1. Опускные колодцы. Опускной колодец представляет собой открытую сверху и снизу железобетонную (реже стальную или бетонную) конструкцию в форме цилиндрической или призматической оболочки, стены которой имеют, как правило, в нижней части выступающие наружу консоли, называемые ножом (рис. 7.1).

Консоли имеют заостренную к низу коническую форму и обычно усилены металлом. Опускные колодцы погружаются в грунт под действием собственного веса по мере разработки и удаления грунта, расположенного внутри колодца и ниже его ножа. Стены колодца либо сооружаются на нулевой отметке на полную высоту, либо наращиваются по мере погружения колодца в грунт. Погружение опускного колодца на отметки ниже уровня грунтовых вод осуществляется, как правило, с организацией местного водопонижения или с применением технологий замораживания водонасыщенных слоев грунта. Неглубокие колодцы могут опускаться ниже уровня грунтовых вод без водопонижения с разработкой грунта в колодце под водой. Наличие выступающих за наружную поверхность стен опускного колодца консолей в его нижней части уменьшает сопротивление грунта погружению колодца в грунт. При этом по высоте колодца между его стенами и окружающим грунтом образуется свободное пространство в форме щели или узкой траншеи. Стены такой траншеи при большой глубине опускания, а также в слабых грунтах могут терять устойчивость. Следствием последнего является формирование по боковым поверхностям стен опускного колодца сил активного давления грунта, приводящих к увеличению сил трения, препятствующих опусканию конструкции в грунт. Для уменьшения сил трения по боковым поверхностям стен пространство между ними и окружающим грунтом, образующееся по мере погружения опускного колодца, заполняется тиксотропным раствором. Для изготовления таких растворов (водных суспензий) используются тонкодисперсные бентонитовые глины. Тиксотропия – это свойство тонкодисперсных систем удерживать воду (не расслаиваться) за счет сил электростатического притяжения между минеральными частицами. Ниже уровня грунтовых вод устойчивость вертикальной выработки в грунте, окружающей опускной колодец, может обеспечиваться также давлением в грунтовой воде.

После достижения опускным колодцем проектной отметки заложения фундамента его внутренняя полость целиком или частично заполняется бетоном. При высоком уровне грунтовых вод возможны варианты бетонирования с временным водопонижением или подводного бетонирования. Бетонированию подлежит также пространство между стенами опускного колодца и окружающим грунтом. При заполнении этого пространства тиксотропным раствором бетонирование производится под тиксотропным раствором с его вытеснением. В верхней части опускного колодца сооружается распределительная железобетонная плита, на которой размещается верхнее строение.

По технологии опускного колодца могут возводиться подземные сооружения, такие как насосные станции, технологические подвалы, подземные гаражи и т. п. В этом случае в основании опускного колодца после его погружения устраивается железобетонная плита, рассчитанная на избыточное давление в грунтовой воде. Конструкция опускного колодца проверяется на всплытие. Опускные колодцы – сооружения имеют размеры в плане от 6 м до 100 – 150 м и погружаются на глубину от 5 м до 50 м. В качестве примера подземного сооружения, возведенного по технологии опускного колодца, можно привести подземный многоэтажный гараж на тысячу автомобилей в Женеве (Швейцария).

2. Расчет опускного колодца. Расчеты выполняют для стадии возведения и для стадии эксплуатации. В стадии возведения (рис. 7.2) проверяют прочность стен опускного колодца при действии активного давления грунта. Поперечные сечения призматического фундамента рассчитывают как замкнутые рамы, нагруженные по контуру силами активного давления грунта. Кольцевые напряжения в стене цилиндрического фундамента определяют по формуле Ляме для толстостенного цилиндра:

                                                                     (7.1)

где R, r – соответственно наружный и внутренний диаметр поперечного сечения опускного колодца; p_a – активное давление грунта в рассматриваемом сечении.

Силы Е _kn, действующие по нормали к поверхностям ножей, определяются по разности силы веса фундамента и сил трения по его боковым поверхностям. На действие указанных сил рассчитываются ножи опускного колодца как консоли.

В стадии эксплуатации рассматриваются две возможные схемы расчета опускного колодца в зависимости от показателя относительной жесткости фундамента и основания a, определяемого по формуле:

                                                                   (7.2)

где К – коэффициент пропорциональности (кН/м⁴), принимаемый по справочным данным, например, по нормам на проектирование свайных фундаментов; d – глубина заложения фундамента; g _c – коэффициент условий работы; EI – изгибная жесткость поперечного сечения фундамента.

Если a×d < 2,5, фундамент принимается в расчете абсолютно жестким. В противном случае фундамент рассчитывается как стержень конечной жесткости в грунтовой среде (см. лекцию 6, расчет свайных фундаментов на горизонтальные и моментные нагрузки).

Расчет фундамента как абсолютно жесткого тела производится на воздействие вертикальных, горизонтальных и моментных нагрузок, приложенных в его верхнем сечении, с учетом давлений грунта на его боковых поверхностях (рис. 7.3). В расчетах используется коэффициент жесткости основания подошвы фундамента при действии вертикальных нагрузок C_z и коэффициент жесткости основания боковых поверхностей при действии горизонтальных нагрузок C_{y, i}. Первый коэффициент рассчитывается по осадкам условного фундамента, определяемых методом послойного суммирования (см. лекцию 6). Второй коэффициент рассчитывается по формуле:

                                (7.3)

где K, g _c – то же, что в формуле (2); z_i – глубина i^–го сечения от планировочной отметки; l – размер поперечного сечения фундамента в направлении, перпендикулярном действию момента.

В расчете учитываются силы трения по боковым поверхностям фундамента, определяемые по формуле:

                                                                           (7.4)

где f – расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности фундамента, осредненное по его высоте (принимается по справочным данным, например, по нормам на проектирование свайных фундаментов); u, d – соответственно периметр поперечного сечения и высота фундамента (м).

Расчетная схема фундамента как абсолютно жесткого тела представлена на рис. 7.3. Неизвестными, которые подлежат определению в этой задаче, являются перемещения фундамента как жесткого целого (два линейных и одно угловое). Свяжем эти перемещения с началом системы координат, размещенным в центре верхнего обреза фундамента. Выразим давления грунта на поверхностях фундамента через неизвестные перемещения:  (7.5)

где u₀, s₀, j₀ – неизвестные перемещения фундамента как жесткого целого;
z_i, y_i – координаты сечений, в которых определяются давления.

Неизвестные перемещения фундамента определим из трех уравнений равновесия:

                 (7.6)

где l_i, b_i – размеры поперечного сечения фундамента в плоскости, перпендикулярной действию момента, соответственно на глубине z_i и на уровне подошвы в сечении с координатой y_i.

По найденным из системы уравнений (7.6) перемещениям определяются с помощью формул (7.5) давления грунта на поверхностях фундамента. Полученные эпюры давлений вместе с заданными нагрузками позволяют определить внутренние усилия в сечениях фундамента и выполнить проверки по их прочности.

Опускной колодец – сооружение рассчитывается как подземное сооружение. При этом одной из основных проверок является проверка на всплытие сооружения под действием избыточного давления в грунтовой воде, а также расчет на эти давления плиты днища сооружения.

3. Фундаменты типа стена в грунте. Устраиваются путем бетонирования под тиксотропным раствором глубоких траншей, разрабатываемых в грунте землеройными механизмами. Для обеспечения направленной разработки грунта на поверхности устраивается специальная конструкция (рис. 7.4), которая называется форшахтой. Стенки траншеи удерживаются от обрушения давлением в тиксотропном растворе, который постоянно добавляется в траншею при ее разработке, а также обновляется при выпадении из него осадка.

Перед бетонированием конструкции фундамента в траншею могут устанавливаться арматурные каркасы, если это предусмотрено проектом. Описанная здесь технология устройства фундаментов часто используется для возведения подземных частей сооружений. В этом случае в первую очередь устраивается стена в грунте по периметру сооружения. Затем могут устраиваться колонны внутри сооружения путем бетонирования пробуренных скважин. После этого устраивается перекрытие на нулевой отметке с оставлением в нем необходимых технологических проемов для извлечения разрабатываемого грунта. Возведение сооружения осуществляется сверху вниз с устройством междуэтажных перекрытий, обеспечивающих устойчивость вскрываемых стен в грунте. При использовании стены в грунте в качестве фундамента сооружения выполняют мероприятия по извлечению со дна траншеи перед ее бетонированием возможных непрочных включений, в том числе в виде глины, выпадающей из тиксотропного раствора. Несущая способность фундамента в виде стены в грунте обеспечивается сопротивлением грунта по подошве и боковым поверхностям заглубленной части конструкции. При этом в качестве исходных данных для выполнения таких расчетов используют справочные данные о сопротивлении грунта по подошве и боковым поверхностям, например, заимствованным из норм на проектирование свайных фундаментов.