книги / Подземное строительство

σz = σx = σy = γz.

При проходке выработки (рис. 6.4) вес столба массива над ней перераспределяется на боковые части, вследствие чего на контуре выработки возникает концентрация напряжений. Если напряжения в местах наибольшей концентрации не превышают прочности пород, то выработка устойчива, и ее крепление не требуется. Если концентрация напряжений превышает прочность породы на одноосное сжатие, то вокруг выработки развивается зона разрушенной породы, а максимум напряжений смещается от стенки выработки в глубь массива, в область всестороннего сжатия.

Разрушенную породу в кровле и стенках выработки необходимо поддержать с помощью крепления, в противном случае она обрушится в выра-

ботку, а зона разрушений вокруг выра-

ботки разрастется. Величину давления, Рис. 6.4. Концентрация напряжений воспринимаемого креплением выра- в стенках выработки

ботки, называют горным давлением.

Точный аналитический расчет величины горного давления крайне затруднителен ввиду сложности физико-механических свойств горных пород, особенно в пределах неупругой зоны, где состояние породы изменяется от почти монолитного на внешнем контуре зоны до почти полностью раздробленного на контуре выработки.

221

по боковым поверхностям – проявление арочного эффекта. Таким образом, при абсолютно жесткой крепи, не допускающей никаких подвижек столба породы вниз, и мобилизации арочного эффекта, горное давление было бы равно yz. При податливой крепи за счет арочного эффекта давление снижается.

Величина его составляет:

где ξ – коэффициент бокового распора грунта, обычно принимаемый равным 1; γ, с, ϕ, – удельный вес, сцепление и угол внутреннего трения грунта соответственно.

где ϕk – значение «кажущегося» угла внутреннего трения грунтового массива, ϕk = arctgf; f – коэффициент крепости породы.

Вертикальное давление σv от веса породы свода обрушения и горизонтальное давление σг сдвигающихся боковых призм определяется как

222

Коэффициент крепости породы f, по определению профессора Протодьяконова, равен 0,1Rс, где Rс – прочность кубика породы на одноосное сжатие, МПа (для пород с величиной Rс >> 10 МПа). Для ряда дисперсных грунтов ориентировочные значения коэффициента крепости таковы:

Наряду с упрощенными и инженерными схемами расчета горного давления все большее применение находят численные методы механики сплошных и дискретных сред, требующие весьма подробной информации о механических свойствах массива и крепи, получение которой является сложной самостоятельной проблемой.

Достоверность расчетов горного давления по той или иной схеме невысока, поэтому при начале строительства крупного сооружения организуются экспериментальные измерения горного давления. Для этого между креплением и породными стенками укладываются плоские подушки из листового металла, заполненные внутри маслом. Давление в масле, пропорциональное горному давлению, измеряется манометрами. На основании результатов измерений корректируются проектные решения по конструкции крепления.

6.5. Давление подземных вод

Давление подземных вод на обделку подземных сооружений определяется выражением

где Н – напор воды, м; γw – удельный вес воды в принятой системе единиц (10 кН/м3).

Интенсивность дополнительного горизонтального давления грунта, обусловленного наличием грунтовых вод Рw, кПа, на расстоянии уw, от верхнего уровня грунтовых вод (рис. 5,3 а) определяется по формуле

где е – пористость грунта; γf – коэффициент надежности по нагрузке, принимается равным 1,1.

223

Если обделка подземного сооружения имеет наружную гидроизоляцию, то давление грунта и воды развивается по наружной поверхности обделки. Если же обделка двухслойная, со слоем гидроизоляции в середине, то грунт оказывает давление по наружной поверхности обделки, а подземные воды давят на слой гидроизоляции. Гидростатическое давление воды снизу может вызвать всплытие сооружения. Аналогично при заполнении подземного сооружения (резервуара) жидкостью она будет оказывать давление на слой гидроизоляции изнутри.

Из прочих видов нагрузок при расчетах подземных и заглубленных сооружений учитываются временные нагрузки при возможных перекосах опускных колодцев; давление тиксотропного раствора при опускании колодца в тиксотропной рубашке; местные нагрузки на поверхности от зданий, механизмов; динамические и сейсмические нагрузки.

6.6.Конструкции стен подземных сооружений

исхемы их расчета

Наружные стены подземных сооружений выполняют из каменной кладки, бетонных блоков, сборных железобетонных панелей или оболочек, монолитного бетона и железобетона. Выбор материала обусловливается технологическими и технико-экономическими соображениями, требованиями долговечности, водонепроницаемости, условиями производства работ, наличием средств механизации.

Для сборных железобетонных конструкций применяют бетон по прочности на сжатие класса В20 – В40, для монолитных железобетонных конструкций – В15 – В30. Предварительно напряженные железобетонные конструкции выполняют из бетона класса В30 – В60.

Из каменной кладки и сборных бетонных блоков выполняют, как правило, только стены одноэтажных подземных сооружений и подвалов. При этом используют хорошо обожженный полнотелый красный кирпич пластического прессования марки не ниже 200 на растворе марки не ниже 25, а при очень влажных грунтах – не ниже марки 50. Применение силикатного кирпича не допускается. Бетонные блоки делают из бетона марок В10 и В15.

Места сопряжения стен (углы, примыкания, пересечения), выполненные из каменных материалов и бетонных блоков, усиливают арматурой класса А-1 в виде отдельных стержней или сеток. Швы между бетонными блоками при водонасыщенных грунтах выполняют из водонепроницаемого раствора на безусадочном или расширяющемся и само-

224

напрягающемся цементе, либо на портландцементе с уплотняющими добавками в случаях, когда необходимо повысить жесткость стен из блоков на воздействие горизонтальной нагрузки, в вертикальные стыки, специально выполненные без перевязки, вводят арматурные каркасы.

Взоне сезонного промерзания стены могут подвергаться попеременному замораживанию и оттаиванию. Марка материалов по морозостойкости подбирается в зависимости от температурного режима и тре-

буемой долговечности сооружения и принимается не менее Мрз15 для каменных материалов и F50 для тяжелого бетона.

Стены подземных сооружений подразделяются на массивные и гибкие. Массивные стены из каменной кладки, бетона и бетонных блоков, малоармированного железобетона работают в основном на внецентренное сжатие. Гибкие стены выполняют из монолитного и сборного железобетона. Они воспринимают изгибающие моменты и растягивающие силы. При применении гибких стен из сборных элементов стыки могут быть рабочими и нерабочими – конструктивными.

Массивные стены применяют при строительстве сооружений гражданской обороны, неглубоких (до 3 м) одноэтажных подземных сооружений и подвалов и небольшой нагрузке (до 10 кПа) на прилегающей поверхности, при возведении глубоких подземных сооружений методом опускного колодца, погружаемых без тиксотропной рубашки.

Определяющими факторами при назначении расчетной схемы стен подземного сооружения являются: конструктивная схема сооружения; конфигурация сооружения в плане и разрезе; способ возведения сооружения (открытый, закрытый и т.п.); последовательность производства работ при возведении сооружения; материал стен; технология возведения стен; конструкция каркаса и опорных элементов (поясов, рам, распорок, анкеров), обеспечивающих устойчивость и прочность стен; конструктивные решения сопряжения стен с другими элементами сооружения.

Применяются три конструктивные схемы подземных сооружений: бескаркасная, каркасная с полным каркасом, каркасная с неполным каркасом. При бескаркасной системе перекрытия опираются на внешние и внутренние стены. Сооружение с полным каркасом состоит из стен, колонн, ригелей, плит перекрытия. Колонны у наружных стен связаны со стенами. В сооружениях с неполным каркасом колонны у наружных стен отсутствуют либо имеются лишь в торцах сооружения.

Всооружениях с полным каркасом применяются продольный и поперечный виды расположения ригелей, в сооружениях с неполным каркасом используется, как правило, продольное расположение ригелей.

225

Конфигурация подземных сооружений в плане бывает круглой, прямоугольной, многоугольной, овалоидальной, а конфигурация в разрезе – круглой, прямоугольной, сводчатой.

В дальнейшем будут рассмотрены методы расчета только вертикальных стен круглых и прямоугольных в плане сооружений. Расчеты стен более сложных очертаний и обделок подземных сооружений, возводимых закрытым способом, рассматриваются в специальной литературе.

Наружные стены подземных сооружений могут быть несущими и самонесущими. Самонесущие стены воспринимают только боковую (горизонтальную) нагрузку, а несущие стены, кроме того, воспринимают нагрузку от перекрытий, покрытия или надземной части сооружения.

Важнейшие факторы, влияющие на условия работы стен, – наличие опорных элементов, обеспечивающих прочность и устойчивость стен, а также последовательность введения опорных элементов в работу в процессе возведения сооружения. В бескаркасных подземных сооружениях устойчивость стен может обеспечиваться за счет: временных или постоянных анкерных креплений и распорок; защемления нижних частей стен в грунтовом массиве; распределительных рам и поясов жесткости, контрфорсов и т.п. Обычно применяют комбинацию опорных элементов разных видов. В сооружениях, имеющих каркас, в процессе строительства часто используют и временные распорные устройства. Например, при строительстве методом «стена в грунте» по технологии «снизу–вверх» котлован сразу отрывают на полную глубину, поскольку опорные элементы каркаса в этот период отсутствуют, устойчивость и прочность стен обеспечивают с помощью временных распорок или анкерных устройств.

Расчетная схема стены зависит от относительных размеров сторон стены. Для прямоугольных сооружений стены будут работать в условиях плоской деформации, если их длина L превышает высоту Н более чем в 3 раза. Тогда любой участок размером 1 м по длине стены, выделенный двумя поперечными сечениями, будет работать в одинаковых условиях с другим подобным участком, так как они имеют одинаковую жесткость и одинаковые внешние нагрузки. Этот участок рассчитывается по схеме подпорной стенки на изгиб в вертикальной плоскости. Если отношение длины стены к высоте меньше трех, тогда необходимо учитывать изгиб и в горизонтальной плоскости.

С учетом вышеизложенного для вертикальных стен круглых, прямоугольных или многоугольных в плане сооружений выделяют четыре основные расчетные схемы стен:

226

1.Схема гибкой консольной подпорной стенки, устойчивость которой обеспечивается за счет защемления в грунте ее нижней части;

2.Схема гибкой подпорной стенки, устойчивость которой обеспечивается за счет защемления в грунте ее нижней части и дополнительных опорных элементов в верхней части (распорок, анкеров);

3.Схема замкнутого круглого или многоугольного кольца (в плане), устойчивость которого обеспечивается за счет пространственной жесткости сооружения;

4.Схема замкнутого круглого или многоугольного кольца, устойчивость которого обеспечивается за счет пространственной жесткости и дополнительных опорных элементов.

Стены одного и того же сооружения должны рассчитываться по различным расчетным схемам в зависимости от стадии и способа строительства сооружения, технологии возведения и материалов стен, последовательности производства работ.

Например, при возведении многоэтажного подземного сооружения с неполным каркасом способом «стена в грунте» методом «сверху-вниз» стены рассчитывают с учетом поэтажного извлечения грунта изнутри сооружения. Вначале стену рассчитывают по схеме 1 при глубине котлована, которая необходима для устройства опор верхнего яруса. Затем рассчитывают стену по схеме 2 при глубине котлована, необходимого для устройства опор второго яруса. Стена рассчитывается как одноанкерная тонкая подпорная стенка. Далее выполняются аналогичные расчеты до тех пор, пока котлован не будет выбран до проектной отметки низа днища. Стена в этом случае рассчитывается либо по схеме неразрезной балки на нескольких опорах, загруженной горизонтальным давлением, либо по схеме 4 с учетом пространственной жесткости сооружения.

227

Глава 7. ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В предыдущих разделах пособия уже приводились не только достижения строителей и проектировщиков, но и проблемы, с которыми им приходилось сталкиваться при непосредственном возведении подземных сооружений в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, а также в условиях плотной городской застройки.

В частности, наиболее опасными видами работ при подземном строительстве вблизи существующих зданий и сооружений признаны [11]:

–разработка котлованов и траншей, прокладка подземных коммуникаций, тоннелей, особенно с использованием водопонижения и без крепления стенок котлованов и траншей;

–динамические нагрузки на основания существующих зданий от погружения вблизи них шпунта или свай;

–вибрационные или динамические воздействия от транспорта, метрополитена, производственного оборудования.

При этом к неблагоприятным последствиям таких воздействий на окружающую среду обычно относят:

–изменения уровня подземных вод;

–возникновение карстово-суффозионных процессов;

–снижение значений механических характеристик грунтов при их замачивании;

–возникновение аномалий теплового, электрического и других физических полей, развитие процессов, обусловленных динамическими и вибрационными воздействиями;

–эколого-биологические, радиационные и другие виды загрязнения среды.

Как отмечает проф. Р.А. Мангушев [5] с соавторами, «выявить развитие неблагоприятных тенденций в период производства работ нулевого цикла, возведения сооружения и в первый период его эксплуатации позволяют регулярное инструментальное наблюдение и оперативное управление

ходом работ – геотехнический мониторинг (геомониторинг). Его цель –

обеспечение качества и соответствия техническим регламентам возводимых строительных конструкций и зданий и сооружений окружающей застройки, а задачи – регулярное отслеживание поведения строящегося сооружения, окружающих зданий и их грунтового основания, а также принятие мер по обеспечению дальнейшего безопасного строительства».

228

Проф. В.И. Теличенко и его коллеги выделяют такие составные части системы геомониторинга:

–расчетный (программа дополнительных инженерно-геологических

игидрогеологических изысканий, численное моделирование, сбор нагрузок, определение расчетного сопротивления грунта и дополнительных осадок);

–проектно-конструктивный (план противоаварийных мероприятий (рекомендаций) по усилению, план защитных мероприятий при ухудшении экологии);

–визуально-инструментальный (системы наблюдений за надзем-

ными сооружениями вокруг объекта подземного строительства; за деформациями конструкций возводимого сооружения; за состоянием окружающего массива грунта; гидрогеологическая; за экологической обстановкой);

–аналитический (анализ данных математического моделирования, оценка результатов обследования сооружения и окружающей застройки, прогноз поведения сооружения и окружающих зданий).

В общем случае выделяют следующие методы геомониторинга:

–фиксация раскрытия трещин в несущих строительных конструкциях существующих окружающих зданий;

–точные (обычно второго класса с точностью ± 1 мм) геодезические наблюдения за вертикальными и горизонтальными деформациями оснований, фундаментов и несущих строительных конструкций зданий

исооружений;

–определение (как инструментальное, так и с использованием апробированных геотехнических программных комплексов) изменений напряженного состояния в основаниях, фундаментах и несущих строительных конструкциях зданий и сооружений;

–фиксация параметров колебаний несущих конструкций объектов мониторинга и соответствующих динамических колебаний в грунтах;

–контроль за колебаниями уровня грунтовых вод;

–контроль за точностью и качеством устройства свай;

–контроль за качеством выполнения монолитных бетонных и железобетонных конструкций;

–контроль за качеством выполнения земляных работ (технологии откопки котлована, крепления его стенок, водопонижения, устройство искусственного основания и т.п.);

–технический контроль за состоянием возводимых конструкций.

229

По функциональному назначениюгеомониторинг состоит из разделов:

–объектного (наблюдения за состоянием оснований, фундаментов, несущих конструкций самого подземного сооружения, окружающих его зданий и объектов инфраструктуры);

–геолого-гидрологического (система режимных наблюдений за изменениями состояния грунтового массива, уровней и состава подземных вод, развитием эрозионных, оползневых процессов, карстово-суффозионных явлений, оседания земной поверхности и др.);

–эколого-биологического (система наблюдений за изменениями окружающей природной среды, радиационной обстановки и др.);

–аналитического (анализ и оценка результатов наблюдений, моделирование взаимодействия подземного сооружения, окружающих его зданий и объектов инфрастуктуры с окружающим грунтовым массивом путем использования пространственных (иногда плоских) версий апробированных комплексов метода конечных элементов при упругопластических моделях грунта; сравнение прогнозируемых величин параметров

срезультатами натурных измерений; разработка мероприятий по предупреждению или устранению зафиксированных или прогнозируемых негативных последствий на объекты геомониторинга).

Геомониторинг чаще всего включает в себя три этапа:

–подготовительный (период, включающий предварительную оценку технического состояния сооружения, установку маяков (рис. 7.1) или датчиков на существующие трещины с указанием даты их постановки, устройство поверхностных (стеновых) марок, обычно на уровне цоколя, в несущих стенах зданий (рис. 7.2) для фиксации их осадок, установку оборудования для регулярных инструментальных наблюдений (датчики напряжений, послойных деформаций грунта, инклинометры, датчики порового давления, сейсмодатчики), тарировку его, снятие «нулевых» отсчетов, устройство скважин для контроля уровня грунтовых вод);

–рабочий строительный (период регулярных геодезических наблюдений за сооружениями (определяются осадки, просадки, подъемы основания, их горизонтальные перемещения, крены сооружений, углы наклона подошвы фундаментов), фиксация показаний датчиков, оценка качества уложенного бетона, контроль параметров свай, корректировка технологических строительных мероприятий и т.д.);

–послестроительный (период продолжения наблюдений за сооружениями, особенно получившими наиболее опасные деформации).

По данным процесса нивелирования поверхностных или глубинных осадочных марок от стационарного репера определяют: полную осадку каждой марки нарастающим итогом; максимальную и минимальную

230