Если углубление это делается в дне водоема и для его выполнения требуется предварительное ограждение места работ водонепроницаемыми перемычками с откачкой воды, то в понятие котлован включают все замкнутое перемычками пространство.
Котлован называется «открытым», если он роется без применения специальных устройств, к которым относятся опускные колодцы и кессоны. Очертание в плане и размеры зависят от характера закладываемого сооружения. Котлован небольших или узких сооружений (отдельные столбы, стены и т. п.) роются с отвесными стенками, следуя очертаниям фундаментов этих сооружений с запасом в 0,10— 0,15 м в стороны для возможности исправления случайных неточностей работы.
Под крупные сооружения, как то: опоры мостов, плотины, шлюзы и т. п., а также под дома с подвалами, они делаются сплошными, занимая всю площадь, ограниченную внешним периметром сооружения. В этом случае очертания в плане упрощают, срезая входящие углы, закругления и т. п. Этим сокращаются длина стенок и зависящая от нее фильтрация воды сквозь стены и под ними.
Увеличение площади крупных котлованов вызываемся необходимостью разместить в них вокруг закладываемого сооружения строительные машины, водосборные канавы и колодцы, рабочие пути и др. Очень часто приходится один сплошной заменять несколькими, закладывая сооружение по частям. К этому прибегают при постройке плотин в открытом котловане, когда приходится вести работы за перемычками по очередям, отдельными секциями плотины, пропуская расход реки на остальном ее протяжении через свободную часть живого сечения и через отверстия, оставляемые в уже законченных и освобожденных от перемычек секциях плотины.
В небольших речках котлованы занимают всю ширину реки, а воду пропускают лотком через него или же сбоку особым «деривационным» каналом. Точно так же большие с обильным притоком воды для уменьшения водоотлива разбивают дополнительными шпунтовыми стенками на отдельные отсеки и закладывают фундамент по частям, откачивая воду только из отсека, в котором в данное время ведутся работы.
Глубина определяется проектом закладываемого в нем сооружения и должна во всяком случае быть не менее как на 0,20 м больше глубины промерзания. Как правило дно делается горизонтальным. При наклонном напластовании грунтов выбирается уступами в соответствии с падением пластов. В сооружениях, подверженных действию горизонтальных сил и требующих поэтому наклонного основания, последнее обычно заменяется рядом горизонтальных уступов. При заложении бетонных водосливных плотин, подверженных одностороннему напору воды, скалистое дно отделывается зубьями, обеспечивающими связь бетона плотины с ее основанием и предупреждающими сдвиг плотины.
В зависимости от того, разрабатываются котлованы с водоотливом или без него, они подразделяются на сухие и мокрые. Поддержание последних в осушенном состоянии делается или открытым водоотливом или методом понижения уровня грунтовых вод. При открытом водоотливе просачивающаяся вода отводится канавками, прорытыми по периметру, в особые колодцы, откуда и выкачивается насосными установками. При понижении грунтовых вод вода откачивается из окружающего грунта еще до поступления ее с помощью особых, углубленных в грунт трубчатых колодцев. Последние обычно понижают уровень грунтовых вод на 0,50 м ниже дна. При этом применяются или простые трубчатые колодцы, из которых вода откачивается установленными на поверхности земли насосами, поднимающими воду не более как на 1—8 м, или же особыми глубинными насосами, опускаемыми в буровую скважину сразу на нужную для осушения глубину. В первом случае насосы устанавливаются уступами («ступенями»), что сопряжено с соответствующим устройством стенок и требует его уширения.
Профиль и крепление стенок зависят от его размеров и характера прорезаемых им грунтов. Вертикальные откосы без креплений применяются при плотных грунтах или при небольших размерах, при которых устройство откосов является большим процентным добавлением к общей кубатуре работ. Но и в этих котлованах применение неукрепленных отвесных откосов не рекомендуется делать при глубине свыше 1,50—3,00 м (в зависимости от грунта и ширины).
Обычно сухие делаются с откосами, мокрые — с вертикальными укрепленными стенками. Если грунтовые воды появляются на некоторой глубине от поверхности земли, верхняя сухая часть обделывается первым, а нижняя — вторым способом. При применении опускных колодцев и кессонов верхние сухие пласты грунта обычно проходят открытым котлованом, кессон же или колодец начинают опускать только с площадки, расположенной на 0,50—1,00 м выше уровня грунтовых вод. Если осушение осуществляется путем понижения грунтовых вод, то вода перехватывается до поступления в котлован, его стенки остаются сухими и могут выводиться с откосами, как стенки сухих. При ступенчатом понижении уровня грунтовых вод откосы стенок имеют горизонтальные бермы для установки соответствующего яруса насосов.
Крепление земляных стенок бывает горизонтальным и вертикальным. В первом случае стенки отделываются горизонтальными рядами толстых досок, пластин или брусьев, закладываемых сплошь или вразбежку (в зависимости от величины давления грунта) за вертикальные стойки, раскрепленные распорками, упирающимися в аналогичные стойки противолежащей стороны.
В узких котлованах распорки делаются деревянными и несколько длиннее ширины и ставятся в него с небольшим уклоном против горизонта и лишь по-мере усыхания доколачиваются до горизонтального положения, расширяя крепление (рис. 1).
При более широких - распорки иногда делаются наклонными, упирающимися одним концом в откос с, а другим в землю (рис. 2), но в большинстве случаев они проходят через весь котлован, причем в предупреждение продольного изгиба связываются с пересекающими распорками остальных стен, образуя горизонтальную раму распорок.
Такие рамы устанавливаются одна под другой по мере выкопки и в узлах соединяются друг с другом стойками, что предупреждает их выпирание вверх и вниз (рис. 3). Иногда эти стойки забиваются на соответствующих местах заблаговременно до начала выемки земли.
В очень широких котлованах распорки делаются металлическими. На рис. 4 приведена конструкция крепления вертикально забиваемыми в землю двутавровыми балками с установкой между ними горизонтальных досок — конструкция, очень распространенная при постройках метрополитена. Горизонтальные доски или подвешиваются к двутаврам на особых крюках а и b со стороны котлована или же закладываются между полками двутавров, прижатые к стенке грунта вертикальными деревянными клиньями с и d.
Расположенные друг против друга двутавры противоположных стенок раскрепляются распорками. Вертикальное крепление применяется преимущественно в слабых грунтах и состоит из стенки вертикальных досок, забиваемых вокруг распирающей их горизонтальной рамы (рис. 5).
Лучшим вертикальным креплением стенок является забивка дощатого или брусчатого шпунтового ряда. Применение его необходимо при желании иметь водонепроницаемую стенку и уменьшить приток воды через дно из-под этой стенки путем удлинения линии фильтрации воды. Толщина дощатого шпунта 5—10 см, брусчатого 10—22,5 см. Шпунтины делаются с треугольным или прямоугольным зубом (фиг. 6).
Они забиваются по горизонтальным направляющим между маячными сваями. По мере углубления котлована шпунтовые стенки раскрепляются горизонтальными рамами.
Если котлован устраивается на местности, постоянно покрытой водой, то окружающие его водонепроницаемые стенки той или иной конструкции называются обычно «перемычками». Простейшими перемычками являются земляные, применяющиеся в тихой воде при глубине не свыше 4 м. При наличии течения употребляются перемычки из одиночного или двойного шпунтового ряда, в последнем случае с засыпкой промежутка между рядами глинистым грунтом. Такие перемычки применяются при подпорах до 7,5 мм. При более высоких подпорах прибегают к металлическим шпунтам широко распространенным.
Стальной шпунт забивается или сплошной стенкой или же в виде примыкающих друг к другу отдельных ячеек. Одна из наиболее крупных и высоких ячеистых перемычек была сооружена для ограждения котлована висячего моста через р. Гудзон в Нью Иорке; при глубине воды в 24,08 м Котлован занимал площадь в 33,20x30,00 = 996 м2. Перемычка состояла в береговой части из одиночной шпунтовой стенки типа Larssen, в речной — из 27 квадратных ячеек размерами в 3,00 x 2,40м (рис. 7). Т. к. шпунты забиты были слабо в каменистое дно, стенки перемычки были раскреплены системой металлических и деревянных распорок и диагоналей, образующих в целом жесткую пространственную конструкцию. Для ограждения обширных котлован плотин и гидростанций часто применяют загруженные камнем ряжевые перемычки с внешним водонепроницаемым забралом из стальной шпунтовой стенки, опирающейся на ряжи.
