Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ Инженерный факультет

Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений

В.И. Елфимов, Л.Н. Рыжанкова

ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ

«СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ»

Учебно-методическое пособие

Для бакалавров и магистров инженерного факультета по направлению 270800 «Строительство» – ИСб (бакалавры),

специализация «Речные и подземные гидротехнические сооружения» ИСм3д (магистры),

по направлению 270800 «Строительство» очно-заочного (вечернего) отделения

Москва Российский университет дружбы народов

2013

Елфимов, В. И.

Е55 Практикум по курсу «Специальные подземные сооружения» [Текст] : учебно-методические пособие / В. И. Елфимов, Л. Н. Рыжанкова. – М. : РУДН, 2013. – 69 с.

ISBN 978-5-209-05130-5

В пособии представлены конструкции, методы расчета и способы возведения специальных подземных, заглубленных и полузаглубленных сооружений. Рассмотрены вопросы возведения подпорных стен из армированного грунта.

Для бакалавров и магистров очно-заочного и заочного отделений, изучающих курс «Специальные подземные сооружения».

©Елфимов В.И., Рыжанкова Л.Н., 2013

©Российский университет дружбы народов, Издательство, 2013

1.Общие сведения

оподземных и заглубленных сооружениях

1.1Технологическое назначение и область применения

Подземные сооружения имеют верхнее перекрытие, расположенное ниже поверхности грунта. Очень часто, находящийся на верхнем перекрытии грунт, является обратной засыпкой в отличии от ненарушенного грунта подземных сооружений конструируемых горным способом, которые в данном пособии не рассматриваются. У заглубленных сооружений верхнее перекрытие находится на одном уровне с отметкой земли и частично заглубленные сооружения имеют верхнее перекрытие выше уровня грунта (рис. 1).

Ограждающие стены являются основными конструктивными элементами таких объектов. К ним следует отнести подпорные стены и такие постоянные и временные ограждения открытых котлованов, как шпунты, подпорные сооружения из армированного грунта и др. К подземным и заглубленным сооружениям неглубокого заложения относятся также коммуникации в туннелях, каналах, лотках и устраиваемые методами бестраншейной прокладки.

Подземные и заглубленные конструкции применяются для различных целей в промышленном и городском хозяйстве.

Рис.1 Схема подземного (а), заглубленного (б) и частично заглубленного (в) сооружений; 1 – сооружение; 2 – отметка подошвы сооружения; 3 – отметка верхнего перекрытия; 4 – отметка поверхности грунта.

На промышленных подземных сооружениях размещают производства различного технологического оборудования: корпуса первичного дробления руды; приемные устройства перерабатываемого сырья на предприятиях строительных материалов; непрерывная разливка стали; вагоноопракидывателей; подземные этажи или подвальные помещения различных предприятий и др. В этот перечень необ-

3

ходимо включить различные транспортные и коммуникационные тоннели; гаражи, подземные парковки и т.д. Глубина таких сооружений обусловлена различными технологическими требованиями.

Вгородском хозяйстве ведется строительство водопроводноканализационных подземных и заглубленных сооружений – по водозабору, перекачке воды, емкостей для ее хранения, а также станций по перекачке сточных вод, их очистке и обеззараживанию.

Вподземном пространстве городов размещают крупные комплексы объектов культурно – бытового назначения и инженерного назначения.

Область применения поземных сооружений непрерывно расширяется, и, несмотря на то, что подземная урбанистка как наука возникла недавно, уже накоплен определенный теоретический и практический опыт, способствующий развитию этого направления в градостроительстве.

1.2Основные понятия о способах строительства подземных сооружений, типы сооружений, конструктивные решения и их элементы

Подземные и заглубленные сооружения, различные по технологическому назначению и областям применения, глубине и размерам

вплане, расположенные отдельно или под наземными сооружениями

вкомплексе с другими помещениями, объединяет общность способов строительства. Основными способами являются:

•строительство в открытых котлованах и траншеях с откосами, с укреплением стен котлованов шпунтом или другими видами креплений;

•способ подращивания;

•способ опускного колодца и кессонный;

•«стена в грунте»;

•способ бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.

Вобводненных грунтах при строительстве подземных и заглубленных сооружений в зависимости от гидрологических и грунтовых условий применяют различные вспомогательные способы водопонижения и водоотлива, замораживания, закрепления грунтов и др.

Классифицировать подземные и заглубленные сооружения следует по следующим признакам: назначению, расположению относительно поверхности грунта, способам строительства, форме в плане, конструктивным решениям и материалам.

По техническому назначению и области применения подземные и заглубленные сооружения можно подразделить на промышленные,

4

гражданские, транспортные, гидротехнические, сельскохозяйственные, для водопроводноканализационных объектов и другие.

По расположению относительно поверхности выделяют подземные, заглубленные, полу - или частично заглубленные сооружения.

Кроме указанных основных способов строительства – в открытых котлованах или траншеях, с ограждением стен котлованов шпунтом, опускного колодца, кессонов, подращивания, «стен в грунте», известны т.н. комбинированные способы. Однако, такие решения могут быть только вынужденными из-за невозможности использования какого - либо одного способа чаще всего по грунтовым условиям.

В практике строительства подземных и заглубленных сооружений используются самые различные конструктивные решения. Их выбор зависит от многих факторов, основными из которых являются объемно-планировочные решения, способам возведения, условия работы сооружения в период строительства и эксплуатации, инженерно - и гидрогеологические условия строительства, принятые конструктивные и расчетные схемы, а также применяемые материалы.

Кроме того, условия работы большинства подземных и заглубленных сооружений в период строительства и эксплуатации значительно отличаются, что вызывает разное напряженнодеформированное состояние всего сооружения и его конструктивных элементов, учитываемое различными схемами и конструктивными решениями. Так большинство сооружений в период строительства имеют свободными два конца. В период эксплуатации днище, перекрытия, внутренние стены служат дополнительными опорами, что принципиально меняет расчетные и конструктивные схемы сооружения. Существенно в этот период отличаются нагрузки и воздействия от грунтового массива.

Основными конструктивными элементами таких сооружений являются ограждающие конструкции: внешние стены и днище. Внутренние конструктивные элементы имеют некоторые особенности, которые отличаются от конструкций наземной части зданий. Подземные и заглубленные сооружения строят преимущественно из монолитного, сборно-монолитного и сборного железобетона, что во многом определяет их конструкции и поэтому в дальнейшем подробно будут рассмотрены именно эти конструкции из этих материалов.

Для подземных и заглубленных сооружений промышленного и гражданского назначения диапазон глубин их заложения колеблется от 2 – 7 м для фундаментов, строящихся открытым способом, для сооружений, строящихся подземным способом, глубина заложения ко-

5

леблется в пределах 3 – 15 м для подвалов зданий. Для отдельно стоящих сооружений при способах строительства методами опускного колодца и др. глубина заложения достигает уже 20 – 30 м. В современном строительстве подземные комплексы устраивают уже на глубину 50 – 100 м и более.

Для подземных и заглубленных сооружений инженерногеологические изыскания, а в их составе – инженерно-геологическая разведка, является основными, потому что такие сооружения в процессе строительства и эксплуатации взаимодействуют с окружающимися их грунтами. Находясь полностью или частично во вмещающейся их среде, они подвергаются действию вертикального и горизонтального давления грунта и воздействию подземных вод. При контакте вертикальной поверхности сооружения с грунтом возникает сила трения, значительно влияющие на совокупность многих факторов работы сооружения и процессе строительства. Эти нагрузки являются наиболее существенными при расчете сооружений и их элементов. Поэтому грунтовые условия во многом определяют выбор способа и технологию строительства, конструктивные решения и методы производства работ.

1.3Основные физико-механические характеристики грунтов

Всостав грунтов входят кроме минеральных частиц, вода и воздух. Такие грунты, состоящие из частиц, находящие в твердом, жидком и газообразном состоянии, называются многофазными. Физикомеханические свойства грунта зависят от соотношения этих фаз в единице его объема. Показатели строительных свойств грунтов, характеризующие их несущую способность и взаимодействия сооружения с вмещающей средой, зависят от состава, состояния и физикомеханических свойств.

Строительные свойства грунтов зависят от многих факторов и, в том числе, от их физико-механических характеристик.

К физическим показателям грунтов, характеризующим их свойства в природных условиях, относятся:

• плотность грунта ρ = M , т/м3

Vоб.

• плотность сухого грунта ρсух= Мсух , т/м3

Vоб

6

•массовая влажность W= Мводы , в долях единицы

Мсух

•граница текучести WL

•граница раскатывания Wp

По этим характеристикам вычисляются:

Из сопоставления: IK = 1 - IL..

Показатели механических свойств грунтов характеризуют грунт во взаимодействии с нагрузками от сооружения. Их разделяют на деформационные и прочностные показатели.

Прочностные – характеризуют несущую способность грунта, к ним относятся: угол внутреннего трения φ, сцепление С, предел прочности на одноосное сжатие Rс и др.

Деформационные – характеризуют способность грунта менять форму сложения и объем под нагрузкой, к ним относятся: модуль де-

Инженерно-геологическое опробование грунтов производят с целью получения нормативных и расчетных значений показателей фи-

7

зико-механических свойств грунтов применительно к расчетным схемам сооружения и основания. Механические показатели грунтов определяются как в полевых условиях, так и в лабораторных. При полевых исследованиях грунт изучают в условиях его естественного залегания, в работу вовлекаются большие объемы гранта, следовательно, точность определения показателей будет, выше чем в лаборатории, грунт может исследоваться на глубину до 20 м.

Лабораторные исследования позволяют изучать механические свойства образцов грунтов естественного сложения и влажности, но очень в небольших размерах, по сравнению с полевым методом, поэтому точность этих исследований ниже.

Инженерно-гидрогеологические и инженерно-геологические изыскания проводятся одновременно, и каждая из скважин используется для обоих видов изысканий. По результатам инженерногидрогеологических изысканий определяется тип подземных вод, состав водовмещающих пород и условия залегания водоносных горизонтов. К гидрогеологическим параметрам относится: коэффициент фильтрации (водопроводимости), коэффициент недостатка насыщения и водоотдачи, коэффициент уровнепроводности (пьезопроводности), коэффициент перетекания, удельное водопоглащения, удельное воздухопоглащение. При бурении скважин на глубину 100 – 150 м могут быть обнаружены все типы подземных вод: почвенные, верховодка, грунтовые и межпластовые, поэтому при использовании метода подземного строительства необходимо проводить исследования на указанную глубину. При строительстве подземных сооружений, как правило, обеспечивается снижение уровня всех видов подземных вод для разработки грунта, устройства днища, возведения внутренних конструкций и монтажа оборудования. По окончании строительства подземного сооружения, т.е. на время эксплуатации уровни грунтовых вод восстанавливаются. Учитывая всю сложность строительства подземных сооружений, в сочетании с их большой стоимостью, следует подчеркнуть особую ответственность инженерных изысканий для строительства таких сооружений.

2.Нагрузки, действующие на подземные сооружения

2.1Виды нагрузок и их классификация

Сооружения взаимодействуют с грунтовой средой во время строительства и эксплуатации по-разному. В начале у большинства сооружений боковое давление грунта является основной нагрузкой и передается только на ограждающиеся стены или их часть. Как прави-

8

ло, стены имеют в этот период два свободных края верхний и нижний. После окончания опускания сооружения днище бетонируется и происходит перераспределение действующих усилий и нагрузок.

После устройства внутри сооружения колонн и перекрытий происходит дальнейшее перераспределение усилий и нагрузок за счет изменения общей жесткости сооружения и характера его взаимодействия с грунтом.

Нагрузки, действующие на сооружение, зависят не только от типа грунтов, но и от назначения сооружения, их конструктивных решений, способа их строительства.

Многие подземные и заглубленные сооружения имеют также и надземную часть, поэтому при расчетах рассматривается система «надземная часть – сооружение – грунт». Хотя нагрузки от грунта являются основными, при расчетах рассматриваются все виды нагрузок и выявляются возможные неблагоприятные сочетания нагрузок и взаимодействий. На сооружения могут действовать следующие виды нагрузок:

•от собственного веса грунта – вертикальные и боковые;

•от действия усилий, приложенных на поверхности грунта;

•от надземной части зданий, передаваемые непосредственно на сооружение;

•от надземной части зданий, передаваемые через грунт;

•от собственного веса самого сооружения;

•от подземных вод;

•от глинистых растворов;

•от заполнения емкостных сооружений водой и другой жидкостью или сыпучими материалами;

•сосредоточенные нагрузки от анкеров или распорных конструкций;

•нагрузки от технологического оборудования, расположенного непосредственно в сооружении.

Всоответствии с нормами нагрузки и воздействия могут быть постоянными, временными и особыми. Постоянные – это такие нагрузки и воздействия, как собственный вес грунта и сооружения, т.е. постоянно действующие на сооружения при строительстве и эксплуатации. Временные – это нагрузки, которые действуют в течение како- го-то периода, например, транспортные. Они могут быть длительно действующими и кратковременными.

9

К особым нагрузкам относятся сейсмические, ударные и другие воздействия, возникающие при строительстве и эксплуатации сооружения.

Расчет сооружения должен выполняться на наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок или соответствующие им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы сооружения с учетом возможных проявлений различных схем приложения временных нагрузок или отсутствия некоторых из них. При этом различают:

1.основное сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных и кратковременных;

2.особое сочетание, состоящее из постоянных, длительных, кратковременных нагрузок и одной особой.

Основной нагрузкой для подземных сооружений является давление грунта. По своему направлению оно может быть вертикальным, действующим сверху вниз; вертикальным, действующим снизу вверх; горизонтальным (боковым).

По характеру взаимодействия грунта с ограждающими стенами выделяют следующие виды бокового давления грунта: активное, пассивное и давление грунта в состоянии покоя. Активное и пассивное давление – это предельное давление грунта.

Активное давление возникает, когда происходит поворот или смещение стенки по направлению от грунта, а часть грунта (призма обрушения) перемещается на стенку, передавая на нее давление (напор).

Пассивное давление возникает, когда стенка под действием внешних сил поворачивается (смещается) на грунт. Она испытывает в этом случае реактивное сопротивление грунта (отпор), зависящее от веса выпираемого грунта и направленное навстречу перемещению стенки.

Давление грунта в состоянии покоя – это допредельное давление грунта, находящегося в состоянии упругого равновесия, передается грунтовым массивом с ненарушенной структурой при отсутствии перемещений на неподвижные жесткие ограждающие конструкции сооружений. Необходимо учитывать, что давление грунта в состоянии покоя имеет условный характер, т.е. является фиктивной нагрузкой. Активное давление грунта имеет минимальное значение, а пассивное

– максимальное. Давление грунта в состоянии покоя занимает промежуточное значение. Фактическое давление грунта зависит от пере-

10