Простое поверхностное удаление поступающих в котлован грунтовых вод

При производстве земляных и Строительных работ ниже статического уровня грунтовых вод должно осуществляться удаление поступающих в котлован грунтовых вод.

Самый старый и простейший способ осушения строительных котлованов называется «открытый водоотлив», сущность которого заключается в следующем: по контурам котлована устраивают канавки и водосборные зумпфы, грунтовая вода выступает через дно и откосы котлована, собирается в канавки и по ним отводится в зумпфы, откуда откачивается при помощи насоса.

Несмотря на технологическую простоту способа открытый водоотлив нередко приводит к нежелательным последствиям из-за неучета грунтовых и гидрогеологических условий водоносного слоя, поэтому здесь приводим данные о возможных случаях и причинах этих последствий с целью их предупреждения и выбора наиболее рационального и эффективного варианта осушения котлована.

Способ открытого водоотлива может применяться в ограниченных геологических и гидрогеологических условиях и при незначительных темпах строительства. По грунтовым условиям применение открытого водоотлива целесообразно для котлованов, устраиваемых в скальных, трещиноватых, гравелистых и других крупнообломочных грунтах, в которых суффозия мелкого песчано-глинистого заполнителя не связана с потерей прочностных свойств грунта обрушением, оплыванием и эрозией откосов, а также разуплотнением сжимаемой толщи грунтов основания сооружения.

Значительную опасность для возводимых сооружений представляет применение открытого водоотлива в мелкозернистых песках, т. е. когда котлован не доходит до водоупора и ниже дна остается часть водоносного пласта. В этом случае, как отмечалось ранее, значительная часть грунтового фильтрационного потока выходит через поры грунтов дна котлована восходящими токами фильтрующейся воды и гидродинамическое разуплотнение грунтов изменяет физико-механические, прочностные и деформационные свойства сжимаемой толщи.

Грунтовый водоотлив почти не дает эффекта или малоэффективен и в тех случаях, когда осушаемая толща имеет слоистое строение, где чередуются слабопроницаемые, практически водоупорные слои с хорошопроницаемыми водообильными слоями. В этом случае по мере раскрытия котлована водоносные слои также раскрываются, и вода из них просачивается в котлован из этих слоев независимо от глубины котлована. Это создает весьма неблагоприятные условия для производства строительных работ, так как при этом все откосы котлована находятся в замоченном состоянии с повсеместной эрозией и оплыванием грунта. Не исключается также возможность крупных разрушений откосов котлована в случае интенсивной механической суффозии грунта из нижерасположенных водоносных слоев.

Применять ли открытый водоотлив — решается также исходя из технологии и условий производства земляных и строительных работ. В стесненных условиях производства строительных работ, когда границы котлована весьма ограничены окружающими постройками и котлованы должны разрабатываться крутыми, а нередко и вертикальными откосами, применение открытого водоотлива чревато большими опасностями разрушения откосов даже при использовании защитных шпунтовых стен или других способов удержания или упрочнения откосов котлована. Это происходит из-за механической суффозии и обрушения грунтов за защитной стенкой. Особенно это осложняется при необходимости проходки и производства строительных работ в глубоких котлованах ниже уровня грунтовых вод.

При незначительных темпах вскрытия и углубления котлованов в однородных грунтах или других земляных выработок с пологими откосами и соответственно медленном снижении уровня грунтовых вод метод открытого водоотлива не вызывает существенных нарушений грунтов дна и откосов котлована. Граница осушения, образующаяся вокруг выработки к моменту полного углубления, успевает распространиться на большое расстояние от котлована. Благодаря этому, как расход притекающей воды в котлован, так и соответствующие ему фильтрационные градиенты, становятся достаточно малыми, неспособными вызвать нарушение грунта.

Медленные темпы разработки котлованов, кроме того, способствуют процессу высыхания грунтов в котловане за счет испарения воды (что играет весьма существенную роль особенно при значительных площадях дна выработки), а также своевременному устройству необходимых водоотводящих канавок и зумпфов на последующих ступенях разработки котлована. Это позволяет предотвратить возникновения больших гидравлических градиентов, способных нарушить структуру грунта и снизить его несущую способность в основании сооружений.

Возможности гидродинамического разуплотнения грунта на дне и откосах котлована при быстрых темпах разработки можно оценить параметрами фильтрационных потоков, проходящих через эти участки.

Назовем градиентом разуплотнения грунта ту величину, при которой частицы грунта отдаляются друг от друга. Некоторые исследователи этой величины гидравлического градиента ограничивают применимость линейного закона фильтрации Дарси. Между тем опыты показали, что при фильтрации в том же образце грунта в обратном направлении, т. е. сверху вниз, движение продолжает подчиняться этому закону.

Разуплотнение начинается на тех участках, где грунт имеет меньшую плотность и в первую очередь нарушается условие hгγг > Нγo и по всей толще или на отдельных участках hгγг становится меньше Нγг. Здесь hг — толщина рассматриваемого (проверяемого) слоя грунта, где действует напор воды Н, a γг и γо — удельные веса грунта и воды. При нарушении этого условия могут происходить как подъем и отрыв грунта отдельными блоками, так и постепенное разуплотнение этой защитной толщи по всей высоте.

Разуплотнение грунта может начинаться с поверхности слоя и постепенно углубляться. В этом случае в зависимости от гранулометрического состава грунта толщина слоя разуплотнения увеличивается с различными скоростями.

На откосах котлована происходит аналогичное явление. В слабопроницаемых грунтах, при одинаковых параметрах фильтрационного потока, откосы должны быть более пологими, чем при устройстве откосов из хорошопроницаемых грунтов, в которых до достижения установившегося режима фильтрации гидродинамическое давление значительно меньше, чем в слабопроницаемых грунтах.

Таким образом, в зависимости от параметров фильтрационного потока, который образуется в результате устройства строительных котлованов или других выработок ниже статического уровня грунтовых вод, от фильтрационных свойств грунтов, образующих границы земляных выработок, а также от технологии и темпов производства строительных работ, способ открытого водоотлива может быть применен в следующих случаях, когда: 

• выход грунтовой воды не нарушает сплошности грунта; 
• на выходе фильтрационной воды не развиваются разуплотняющие гидравлические градиенты; 
• давление от веса защитного слоя грунта дна котлована, расположенного над водоносными горизонтами, превышает взвешивающее гидростатическое давление от этого горизонта; 
• по условиям производства работ возможны такие замедленные темпы производства земляных работ, при которых на дне и на откосах котлована не возникают недопустимые величины гидравлического градиента; 
• при проходке шахт и тоннелей объем разработанного грунта не превышает объема проходки шахты или тоннеля с учетом степени увеличения объема разработанного грунта и когда не нарушается условие устойчивости забоя под воздействием гидродинамического давления.

Все это показывает, что открытый водоотлив с учетом современных требований, уровня механизации и темпов строительства практически неприемлемо. В связи с этим в практике строительства получили широкое применение способы искусственного понижения уровня грунтовых вод, при помощи которых заблаговременно до начала земляных работ обеспечивается осушенная зона разрабатываемого грунта.