Шпунтовое ограждение — что это такое, виды, расчет

Процесс создания котлована включает в себя много важных этапов. Одним из них является создание ограждение для стенок. Чтобы избежать разрушения стенок при современных строительных работах, используют шпунтовые конструкции. Также их успешно применяют в качестве закрепителя береговых линий и водоёмов, для обустройства пирсов, дамб, коллекторов и пр. В статье мастер сантехник рассмотрим технологию шпунтового ограждения котлована подробнее.

Что это такое

Шпунтовое ограждение представляет собой сплошную стенку из отдельных элементов, которые соединяются между собой с помощью специальных замков. После погружения в грунт шпунтины образуют единую конструкцию, способную воспринимать давление окружающего грунта и ограничивать его смещение в сторону выемки. Благодаря такой системе соединений ограждение работает как единое целое, обеспечивая необходимую устойчивость стенок котлована на протяжении строительных работ.

Для устройства шпунтовых ограждений применяют элементы из различных материалов, в том числе стали, железобетона и полимеров. Выбор подходящего варианта зависит от глубины котлована, характеристик грунта, уровня грунтовых вод и особенностей будущего сооружения. Важную роль играют также условия монтажа, предполагаемые нагрузки и возможность повторного использования элементов после завершения строительства.

Одно из главных преимуществ этой технологии — возможность работы в сложных инженерно-геологических условиях. Шпунтовые ограждения применяют на песчаных и водонасыщенных грунтах, а также на участках с высоким уровнем грунтовых вод, где разработка котлована без дополнительной защиты может сопровождаться осыпанием стенок и поступлением воды. При необходимости конструкцию дополняют распорками, подкосами или анкерными системами, которые помогают воспринимать возникающие нагрузки и повышают ее устойчивость.

Шпунт используют не только при строительстве глубоких котлованов. Эта технология востребована при возведении подземных этажей, устройстве фундаментов, строительстве мостов и гидротехнических сооружений. Отдельные виды шпунтовых конструкций применяют для укрепления берегов рек и водоемов, защиты прибрежных территорий от размыва и формирования устойчивых границ выемок. Конкретная область применения определяется расчетами, условиями площадки и требованиями проекта.

Строительные нормы и правила

Монтаж шпунтового ограждения требует соблюдения строительных норм, правил безопасности и технологических требований. Они определяют порядок подготовки строительной площадки, выполнения земляных работ, установки элементов и контроля качества готовой конструкции. Соблюдение этих требований позволяет снизить риск деформаций, повреждения подземных коммуникаций и возникновения аварийных ситуаций.

При проектировании и производстве работ необходимо учитывать положения СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», а также другие нормативные документы, применимые к конкретному объекту. Особое внимание уделяют расположению действующих инженерных сетей: кабельных линий, трубопроводов, сетей водоснабжения и канализации. До начала погружения шпунта следует уточнить их местоположение и определить безопасные условия выполнения работ. Это особенно важно на территориях плотной городской застройки, где под землей могут находиться коммуникации разных периодов строительства.

Требования охраны труда также имеют принципиальное значение. В соответствии с характером грунта, глубиной выемки и условиями производства работ необходимо предусматривать меры, предотвращающие обрушение стенок котлована и траншей. СНиП 12-04-2002 «Безопасность труда в строительстве» содержит требования к безопасности земляных работ, однако при практическом применении следует учитывать актуальные нормативные документы и действующие правила охраны труда. Необходимость крепления стенок определяют с учетом конкретных условий площадки, а не только глубины выемки:

• 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.

При устройстве шпунтовых конструкций следует также руководствоваться применимыми стандартами, включая ГОСТ Р 57365-2016 «Стены шпунтовые. Правила производства работ», если он распространяется на выполняемые работы и соответствующие технические решения. Такие документы устанавливают требования к организации монтажа и выполнению отдельных технологических операций.

Подготовка к устройству ограждения начинается с инженерных изысканий и изучения проектной документации. На этом этапе оценивают свойства грунта, определяют уровень грунтовых вод, выявляют возможные препятствия и уточняют расположение подземных коммуникаций. Затем подготавливают строительную площадку, организуют складирование и подачу шпунтин, проверяют оборудование и размечают места установки элементов.

Не менее важен контроль непосредственно во время монтажа. Необходимо следить за положением шпунтин, глубиной их погружения, качеством соединения замков и соответствием фактических параметров проектным значениям. Если обнаруживаются отклонения, их причины следует установить до перехода к следующим этапам работ.

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.

Шпунт Ларсена

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, формой и имет свои технические особенности:

• Л4. Корытообразное изделие с пазогребневым соединением. Монтажная ширина профиля составляет 0,4 м, а длина – от 50 до 220 см. 1 квадратный метр шпунта весит 185 кг. Толщина стенки равняется 145 мм.
• Л5. Аналог предыдущего вида, который имеет некоторые особенности. Толщина его основной стенки составляет 210 мм, длина – 240 см, вес -238 кг. Высота профиля достигает 19,6 см.
• Л5-УМ. Вес квадратного метра арматуры составляет 113 кг. В ширину приспособление достигает 0,54 м. а в длину – 240 см. Ширина основной полки шпунта – 34,4 см.
• VL606. Вес одного погонного метра изделия составляет 94,8 кг. Ширина по центру замка достигает 60 см. На вторичном рынке практически не встречается.

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.

Металлические трубчатые сварные

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.

Деревянные

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.

Полимерные

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.

Железобетон

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.

Технологии шпунтирования

Насколько быстро будет выполнено погружение шпунта, зависит от длины арматуры, а также особенностей грунта. Сваи монтируют несколькими способами: вдаливанием, забивкой, вибропогружением.

Забивка конструкции осуществляется вдали от городских зданий, так как из-за сильной вибрации находящиеся вблизи дома и сооружения могут пострадать. Шпунт забивают с помощью специального агрегата – копры. Посредством ударного механизма заглубление опорного профиля происходит быстро и не так затратно.

Вибропогружение – ещё один востребованный способ монтажа. Его применяют, когда забивку приспособлений невозможно выполнить по каким-либо причинам. Например, на мягкой почве, рядом с береговой линией, водным источником. Весь процесс работ выполняется при помощи  вибропогружателя.

Например, шпунтовое ограждение котлована проводится следующим образом:

• Закрепляется шпунт с помощью строп к ударно-вибрационному механизму;
• Наводится стойка в соответствии с предварительными расчётами.
• Сваи постепенно вбиваются в землю под воздействием вибраций.

Наиболее выгодным и современным процессом монтажа шпунтов считается технология вдавливания. За счёт прогрессивной техники, низкого шума и пониженного риска деструктивного воздействия в зонах, где велика вероятность возникновения оползня, ее применяют рядом с жилыми домами, архитектурными сооружениями, городскими зданиями.

К достоинствам данного способа можно отнести:

• Универсальность, широкую сферу применения;
• Отсутствие вибрации, шума, ударных нагрузок;
• Быстроту монтажных работ;
• Экономичность: за счёт быстроты монтажных работ и качества установки свай сокращаются расходы;
• Равномерность осадки шпунтовых приспособлений за счет процесса погружения.

Из недостатков можно отметить необходимость применения мощного оборудования.

Монтажные работы осуществляются сваевдавливающей установкой – это агрегат на гусеницах. Шпунты фиксируют в вертикальном положении по отношению к подвижному механизму, после чего их погружают в почву на определенную глубину.

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. 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. 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:

• Подготовка площадки, размещение спецтехники, завоз шпунта;
• По периметру котлована осуществляют распределение материала. Затем делают разметку, определяют место монтажа каждого элемента, выполняют стропирование и каждую сваю доставляют к намеченному месту установки;
• Шпунт выравнивают строго по вертикали, монтируют наголовник погружателя;
• Монтаж сваи производится ударным методом, запрессовыванием или вибропогружением ее в почву. В процессе установки осуществляется центрирование;
• 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.

Установка анкеров

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.

Распорные крепления

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.

Ограждения консольного типа

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.

Основные ошибки при устройстве шпунтового ограждения котлована

Устройство шпунтового ограждения — важный этап строительных работ, от которого во многом зависит устойчивость котлована и безопасность дальнейшего строительства. Несмотря на то что эта технология широко применяется на разных объектах, в процессе монтажа могут возникать сложности, устранение которых требует дополнительного времени, технических ресурсов и финансовых затрат. Многие из таких проблем связаны с ошибками при установке шпунта, недостаточной подготовкой строительной площадки или неточностями в проектной документации. Поэтому еще до начала работ необходимо тщательно изучить условия на участке, выполнить необходимые инженерные изыскания и предусмотреть все требования строительных норм и правил.

Одна из наиболее распространенных проблем — несоответствие фактической глубины погружения шпунта проектным значениям. При монтаже важно, чтобы каждый элемент ограждения достигал предусмотренной проектом отметки. Если шпунт погружен недостаточно глубоко, конструкция может не обеспечивать необходимую устойчивость под действием давления грунта и грунтовых вод. В результате возрастает риск смещения ограждения, деформации его стенок и обрушения грунта в котлован. Исправление такой ошибки нередко требует дополнительных работ: необходимо определить причины отклонения, оценить состояние конструкции и выбрать подходящий способ устранения недостатка. В отдельных случаях приходится извлекать неправильно установленный элемент и выполнять его повторный монтаж, что увеличивает продолжительность строительства и стоимость работ.

Не менее серьезные последствия могут возникнуть при нарушении соединений между соседними шпунтинами. Поскольку элементы ограждения соединяются между собой с помощью специальных замков, качество их стыковки напрямую влияет на герметичность и общую надежность конструкции. Если замки не вошли в зацепление должным образом или между элементами образовались щели, грунт и вода могут проникать внутрь котлована. Особенно заметны такие проблемы на участках с высоким уровнем грунтовых вод или в водонасыщенных грунтах. Помимо ухудшения водонепроницаемости, дефекты соединений могут снижать надежность ограждения и создавать дополнительные сложности при разработке грунта. Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо контролировать положение шпунтин во время погружения, следить за правильным соединением замков и своевременно выявлять отклонения. Если дефект уже возник, способ его устранения определяют с учетом характера повреждения, условий площадки и требований проекта. В некоторых случаях может потребоваться извлечение и повторная установка отдельных элементов.

Отдельного внимания заслуживает глубина погружения шпунта относительно дна котлована. Как правило, элементы ограждения должны уходить в грунт ниже проектной отметки дна, поскольку заглубленная часть помогает воспринимать давление грунта и обеспечивать устойчивость конструкции. При этом подземное пространство строительной площадки далеко не всегда изучено в достаточной степени. На пути погружения шпунта могут оказаться инженерные коммуникации, старые фундаменты, остатки ранее существовавших сооружений и другие подземные объекты, сведения о которых отсутствуют или не отражены в документации. Столкновение с такими препятствиями способно привести к повреждению оборудования, нарушению работы коммуникаций и аварийным ситуациям. Последствия могут оказаться особенно серьезными, если речь идет о водопроводах, канализационных коллекторах, кабельных линиях или газопроводах. Кроме того, обнаружение неизвестных препятствий уже в ходе монтажа нередко вынуждает останавливать работы, пересматривать технические решения и корректировать график строительства.

Именно поэтому качественная подготовка площадки имеет не меньшее значение, чем сам процесс монтажа шпунтового ограждения. До начала работ необходимо изучить имеющуюся инженерно-геологическую документацию, уточнить расположение подземных коммуникаций и при необходимости провести дополнительные обследования. Важно также учитывать особенности грунта, уровень грунтовых вод, наличие плотных прослоек и возможных препятствий на глубине погружения шпунта. Чем точнее определены условия строительства, тем проще подобрать подходящую технологию монтажа, заранее выявить потенциальные риски и избежать непредвиденных остановок.

Ошибки при устройстве шпунтового ограждения часто обходятся значительно дороже, чем их своевременное предупреждение. Повторный монтаж элементов, устранение протечек, восстановление поврежденных коммуникаций и ликвидация последствий деформаций могут привести к существенному увеличению бюджета и сроков строительства. Поэтому на каждом этапе работ — от проведения изысканий и подготовки проекта до погружения шпунта и проверки готового ограждения — необходимо соблюдать технологические требования и организовывать надлежащий контроль качества.

Заключение

Несмотря на разнообразие современных технологий укрепления грунта, шпунтовое ограждение остается востребованным решением при строительстве котлованов различной глубины и сложности. Его применение позволяет эффективно удерживать грунт, ограничивать его смещение и создавать необходимые условия для безопасного выполнения строительных работ. При этом надежность конструкции во многом зависит от правильного выбора типа шпунта, учета особенностей участка и соблюдения технологии монтажа. Грамотный подход к проектированию и устройству ограждения помогает избежать лишних затрат, сократить вероятность возникновения осложнений и обеспечить устойчивость котлована на протяжении всего периода строительства.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Пучинистые грунты — что это такое и как обезопасить фундамент постройки