Укрепване на строителни изкопи

Предаването на усилията от фундаментите върху носещия почвен пласт обикновено става на някаква дълбочина под естествения терен чрез изкопаване на яма, наречена строителен изкоп. Дълбоките изкопи на голяма площ, дори при използване на укрепващи конструкции, влияят върху прилежащата инфраструктура, като създават предпоставки за допълнително слягане, защото изпълнението им води до намаляване на геоложкия товар в зоната и до промяна на нивото на подпочвените води. Предизвикателството пред инженера е да създаде стабилно укрепване, което да елиминира авария с катастрофални последствия за хора и сгради, но и да е икономически изгодно.

Строителният изкоп е част от процеса на проектиране. Трябва да се избере технология за изкопаване и отводняване, да се изследва устойчивостта на дъното и откосите, да се реши укрепването на откосите, да се отчитат начините на изграждане на фундаментите. Основната цел на укрепването е да поеме натоварването от земния и хидравличния натиск и от външни товари.

Откосите трябва да са така подбрани, че да не се срутят или да не се плъзнат по някаква кръгово-цилиндрична плъзгателна повърхнина. В идеалния случай, когато строителният изкоп може да се оформи с необходимия наклон на откосите, с междинни берми при голяма височина, с доказана устойчивост на дъното срещу повдигане и с отчитане на периода, през който изкопът ще остане на открито, укрепването може да бъде спестено, но... в градовете вече няма площи, които да осигуряват идеални условия. Често изкопите са до калкани, дори под нивото на фундиране на съседните сгради. Налага се изкопът да е с укрепени вертикални стени, а за укрепването им сега ще опишем накратко статическите схеми и решенията, наложени в практиката.

Статически схеми
Въздействията върху укрепителните конструкции са статични или динамични, вибрационни, сеизмични, квазистатични, а според тяхната продължителност или честота на проявление са постоянни, променливи и особени. Всяко въздействие поражда разрезни усилия, напрежения, деформации и слягания. За правилния избор на укрепващ вариант са необходими данни за физичните и механични свойства на почвите, водните нива, евентуална ерозия пред укрепването, натоварвания от налични или бъдещи конструкции в близост, геометрични данни за изкопа, почвените слоеве и за укрепващата конструкция.

Съоръженията, предназначени за укрепване, могат да бъдат конзолен тип, подпряни или анкерирани с пасивни и активни анкери. При конзолния тип устойчивостта се осигурява от почвата под дъното на изкопа, а това води до голяма дълбочина на забиване. При подпрения тип стабилността на конструкцията се осигурява от частично вкопаване и от разположени на едно или повече нива подкоси, подпори, анкери. Анкерирането, по смисъла на статическо решение, също е подпиране, и може да е едноредово или многоредово, според дълбочината.

Въздействията от активен земен натиск се приемат независимо от преместването или завъртането на укрепващата "стена", а триенето между стена и почва най-често се приема нула. Въздействията от пасивен земен натиск отчитат триенето между стена и почва, и относителното преместване на стената спрямо почвата. Напомняме, че при прекъснатите пилотни стени изследването се прави като за непрекъсната стена, и резултатите са за линеен метър, но стената е прекъсната - получените разрезни усилия трябва да се поемат от отделните пилоти.

През последните години в употреба навлязоха почвените гвоздеи. Това са пасивни “микро” анкери с диаметър 30÷50 mm и дължини до 30÷35 m, които поемат опънни и срязващи сили и огъващи моменти, предизвикани от транслационни движения на части от почвата.

Обикновено укрепване
Основната му характеристика е липсата или незначителният приток на подпочвени води. Класическата схема e с дъсчена обшивка или инвентарни платна, колове, забити в почвата, и подкоси. Тя е подходяща при свързани почви и дълбочина не повече от 3÷4 m при широки изкопи. В градска среда тази дълбочина често е недостатъчна, и се използва "Берлинска стена" - система от предимно забивни стоманени пилоти, комбинирани с обшивка от къси дървени талпи. В някои случаи се прилага пръскан стоманобетон. Поради динамичните въздействия укрепването със забивни пилоти не е подходящо до съществуващи сгради, но е много удачно, когато набиването не е от значение за прилежащите зони. Изпълнението на "Берлинската стена" е в няколко стъпки - изпълнение на пилоти през около 1,0 m, откопаване на хоризонтални ивици с малка височина и монтаж на обшивката, обратна засипка и уплътняването є, ако е необходимо. Това е една от най-евтините укрепителни системи, а при използване на стоманени профили изпълнението е бързо, но... коравината на системата, дори с междинно подпиране или анкериране, е малка и бързо се реализират хоризонтални премествания, които трябва да се наблюдават и замерват. Прилага се като временно съоръжение, затова стойността є е допълнителен разход към разчетите за строежа.

Друг начин за неводоплътно укрепване е използването на "почвени гвоздеи". Това са линейни елементи, които се изпълняват под ъгъл от 10÷30° спрямо хоризонта по два начина - чрез директно забиване с различни ударни методи и вибрационни въздействия, или чрез полагане в предварително просвредлен отвор, запълван след това с циментов разтвор. Възможно е просвредляването да е успоредно или последвано от инжектирането на разтвора под налягане.

Почвените гвоздеи създават връзка между активните и пасивните почвени пластове. При достатъчна плътност на гвоздеите в почвения масив, той реагира на външните товари като монолит, който поддържа почвата зад него като конвенционална подпорна стена. За да се предпази почвата от изтичане между гвоздеите, често се изпълнява покритие с армиран торкретбетон.

Шпунтово укрепване
Това е водоплътно укрепване при голям приток на вода. Идеята на шпунта е да се изпълни стена от специални профили, забити в почвата преди изпълнението на изкопа, и конструирани така, че да прилягат плътно един към друг. Елементите на шпунтовите стени могат да бъдат дървени, стоманобетонни, стоманени, пластмасови, с различна геометрия на напречното сечение. След изкопаване на строителната яма тези елементи поемат въздействията от земен и хидростатичен натиск като стена, а при правилна дълбочина на забиване предпазват изкопа от наводняване, като поемат функцията на водоплътна ограда, пресичат пътя на подземните води и допринасят за осигуряване на устойчивостта на дъното на изкопа.

Монтажът на шпунта става с пресово забиване с натиск, прилаган от специална преса. В градски условия почти не се прилагат вибрационни методи или ударно набиване, за да се избегнат съпътстващите ги шум и вибрации. Най-използвани са два стоманени шпунта - U-образният Ларсенов и Z-образният Höesch шпунт. Това укрепване може да се използва многократно, отделните елементи са сравнително леки, но достатъчно устойчиви при набиване, а съществува и възможност за удължаване чрез заварки или болтове. Ще отбележим два недостатъка - елементите не могат да се влагат в крайната конструкция и системата не е приложима при твърди почви или наличие на скални фракции.

Шлицови стени
Това са изливни стоманобетонни стени, поемащи земен и хидравличен натиск, но се използват и при дълбоко фундиране - за вертикални товари. Стоманобетонът се излива в предварително изкопани "шлици" (от немски: Schlitz - прорез, процеп), които се пълнят с бентонитова суспензия за осигуряване устойчивостта на стените. Изкопаването най-често е с грайфер, ширината е 40, 60, 80 cm, а дължината – 300 cm. Воденето на грайферa е по предварително изпълнени стоманобетонни бордюри. Непрекъснатостта на шлицовите стени се постига, като се предвижда участък в края на всеки шлиц, в който отделните стени да се застъпват една с друга. Там се поставя фугова тръба, която се изтегля след свързването на бетона на даден участък, за да навлезе бетон при бетонирането на съседния участък, и двата да се застъпят. При тази система има няколко съществени изисквания - подбиране на точните рецепти за бентонитовата суспензия според инженерно-геоложките условия, минимален клас бетон, марка цимент и фракция чакъл, клас армировка и конструиране на армировъчния скелет, включително куки и водачи за фиксиране на скелета в изкопа, и място за контракторната тръба.

Пилотни стени
Едно от най-прилаганите укрепвания е с изливни пилоти, които условно се разделят на нормални, с диаметър над 30 cm, и микропилоти, с диаметър до 30 cm. Пилотите са на разстояние един от друг, ако преминават през свързани почви и слабонапорни води, или плътно, за да се получи стена, и тогава се врязват един в друг - т.н.секантни пилоти. В проекта за секантни пилоти се дава допустимата якост на бетона на първичните пилоти, преди да се започне изработване на вторичните. Светлото разстояние между пилотите, когато се използват за укрепване на изкопи, е лимитирано в нормативните документи. В някои случаи за предотвратяване свличането на земна маса между пилотите се изпълнява торкрет върху заварени мрежи, но има и други решения.

Изливните пилоти се изпълняват по три начина. Изпълнението с инвентарна тръба се състои от забиване в почвата на метална тръба, спускане на армировъчния скелет и бетониране, като тръбата бавно се измъква. Вибриране на бетона и постепенно изваждане на тръбата - два фактора за добър резултат. При направа на пилоти с оставащи на място тръби в почвата се вкарва ламаринена гофрирана тръба, която се запълва с бетон и остава на място. Пилотите без обсадна тръба са познати още като “сондажни”. При тях бетонирането се извършва в сондажен отвор, пробит от сондажни агрегати с ударно или въртящо действие, а предпазването от обрушване на стените на отвора е чрез глинени суспензии, най-често бентонитови. След пробиването сондажът се очиства внимателно и се запълва с бетон. Може да се постави и армировъчен скелет. Бетонирането се извършва с използване на вертикално повдигаща се тръба. Бетонната смес, която запълва сондажа, трябва да измести глинената суспензия.

Микропилотите се използват поединично или на група, като стена - при укрепвания. Изпълнени от стомана, инжекционен разтвор, бетон, или комбинация от горните, те са много подходящи за работа при ограничени условия на достъп, при фундиране в хетерогенни почви и особено при укрепителни работи, за намаляване на слягания и деформации и формиране на опорна конструкция. Технологията на изпълнението им, когато са армирани със стоманена тръбна конструкция, не изисква използване на обсадна тръба, а стоманената тръба работи добре на опън и натиск. Едновременното със сондирането се инжектира избраният разтвор, и така се осигурява добро сцепление между тръбата и почвата. Сондажната техника е сравнително лека, с малък шум и вибрации при работа, а извозване на земни маси почти няма. Поради малката им коравина не е удачно да се изпълняват като конзолни – хоризонталните премествания са значителни. Прилага се анкериране през обединителна греда, което увеличава относителната коравина на елементите и позволява усредняване на натоварването върху един сравнително голям фронт на укрепване, за да може да се работи с усреднени якостни, физико-механични и деформационни характеристики. По-скъпи са от обикновените пилоти. Има и една нова технологична разновидност за изграждане на микропилоти, при която се формират колони jet grouting с помощта на кухи пръти от високоустойчива стомана, които позволяват инжектиране под високо налягане на циментова смес, и остават във вътрешността на колоната като нейна армировка.

Технология Jet Grouting
Тази технология използва идеята за впръскване на заздравители в почвата, за да се подобрят качествата є. Заздравителите са химически реагенти, разрушават почвената структура, смесват се с нея и образуват каменовидна маса. Методът е приложим при всички видове почви, от глина до чакъл. Може да се инжектира под ниско налягане, при което всъщност структурата на почвата се запазва, но е подходящо за малки дълбочини, или под високо налягане. За изпълнение на това укрепване се пробива отвор в почвата до достигане на необходимата дълбочина, в отвора се полага уред за впръскване на разтвора, започва впръскването, по време на което започва и изтеглянето на въртящия сондажен прът, а резултатът е почвен стълб, запълнен с разтвор. Разтворът може да е циментово мляко, циментен разтвор, глинест и др. Използване на по-скъпи композити на база лепила е оправдано при ниска скорост на филтрация. При изискване за водоплътност се използват водоциментно-бентонитни разтвори.

Съществуват три основни системи за впръскване на свързващото вещество. При еднокомпонентната система разрушаването на почвената структура се осъществява чрез самото свързващо вещество. Прилага се при укрепване на сгради, където мястото е ограничено, но е за малки дълбочини. Двукомпонентната система е подобрена модификация на еднокомпонентната и се прилага на по-големи дълбочини, като се впръсква сгъстен въздух едновременно с втвърдителя. При трикомпонентната система разрушаването на почвата се извършва чрез смес на вода и въздух под високо налягане, подавани чрез специална дюза. Свързващият материал се подава от друга дюза, разположена по-ниско. Предимството на тази система е най-вече при свързани почви. Ако е необходимо, след откопаването стената се обработва допълнително чрез фрезоване.

„Jet grouting” намира приложение при много строителни дейности, свързани със заздравяване на почвата. Специално при укрепването на изкопи се използва за третиране на основата на сгради в близост до изкопа, за изграждане на вертикални противофилтрационни стени, за уплътняване и заздравяване на дъното на изкопа, за изграждане на микропилоти.

Анкерно укрепване
Анкерите са съоръжения, които предават приложените им опънни сили от укрепващата конструкция в дълбочина на земната основа. В отделни случаи се прилагат и самостоятелно, като добре работят с пръскан стоманобетон. При всички случаи анкерите са скъпо решение, което трябва да е добре обосновано. И това укрепване е немислимо без проект. Изходните данни са хидрогеология, статично натоварване и строителна конструкция. Определят се броят, гъстотата и натоварването на анкерите, и въз основа на изчисленото натоварване се избира анкерната система. Уточняват се диаметърът на сондажа, дължината на закотвяне и типът на инжекционния материал. Дължината на анкерите трябва да е такава, че нито една критична плъзгателна повърхнина да не преминава през закотвящата им част.

Приети са различни класификации на анкерите - класически и инжекционни, според начина на изпълнение, въжени и прътови - според вида на носещата армировка, активни и пасивни - според начина на работа, и временни и постоянни - според експлоатационния им срок. За укрепване на изкопи в градска среда най-приложими са инжекционните анкери, при които метални пръти или въжета се закотвят в дълбочина в инжектирана със свързващ разтвор зона, наречена "корен", а другият край, чрез анкерен блок, наречен "глава", се захваща към укрепващата конструкция.

При анкерната система тип IBO носещото звено е стоманена оребрена тръба, която служи за пробивен прът, инжекционна тръба и стоманен носещ елемент. Така в меки почви и в изветрели скални маси, в които се сондира, се спестява обсадната тръба. Използва се инжекционен разтвор, който прочиства сондажа, изкарва попадналата по време на пробиването почва, поддържа и предпазва от разрушаване сондажния отвор, дори охлажда пробивната корона. Процесът е бърз и икономичен. На върха на първия анкерен прът се монтира пробивната глава, и след това прътите се наставят и вкарват в сондажа, докато достигнат дъното на анкера, когато започва и окончателното инжектиране на циментов разтвор. Сондирането с крепяща течност и динамичното уплътняване с циментова смес следват едно след друго, а без обсадна тръба се образува плътно захващане на анкерното тяло с почвата. Анкерите тип IBO са по-технологична и по-икономична алтернатива на обикновените предварително напрегнати анкери, но при изпълнението на пасивните IBO анкери няма контрол на предписаната носимоспособност на всеки отделен анкер, както е при напрегнатите анкери, а това изисква по-големи коефициенти на сигурност по отношение на околното триене. И още нещо - обикновено анкерите са разположени извън регулационната линия на обекта, където няма информация за геологията поради невъзможност за геоложко изследване със сондажи. Такава възможност обикновено липсва, защото съседните собственици трябва да дадат съгласието си не само за проучване, но и за закотвяне под техния терен, и процедурата е доста тромава.

Относно напрегнатите въжени анкери ще отбележим, че в момента у нас има само една фирма, която разполага с техника за изпълнението им. Макар че при тези анкери се осъществява контрол на носимоспособността на всеки отделен анкер, те са скъпи и трудно ще се наложат в сектора на изкопните укрепвания.