3. Деформации зданий при строительном водопонижении
Для северо-западных районов европейской части СССР, в частности для Карелии и Ленинградской области, характерно высокое положение уровня подземных вод. В весеннее и осеннее время обычно образуется верховодка, поэтому при производстве земляных работ и возведении фундаментов почти всегда приходится удалять воду из котлована или понижать ее уровень с помощью подземных водозаборов.
Бутовые фундаменты существующих зданий часто имеют крупные полости, поэтому в пылеватых песках и супесях они работают в качестве дрен, через которые проходит вода, как только начинается разработка вблизи них котлована [6].
Длительно продолжающаяся фильтрация воды через основание фундамента может сильно ослабить грунт, что особенно опасно при открытом водоотливе. Кроме того, при длительной фильтрации воды возможна и механическая суффозия грунта — вынос фильтрационным потоком мелких частиц из грунтового массива (рис. 1.6).
Механическая суффозия характерна для рыхлых песчаных грунтов с неоднородным гранулометрическим составом. Если песок однороден, то суффозионный вынос не развивается, но чем больше неоднородность грунта, тем больше опасность возникновения суффозии. Механическая суффозия наблюдается также и в связных грунтах. Интенсивность развития суффозии зависит от градиент фильтрационного потока i, т.е. от понижения уровня подземных вод, которое становится опасным, если градиент напора i > 0,6.
Вынос мелких частиц грунта приводит к увеличению скорости фильтрации воды, при этом начавшийся процесс суффозии возрастает лавинно, развивается гидродинамическое давление воды на частицы грунта, в результате чего напряжения от собственного веса грунта существенно уменьшаются. Наиболее значительное, а следовательно, и наиболее опасное снижение этого напряжения происходит вблизи шпунта (см. рис. 1.6), вследствие чего существенно уменьшается устойчивость шпунта и основания фундамента, ведущая к его проседанию.
К значительным деформациям существующих зданий может привести даже кратковременное понижение уровня подземных вод, вызванное необходимостью проведения работ насухо. В этом случае нет взвешивающего влияния подземной воды (в песках мелких и пылеватых, в супесях). Удельный вес грунта в этом случае может повыситься примерно вдвое, и основание существующего здания подвергнется дополнительному уплотнению, сопровождающемуся неравномерной осадкой здания (рис. 1.7). Поскольку депрессионная поверхность подземных вод быстро выполаживается по мере удаления от колодца (иглофильтра), то участки основания, охваченные процессом самоуплотнения грунта, по глубине будут различны, даже в пределах ограниченной площади, занятой зданием, и поэтому здание нередко получает крен в сторону иглофильтров (рис. 1.7). Подобные явления могут наблюдаться и при водоотливе из котлованов и траншей, находящихся на значительном расстоянии (рис. 1.8) от зданий.
Строительное глубинное водопонижение должно производиться в сжатые сроки. При этом обязателен контроль мутности откачиваемой воды. Появление замутненных вод — признак развития механической суффозии. В такой ситуации требуется принимать срочные меры: уточнять состав обсыпки фильтров, прекращать откачку и применять другие способы проходки строительных котлованов, например, использование фильтрационных завес в виде замкнутого шпунтового ограждения, конструкций типа «стена в грунте» и др.
Мерой защиты оснований от суффозии является снижение градиентов напора и сокращение продолжительности откачки, для чего следует уменьшить глубину разрабатываемого котлована. Если же изменение глубины котлована невозможно, необходимо применить шпунт, погруженный в подстилающий водоупор и образующий (в плане) замкнутый контур. Можно ограничиться и относительно коротким шпунтом, используя его для снижения градиента напора за счет увеличения пути фильтрационных потоков, направленных к строительному котловану. Длина шпунта в этом случае должна быть такой, чтобы градиент снизился до величины i < 0,6.
Развитие плывунных явлений, т.е. разжижение песка восходящими потоками воды, недопустимо. При разжижении песок будет поступать в котлован с участков, его окружающих, и в том числе из-под фундаментов, расположенных возле котлована зданий, что приведет к их деформации и даже к авариям. Очень существенно то, что это явление может сказаться на значительном удалении, составляющем иногда десятки метров.