частотных колебаний плотность грунта уменьшается, и свая постепенно проникает в землю, уходя на требуемую глубину.

Основные части агрегата:

• вибровозбудитель с двумя или четырьмя электродвигателями;
• гаситель динамического воздействия;
• гидравлический наголовник.

Хоть работа вибромашин и меньше влияет на окружающее пространство, чем действие забивных свайных агрегатов, но вибрация также может оказывать отрицательное действие на окружающие сооружения. Передаваясь через грунт, она хорошо воспринимается фундаментами зданий и передается на несущие конструкции, что может приводить к их разрушению.

Для снижения эффекта, вызываемого вибрациями, используют высокочастотные установки, их негативное воздействие на близлежащие строения оказывается существенно меньше.

Вибрационные методы плохо действуют, если требуется устанавливать шпунтовое ограждение в плотный песок, гравий, в случае, если они расположены выше грунтовых вод, а также в связанный грунт. В этом случае более действенными являются ударные способы монтажа свай.

Для работы может использоваться гидравлический молот, который представляет собой вертикально установленную штангу с бойком. Боек перемещается по штанге и ударяет по шпунту, загоняя его в землю.

Это наиболее простой и дешевый способ монтажа шпунта, однако данная методика неприменима в густозаселенных районах, рядом с историческими и архитектурными памятниками.

Через грунт на окружающие сооружения передаются ударные нагрузки, которые приводят к снижению прочности фундаментов, несущих конструкций и может вызывать деформацию сооружений.

Чтобы сваи было проще устанавливать, работа шла быстрее применяется технология лидерного бурения.

Для этого применяется шнековый бур, который осуществляет локальное разрыхление земли, создавая скважину с низкой плотностью грунта. Процесс бурения осуществляется с помощью специальных агрегатов – мобильных буровых установок.

Данный метод успешно используется при работе на мерзлых и плотных грунтах, где необходимость его применения очевидна. Лидерное бурение востребовано при строительстве на почвах с низкой плотностью – здесь это обусловлено невозможностью применять вибрационные и ударные методы погружения из-за высокого риска обрушения стен котлована.

В местах с высоким уровнем грунтовых вод предварительное бурение помогает обеспечить точность установки сваи, заранее задавая траекторию ее погружения.

Вибрационные и шумовые воздействия, оказываемые при забивке и вибропогружении могут далеко распространяться и оказывать негативное воздействие на окружающую местность.

Если недалеко находятся строительные конструкции, чувствительные к данным типам воздействий, то они будут повреждаться. Особенно ощутимо воздействие, если здания расположены на песчаных, рыхлых грунтах.

Водонасыщенный песок при вибрации склонен уплотняться, а значит грунт будет проседать, что приведет к разрушению фундамента близлежащих сооружений.

В таком случае безопаснее применять способы завинчивания или вдавливания шпунта. Хорошо подходит для глин, суглинков, песчаных грунтов, а также других почв, обладающих низкой плотностью.

Главные достоинства метода:

1. Отсутствие ударных и вибрационных воздействий на близлежащие здания.
2. Низкий уровень шума при работе.
3. Снижается вероятность повреждения сваи, как, например, при забивном методе установки.

К недостаткам стоит отнести большую массу и размеры оборудования, что затрудняет подготовку его к работе и перевозку. Все элементы агрегата транспортируются несколькими грузовыми автомобилями, что сказывается на стоимости строительства, поэтому данный метод используется исключительно при строительстве крупных объектов или возведении больших массивов зданий.

В сложных случаях, когда проход почвы затруднен могут применяться вспомогательные методы, такие как взрывное бурение или подмыв.

Погружение с подмывом, когда вода идет под высоким давлением, является эффективным способом при установке шпунтов в грунты высокой плотности.

Методика предполагает введение небольшого количества воды или специального раствора через форсунки, расположенные около подошвы сваи.

Малый расход жидкости дает возможность хорошо контролировать степень размытия грунта. Поэтому негативное воздействие оказывается лишь на небольшом участке, по ходу движения шпунта, и незначительно влияют на прочность почвы.

При работе на плотном грунте используют воды под низким давлением. В таком случае вода оказывает незначительное действие на свойства грунта и не приводит к его просадке.

Промывку здесь, как правило, используют в качестве вспомогательной функции при вибрационном погружении свай. Особенно эффективна промывка в сочетании с высоковибрационным воздействием.

Расчеты

Шпунтовое ограждение делают перед началом работ по созданию котлована. Элементы, которые примут на себя основную нагрузку, забивают в землю. На начальном этапе система находится в равновесии и на шпунт грунт давит с обеих сторон с одинаковой силой.

После того, как начата разработка выемки, давление с одной стороны – с внутренней стороны котлована – снижается по мере того, как уменьшается количество грунта в этой зоне. Баланс нарушается, грунт с внешней стороны начинает давить на ограждение. Поэтому необходимо заранее произвести расчет шпунта, чтобы понимать какую нагрузку он сможет выдержать.

В ходе вычислений определяют необходимые размеры поперечного сечения и требуемую глубину погружения. Они должны быть такими, чтобы ограждение не просто оставалось устойчивым и сохраняло равновесие грунтов, но и оставался определенный запас прочности.

Расчеты могут производится одним из двух методов: графоаналитическим и аналитическим.

Параметры шпунтового ограждения определяются из условия Mu<=(m/yn)Mz, где:

• Mu – момент вызываемый усилием давления грунта на шпунтовое ограждение и способствующий его опрокидыванию;
• Mz – момент сопротивления опрокидыванию, работающий за счет защемления шпунтового ограждения в грунте;
• m – коэффициент, характеризующий условия работы шпунта в грунте, для слабых грунтов значение принимается равным 0,7;
• yn – показатель надежности, для сухого грунта принимается равным 1,1, для случая высоких грунтовых вод – 1,2.

Для определения момента сопротивления опрокидыванию необходимо вычислить несущую способность шпунта согласно общей формуле для расчета несущей способности свай F= yc(ycrR·d + V·? ycri·fi·li), где:

• 

  yc – коэффициент, характеризующий работу сваи в грунте;

• ycr – коэффициент, определяющий сопротивление почвы, находящейся под шпунтом;
• R – сопротивление грунта под шпунтом;
• d – диаметр опорной подошвы;
• V периметр сечения шпунта;
• ycri – коэффициент, характеризующий работу грунта на боковых поверхностях шпунта;
• fi – сопротивление грунта на боковых поверхностях шпунта;
• li – длина боковых граней шпунта.

Значения коэффициентов берутся из соответствующих нормативных документов и определяются отдельно для каждой разновидности шпунта. Окончательные расчеты проводятся путем составления эпюр и подбора глубины забивки таким образом, чтобы выполнялось условие (1). В ходе вычислений также необходимо дополнительно проверить стенку, балки и распорки на прочность, а сам шпунт на разрыв замка.

Этапы работ

Установка шпунта может осуществляться несколькими способами:

• забивкой,
• с помощью низкочастотных или высокочастотных вибраций,
• вдавливанием,
• завинчиванием,
• методом размыва.

Технологии отличаются по характеру воздействия и выбираются в зависимости от типа грунта, а также условий строительства. Но принципы установки в основном схожи и представляют собой погружение, тем или иным способом, сваи в почву.

Поэтому общий порядок действий сохраняется, а изменения касаются немногочисленных особенностей применения той или иной технологии:

1. 

   Подготовка площадки, размещение спецтехники, завоз шпунта;

2. По периметру котлована осуществляют распределение материала. Затем делают разметку, определяют место монтажа каждого элемента, выполняют стропирование и каждую сваю доставляют к намеченному месту установки;
3. Шпунт выравнивают строго по вертикали, монтируют наголовник погружателя;
4. Монтаж сваи производится ударным методом, запрессовыванием или вибропогружением ее в почву. В процессе установки осуществляется центрирование;
5. Если применяется шпунт Ларсена, то пазы каждой последующей сваи вставляются в предыдущую, таким образом формируется замок. Чтобы минимизировать трение в замке, используется смазка.

При многократном использовании шпунта Ларсена верхняя часть профиля может деформироваться. Рекомендуется ее обрезать, чтобы продолжить эксплуатацию элемента.

После завершения установки шпунта, осуществляется контроль глубины его погружения. Разница между фактическим залеганием элементов и проектным значением не должна превышать предельно допустимые отклонения иначе производится выемка шпунта и повторный его монтаж.

Укрепление

В ходе строительных работ, проводимых на слабых грунтах, существует высокая вероятность проседания, деформации и даже обрушения шпунтового ограждения. Поэтому его необходимо дополнительно укреплять. Разработано несколько эффективных технологий, которые повышают устойчивость шпунтов.

При обустройстве шпунтового ограждения часто применяется метод, заключающийся в использовании для укрепления конструкции специальных анкеров. Их закладывают в грунт, находящийся за пределами зон активного взаимодействия почвы и шпунта. Один такой анкер способен выдерживать нагрузку до 500 кН.

Монтаж упрочняющих элементов производится по всему периметру котлована, промежутки между соседними анкерами делают 1-3 метра. Для максимизации эффекта элементы устанавливают под углом (от 30° до 60°).

Каждый анкер представляет собой железобетонную конструкцию, заглубленную в грунт. Для его закладки делается скважина, в которой затем размещается металлическая арматура и тяга. Затем скважина заливается бетоном. Когда раствор застынет, тягу крепят к шпунту, проводя её через специально сделанное для данной цели отверстие и фиксируя с помощью крепежных элементов.

Для успешной реализации данного метода необходимо выполнять все работы тщательно, с большой точностью, что требует больших трудозатрат и повышает финансовые расходы на строительство объекта. Поэтому анкеры устанавливают только в тех случаях, когда размеры котлована не позволяют применять распорные элементы.

Распорки устанавливаются, если это позволяет сделать расстояние между противоположными стенками котлована. Максимальное допустимое расстояние зависит от типа грунта и вида применяемых распорных элементов.

Обычно в этом качестве используют металлические трубы, которые устанавливают в несколько ярусов с промежутками от 4 до 6 метров. Если длина распоров велика, то применяют специальные стойки из двутавровой балки или шпунта.

Такой метод укрепления отличается повышенной металлоемкостью. Чтобы снизить данный параметр, можно применять инвентарные рамы. При этом на шпунты ограждения накладываются инвентарные щиты. Если размеры котлована невелики, а почва плотная, то можно обойтись без распоров, применив консольное закрепление шпунтов.

Если глубина котлована составляет менее пяти метров, то допустимо использовать шпунты, закрепленные в грунте. Нижняя часть элемента погружается в почву ниже днища выемки – следует убедиться, что она надежно защемлена и не имеет тенденции к обрушению.

При установке шпунтов в слабых грунтах, их заглубляют более чем на две трети высоты котлована. Для повышения прочности конструкции по верхней части ограждения монтируют обвязочную раму, сделанную из балок различных сечений.

При таком методе укрепления необходимо запретить перемещение тяжелой техники рядом с котлованом. Также вблизи ограждения нельзя размещать и хранить стройматериалы.

Типичные ошибки

Чаще всего при обустройстве крепления котлована появляются сложности, которые трудно устранить. Поэтому следует заранее позаботится о соблюдении требований строительных норм и правил:

1. Иногда, после установки шпунта, обнаруживается, что глубина его погружения не соответствует проектной. Это приводит к уменьшению устойчивости конструкции, что повышает опасность обрушения стенок котлована. В таком случае необходимо вынимать шпунт и монтировать его заново.
2. 

   Щели между соседними элементами ограждения – нет прочного соединения замка. Это приводит не только к ухудшению гидроизоляции объекта, но и снижает прочность ограждения. Устранить недостаток можно, переустановив элементы ограждения.

3. Как правило шпунт проникает в почву на несколько метров глубже того уровня, где обустроено дно котлована. Это представляет опасность, если под котлованом находятся коммуникации или конструкции, о которых неизвестно строителям.

   Если до начала работ изыскания были проведены недостаточно хорошо, то это может привести к серьезной аварии следствием которой могут стать ощутимые финансовые потери.

Необходимость исправлять ошибки может значительно повысить расходы на строительство, а значит каждый этап работы необходимо тщательно готовить. Также следует ответственно подходить к выполнению всех технологических операций установки шпунтового ограждения котлована.

Стоимость создания

Для расчета стоимости создания шпунтового ограждения необходимо знать тип шпунта, периметр и глубину котлована. Тогда не составит труда вычислить количество элементов, которые понадобятся во время строительства.

Так, например, для обустройства котлована периметром 120 метров, применяя шпунт Ларсена Л5, понадобится порядка 240 элементов общим весом около 657 тонн.

Полученные значения позволят определить затраты на доставку – количество рейсов вычисляется исходя из грузоподъемности автомобиля, километраж, определяется по дальности расположения строящегося объекта. Аналогично определяется стоимость погрузочно-разгрузочных работ.

Цена же монтажа шпунта зависит от количества погонных метров погружаемого шпунта – здесь пригодится знание глубины проектируемого котлована – а также от тарифов строительных организаций, предоставляющих услуги монтажа шпунтового ограждения.

В среднем стоимость работ составляет от 450 рублей за погонный метр.

Все самое важное и полезное о котловане и его разработке найдете в этом разделе.

Заключение

При всем многообразии разновидностей, материалов и технологий укрепления грунта во время строительных работ, обустройство шпунтованного ограждения остается самым эффективным способом упрочнения котлованов.