книги / 49
.pdf
Геотехника территорий
аккуратно выравнивалась, грани кольца использовались как на@ правляющие. Далее из этих дисков вырезались квадраты, впо@ следствии образующие образец 150×150 мм. Для выравнивания поверхностей производилась их затирка с водой. После этого об@ разец без короба закрывался фольгой и производились измерения теплопроводности. При использовании прибора МИТ@1 образец необходимо обернуть в фольгу и поместить в бокс, обшитый теп@ лоизоляционным материалом.
Результаты тестовых определений теплопроводностей грун@ та приведены в таблице.
Результаты тестовых лабораторных экспериментов
Прибор |
Номер замера |
λ, Вт/(м·К) |
ИТС@1 |
1 |
1,604 |
|
2 |
1,604 |
|
3 |
1,566 |
МИТ@1 |
1 |
1,699 |
|
2 |
1,581 |
|
3 |
1,636 |
На основании лабораторных измерений установлено, что при определении теплопроводности при помощи обоих приборов по@ лучены близкие по значению результаты. Поскольку при исполь@ зовании прибора МИТ@1 подготовка образца менее трудоемка, из@ мерение менее длительно, а результаты согласуются с результа@ тами ИТС@1 (см. таблицу), принято решение использовать для проведения лабораторного эксперимента прибор МИТ@1.
При планировании эксперимента необходимо выделить не@ зависимые входные параметры и выходной параметр [8]. В каче@ стве выходного параметра используется теплопроводность грунта, в качестве входных – влажность и плотность. Для получения за@ висимости планируется использовать квадратичное уравнение регрессии вида
y = b x + b x + b x + b x2b |
x2 |
+ b x x , |
(1) |
||||||||||
0 |
0 |
1 |
1 |
2 |
2 |
11 |
1 |
22 |
2 |
12 |
1 |
2 |
|
где х0 – свободный член, принимается равным единице; х1 – плот@
ность грунта; х2 – влажность грунта; b0, b1, b2, b11, b22, b12 – коэффи@ циенты уравнения регрессии.
111
Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2013. № 4
Поскольку не представляется возможным подготовить обра@ зец заданной влажности и плотности по предварительно задан@ ным параметрам, планируется применять методику нормального уплотнения по ГОСТ 22733–2002 «Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности» и СН 449–72 «Указания по проектированию земляного полотна железных и автомобиль@ ных дорог». В ходе работы будет использоваться песок мелкий с начальной влажностью ωн = 0,0 с увеличением влажности с ша@ гом около 4 %.
Для уплотнения грунта планируется применять пневматиче@ ский прибор стандартного уплотнения, который позволяет в ав@ томатическом режиме производить уплотнение заданным коли@ чеством ударов.
Поскольку плотность является зависимым параметром от влажности, принято решение построить уравнение регрессии в виде зависимости плотности от влажности и количества ударов уплотнения, что позволяет уйти от зависимого параметра:
x = c r + c r + c x |
+ c r2 |
+ c |
x2 |
+ c r x , |
(2) |
||||||
1 |
0 |
0 |
3 1 |
2 |
2 |
11 1 |
22 |
2 |
32 1 |
2 |
|
где r0 – свободный член, принимается равным единице; r1 – коли@ чество ударов уплотнения; x2 – влажность грунта; r0, r1, r2, r11, r22, r12 – коэффициенты уравнения регрессии.
Для получения уравнения регрессии для плотности количе@ ство ударов уплотнение будет варьироваться на трех уровнях: 5, 15 и 25 ударов уплотнения. Максимальное количество ударов (25) принято по методике СН 449–72 как количество ударов при рабо@ те с песчаными грунтами.
Как было сказано выше, начальная влажность соответствует воздушно@сухому состоянию грунта. Увеличение влажности пла@ нируется с шагом 4 % путем добавления фиксированного количе@ ства воды, вычисленного по формуле
Q = P(ωтр − ωн ) 0,01, |
(3) |
где Р – объем увлажняемой пробы грунта, г; ωтр – требуемая влажность грунта, %; ωн – начальная влажность грунта, %.
Последовательное увлажнение грунта будет производиться до тех пор, когда с повышением влажности пробы при последую@
112
Геотехника территорий
щих двух испытаниях происходит последовательное уменьшение значения плотности уплотняемого образца грунта, а также когда при ударах происходит отжатие воды или выделение разжижен@ ного грунта через соединения формы.
Таким образом, выполнено планирование эксперимента в целях построения уравнения зависимости теплопроводности от влажности и плотности грунта, выполнена оценка возможности использования оборудования для теплоизоляционных материа@ лов в работе с образцами грунта, выбрана технологическая после@ довательность выполнения эксперимента.
В дальнейшем на основании разработанной методики будет проведен натурный эксперимент, результаты которого позволят получить искомую зависимость. Результаты планируется сопос@ тавить с расчетными методиками зарубежных авторов.
Библиографический список
1.Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. – М.: Грани-
ца, 2006. – 432 с.
2.Бобров И.А., Калошина С.В., Захаров А.В. Применение тепловой энергии грунтового основания для отопления и кондиционирования зданий // Вестник Перм. гос. техн. ун-та. Строительство и архитектура. – 2011. – № 1. – С. 10–14.
3.Пономарев А.Б., Захаров А.В. Использование геотермальной энергии для отопления и кондиционирования зданий // Вестник Волгогр. гос. арх.-стр. ун-та. Строительство и архитектура. – 2010. – № 17 (36). – С. 119–122.
4.Захаров А.В., Пономарев А.Б., Мащенко А.В. Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве: учеб. пособие для вузов. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 127 с.
5.Usowicz B., Usowicz L. Thermal conductivity of soils–comparison of experimental results and estimation methods // Eurosoil 2004 Congress. – Freiburg, 2004. – 10 p.
6.The Effect of Soil Thermal Conductivity Parameterization on Surface Energy Fluxes and Temperatures / C.D. Peters-Lidard, E. Blackburn, X. Liang, E.F. Wood // Journal of the Atmospheric Sciences, 1998. – Vol. 55, Issue 7. – Р. 1209–1224.
7.An Improved Model for Predicting Soil Thermal Conductivity from Water Content at Room Temperature / Sen Lu, Tusheng Ren, Yuanshi Gong, Robert Horton // Soil Science Society of America. – 2007. – Vol. 71. – Р. 8–14.
8.Филипов Т.В. Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона / Отдел науч.-техн. информ. НИИЖБ. –
М., 1982. – 53 с.
113
Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2013. № 4
References
1.Vasilev G.P. Teplokhladosnabzhenie zdanii i sooruzhenii s ispolzovaniem nizkopotencialnoi teplovoi energii poverkhnostnykh sloev Zemli [Heating and cooling of buildings and structures using low-grade heat energy of the surface layers of the Earth]. Moscow: Border, 2006. 432 p.
2.Bobrov I.A., Kaloshina S.V., Zakharov A.V. Primenenie teplovoi energii gruntovogo osnovaniya dlya otopleniya i konditsionirovaniya zdanii [The use of thermal energy subgrade for heating and cooling buildings]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo polytekhnicheskogo universiteta. Stroitelstvo i arkhitektura, 2011, no. 1, pp. 1–14.
3.Ponomarev A.B., Zakharov A.V. Ispolzovanie geotermalnoi energii dlya otopleniya i konditsionirovaniya zdanii [The use of geothermal energy for heating and cooling buildings]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitelnogo universiteta. Stroitelstvo i arkhitektura, 2010, no. 17 (36), pp. 119–122.
4.Zakharov A.V., Ponomarev A.B., Maschenko A.V. Energoeffektivnye konstruktsii v podzemnom stroitelstve. Uchebnoe posobie dlya vuzov [Energy efficient design in civil engineering: a manual for high schools]. Perm: Permskii natsionalniy issledovatelskiy polytekhnicheskiy universitet, 2012. 127 p.
5.Usowicz B., Usowicz L. Thermal conductivity of soils—comparison of experimental results and estimation methods. Eurosoil 2004 Congress. Freiburg, 2004. 10 p.
6.Peters-Lidard C.D., Blackburn E., Liang X., Wood E.F. The Effect of Soil Thermal Conductivity Parameterization on Surface Energy Fluxes and Temperatures. Journal of the Atmospheric Sciences, 1998, vol. 55, pp. 1209–1224.
7.Sen Lu, Tusheng Ren*, Yuanshi Gong, Robert Horton. An Improved Model for Predicting Soil Thermal Conductivity from Water Content at Room Temperature. Soil Science Society of America, 2007, vol. 71, pp. 8–14.
8.Filipov T.V. Rekomendatsii po primeneniyu metodov matematicheskogo planirovaniya eksperimenta v tekhnologii betona [Recommendations on the use of mathematical experiment planning in concrete technology]. Moscow: Otdel nauchno-tekhnicheskoi informatsii NIIZhB, 1982. 53 p.
Получено 5.11.13
114
Геотехника территорий
D. Medvedev, A. Zakharov
DESIGN OF EXPERIMENTS TO DETERMINE THE THERMAL CONDUCTIVITY OF SANDY SOILS EXPERIMENTAL METHODS
This article deals with the problems of experimental design for laboratory studies to obtain the dependence of the thermal conductivity of soil from its physical properties – moisture and density, assessment of the applicability of laboratory equipment, as well as developed technological sequence of experimentation.
Keywords: thermal physics of soil bases, the regression equation, the planning of the experiment.
Медведев Данил Павлович (Пермь, Россия) – магистрант кафедры строительного производства и геотехники, Пермский национальный ис следовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Ком сомольский пр., 29, e mail: danil medvedev@mail.ru).
Захаров Александр Викторович (Пермь, Россия) – канд. техн. на ук, доцент кафедры строительного производства и геотехники, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e mail: miks@pstu.ru).
Medvedev Danil (Perm, Russia) – Undergraduate student, Perm Na tional Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e mail: danil medvedev@mail.ru).
Zakharov Alexandr (Perm, Russia) – Associate Professor, Ph.D. in Technical Sciences, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky av., 29, e mail: miks@pstu.ru).
115
Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2013. № 4
УДК 624.131
С.О. Илларионов, С.В. Калошина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА ОСАДКУ
ОСНОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ЗАСТРОЙКИ
НА ОСНОВЕ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Описана методика постановки модельного эксперимента по изучению влия@ ния нового строительства на существующую застройку на этапе разработки котло@ вана под вновь возводимое здание. Приведены численные значения дополнительной технологической осадки основания существующего здания при разработке котлова@ на открытым методом.
Ключевые слова: модельный эксперимент, котлован, существующая за@ стройка, технологическая осадка.
Современное интенсивное развитие городов требует созда@ ния новых автостоянок, транспортных развязок, офисных по@ мещений, торгово@развлекательных центров и т.д., что ведет к возникновению острой нехватки земли в центральных частях города. Компенсировать эту нехватку можно посредством строи@ тельства в высоту или в глубину, а также в оба направления. Од@ нако в исторических частях города строительство в высоту мо@ жет разрушить сложившийся веками архитектурный облик го@ рода. В связи с этим в настоящее время подземное строительство является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей строительства.
Строительство в плотных городских условиях требует при@ менения таких технологий ограждения котлованов и методов разработки грунта в выемках, которые могли бы обеспечить со@ хранность окружающей застройки, существующих коммуника@ ций, транспортных магистралей [1–3].
116
Геотехника территорий
При возведении подземных частей зданий и сооружений в плотной городской застройке применяют в основном следующие способы:
1)открытый;
2)полузакрытый;
3)комбинированный.
В данной статье будет рассматриваться открытый метод раз@ работки грунта в котловане – метод, оказывающий наибольшее воздействие на окружающую застройку [1, 4].
По теме исследования был проведен модельный экспери@ мент. Целью исследований явилось установление закономерно@ стей получения дополнительной осадки основания существующей застройки от хода разработки котлована под вновь возводимое здание с учетом расстояния между ними (L) и глубины заделки ограждающей конструкции котлована (hз).
Модельный эксперимент проводился на кафедре «Строи@ тельное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета с использо@ ванием стендовой установки для испытания моделей фундамента компании «Геотек». Стенд представляет собой плоский лоток с прозрачными передней 1 и зад@ ней 2 стенками, выполненными из оргстекла толщиной 50 мм. Для исключения прогиба прозрачных стенок применены две стальные решетки 3, в узлах которых нахо@ дятся опорные шайбы 4 (рис. 1).
Лоток имеет следующие внутрен@ ние размеры: длина – 722 мм, ши@ рина – 156 мм, высота – 536 мм.
Исходя из размеров имеюще@ гося оборудования масштаб мо@ дельного эксперимента был при@ нят 1:50. Нагрузка от ленточного фундамента существующего зда@ ния моделировалась при помощи плоского штампа, на который пе@
117
Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2013. № 4
редавалась вертикальная нагрузка при помощи пневмоцилиндра. Нагрузка на штамп в масштабе эксперимента составила 6 кН, что соответствует 300 кН в натурных условиях. Автоматизация про@ цесса проведения испытаний осуществляется за счет программы «АСИС 3.2», позволяющей фиксировать вертикальные переме@ щения штампа в ходе разработки котлована.
Всего было проведено 3 серии экспериментов при расстоянии между существующим и возводимым зданием 1,5; 14; 27 м, что соответствует в масштабе эксперимента 30, 280, 540 мм. Каждый опыт повторялся 3–5 раз.
Для каждой серии эксперимента оставались постоянными такие параметры, как расстояние от ограждающей конструкции до существующей застройки (L), нагрузка на существующий фун@ дамент (P) и глубина котлована (H). Варьировалась глубина за@ делки ограждающей конструкции ниже дна котлована (hз), кото@ рая принималась равной 1,5; 5,5 и 9 м, что в масштабе экспери@ мента составляет 30, 110 и 180 мм (табл. 1).
Таблица 1
Параметры исследуемой системы в масштабе эксперимента и натурных условиях
Расстояния до |
Нагрузка на фун@ |
Глубина разраба@ |
Глубина заделки |
существующей |
дамент сущест@ |
тываемого котло@ |
ограждения ниже |
застройки (L) |
вующего здания |
вана (H) |
дна котлована (hз) |
|
(P) |
|
|
|
Первая серия |
|
|
|
|
0–180 мм (0@9 м) |
30 мм (1,5 м) |
30 мм (1,5 м) |
6 кН (300 кН) |
Шаг экскавации |
110 мм (5,5 м) |
|
|
20 мм (1 м) |
180 мм (9 м) |
|
Вторая серия |
|
|
|
|
0–180 мм (0–9 м) |
30 мм (1,5 м) |
280 мм (14 м) |
6 кН (300 кН) |
Шаг экскавации |
110 мм (5,5 м) |
|
|
20 мм (1 м) |
180 мм (9 м) |
|
Третья серия |
|
|
|
|
0–180 мм (0–9 м) |
30 мм (1,5м) |
540 мм (27 м) |
6 кН (300 кН) |
Шаг экскавации |
110 мм (5,5 м) |
|
|
20 мм (1 м) |
180 мм (9 м) |
Примечание. В скобках указаны значения параметров эксперимента в натурных условиях.
118
Геотехника территорий
В ходе эксперимента стены ограждения будущего котлована, выполненные из жесткого полимерного материала, устанавлива@ лись согласно запланированным параметрам (см. табл. 1) в пус@ том лотке, с последующим его заполнением песком средней круп@ ности. Песок укладывался слоями, с уплотнением каждого слоя трамбовкой. Плотность укладки контролировалась при помощи статического плотномера СПГ@1.
На следующем этапе передавалась нагрузка на штамп, моделирующий фундамент существующего здания. После стаби@ лизации собственной осадки штампа моделировалась поярусная разработка грунта с выдерживанием интервала времени равным 15 мин, для стабилизации дополнительной осадки штампа в процессе разработки котлована. Высота яруса разработки была принята 20 мм (1 м в натурных условиях). На глубине котлована 60 и 120 мм (3 и 6 м в натурных условиях) устанавливались распорки (рис. 2), имеющие прямоугольное сечение в поперечном разрезе и выполненные из дерева.
Рис. 2. Схема устройства котлована открытым методом с двумя уровнями распорок и заделкой ограждения (hз) ниже отметки дна котлована
119
Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2013. № 4
После обработки данных модельного эксперимента с по@ мощью программы «Статистика 6.0» были получены зависимости осадки основания существующей застройки от глубины разра@ батываемого котлована с учетом расстояния между существую@ щим зданием и котлованом L и глубины заделки ограждающей конструкции котлована hз.
В качестве примера на рис. 3 приведена зависимость допол@ нительной осадки существующей застройки Sad.t от хода разра@ ботки котлована для эксперимента 1@й серии при глубине заделки ограждающей конструкции hз = 30 мм и расстоянии между существующим зданием и котлованом L = 30 мм.
Рис. 3. Зависимость осадки жесткого штампа от хода разработки котлована при глубине заделки ограждающей конструкции hз = 30 мм, расстоянии между существующим зданием и котлованом L = 30 мм
После умножения значений дополнительной осадки основа@ ния ленточного фундамента Sad.t, полученных в ходе экспери@ мента, на масштабный коэффициент 50 были определены предпо@ лагаемые смасштабированные значения осадки ленточного фун@ дамента с нагрузкой на обрез фундамента 300 кН.
Смасштабированные значения дополнительной технологи@ ческой осадки основания существующей застройки Sad.t, полу@ ченные в ходе постановки модельных экспериментов, сведены в таблицу (табл. 2).
120