книги / Подземное строительство

Обоснование принятых решений по устройству свайных фундаментов и крепления их основания в зоне подземных выработок в пятне жилых секций проверялось численным моделированием МКЭ напряженнодеформированного состояния (НДС) основания свайно-плитного фундамента.

При моделировании МКЭ НДС системы «здание – свайно-плитный фундамент – основание с подземными выработками» («здание – свайноплитный фундамент – основание в зоне подземных выработок») использованы плоская и пространственная расчетные схемы. Моделирование плоской схемы (2D) выполнено в программном комплексе Plaxis 8.2 Profesional Version, пространственной схемы (3D) – в Plaxis 3D Foundation (Version 1.6).

Свойства и параметры инженерно-геологических элементов (ИГЭ), из которых состоит основание свай, фундаментной плиты и ограждения котлована приведено в табл. 7.1 и 7.2.

При этом для имитаци поведения грунта приняты следующие модели: 1) упругопластическая с критерием прочности Мора – Кулона (МС); 2) упрочняющаяся модель Hardening Soil Model (HSM); 3) модель скального грунта Jointed Rock model (JRM). Вид модели использовался в соответствии со свойствами напластования грунта. Для моделирования бетона использована линейная упругая модель (Linear Elastic).

Для разграничения между упругим поведением тела сваи, где небольшие перемещения, и окружающего их грунтового массива, где возможно пластическое поведение с критерием прочности Кулона – Мора, использован интерфейс (interface strength). Это сделано для избежания появления пиковых напряжений и деформаций, которые не имеют реального физического смысла. Чтобы интерфейс остался упругим, напряжения сдвига должны удовлетворять выражению

|τ| < σn·tan(φi) + ci,

а для пластического поведения

|τ| = σn·tan(φi) + ci

где φi, ci – угол внутреннего трения и удельное сцепление интерфейса). В этом случае использован параметр Rinter = 0,7. Следовательно, характеристики прочности интерфейса меньше, чем у окружающего его грунта. Пространственная жесткость всех конструктивных элементов рассчитывалась в соответствии с проектными решениями здания.

241

Таблица 7 . 2

Механические модели и физико-механические свойства конструктивных элементов (для плоской расчетной схемы)

При использовании пространственных расчетных схем выполнены упрощения: 1) надземная и подземная часть здания заменялась объемными элементами (кластерами) по линейно-упругой модели с приведенными характеристиками: модуль упругости Е = 30 МПа, коэффициент Пуассона ν = 0,20, удельный вес γ = 44 кН/м3 (удельный вес соответствует весу всего здания, деленному на объем его подземной части, для имитации давления на основание); 2) буроинъекционные сваи и массив грунта вокруг них представлены как единое целое квазиоднородное тело конечной жесткости, которое характеризируется приведенными модулями общей упругости (Eпр) и коэффициентами Пуассона (νпр), а удельный вес определялся как средневзвешеннаявеличина между грунтом и бетоном по площади.

Для определения параметров квазиоднородного тела конечной жесткости использована методика проф. З.Г. Тер-Мартирасян. При этом для эквивалентного свайно-грунтового массива определены такие характеристики: Eпр = 200 МПа, νпр = 0,25, γпр = 20 кН/м3. Пространственная конечноэлементная расчетная схема для моделирования взаимного влияния фундаментови основания с подземными выработкамиприведена на рис. 7.10.

Задача выполнялась поэтапно: 1) гравитационная загрузка расчетной области с существующими подземными выработками собственным весом грунта и моделирование начального НДС массива (Gravity Loading); 2) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от возведения секции №1 (Sextion1) (рис. 7.11); 3) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от возведения секции №2 (Sextion2)

244

(рис. 7.12); 4) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от секции №3 (Sextion3) (рис. 7.13).

Секция № 1

Секция № 2

Секция № 3

Подземные выработки на глубине 16,5 м от поверхности земли

Рис. 7.10. Пространственная расчетная схема для моделирования взаимного влияния фундаментов и основания с подземными выработками секций № 1, 2 и 3

Сваи усиления и рабочие сваи, которые попали в пятно подземной выработки

Гидрозамыв подземной полости

Подземные

выработки

Рис. 7.11. Расчетная пространственная КЭ схема 2-го этапа моделирования с выключенными кластерами ИГЭ-1…ИГЭ-5

245

При имитации выемки котлована для уменьшения величины подъема его дна применялась модель HSM с модулем упругости, в 10 раз большим модуля деформации. Получены максимальные вертикальные перемещения основания свайно-плитного фундамента после строительства секции № 1 – S = 9,9 см. Крен фундаментной плиты в сторону подземной выработки составил менее i = 0,0008.

Максимальные вертикальные перемещения основания после строительства секции № 2 составят S = 8,6 см (рис. 7.14), а крен фундаментной плиты – менее i = 0,0006. Дополнительные осадки секции № 1 от возведения секции № 2 будут около Sдоп = 1,5 см, а крен фундаментной плиты – i = 0,0016.

Максимальные вертикальные перемещения основания от возведения секции № 3 составят S = 9,9 см (рис. 7.14), крен плиты в сторону подземной выработки – до i = 0,0008. Дополнительные осадки секции № 2 от возведения секции № 3 составят около Sдоп = 1,8 см при крене фундаментной плиты – i = 0,0016. Влияния строительства секции № 3 на секцию № 1 не будет. Максимальные суммарные осадки и крен не превысят предельно допустимые значения строительных норм (Su = 18 см, iu = 0,005).

Для пятна жилой секции №2 дополнительно выполнено моделирования в плоской постановке по двум опасным сечениям – вдоль и поперек выработки. Задача решена поэтапно: 1) гравитационная загрузка расчетной области собственным весом грунта и определение начального НДС грунтового массива (Gravity Loading); 2) устройство ограждения котлована и выемка грунта (Pit Excavation), приложение; 3) выполнение гидрозамыва выработки песком средней крупности (Tamponag); 4) устройство основных и усиливающих буроинъекционных свай (Pile Instalation); 5) устройство плиты и ее проектная загрузка от веса здания

(Foundation Plate & Loading) (рис. 7.15).

246

Глава 8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

К вопросам эксплуатации подземного сооружения относятся: поддержание требуемого температурно-влажностного режима и состава атмосферы, освещение, водоотлив и канализация, ремонт.

8.1. Поддержание температурного режима

Температура воздуха в подземных помещениях определяется назначением сооружения: в складских помещениях обычно +5…15° (в складах химических товаров, мехов, бумаги +16…25°). Влажность воздуха обычно требуется 70–80 % (для складов, в которых хранятся меха, кожа – 40–50 %). В складах замороженных продуктов температура должна быть ниже –18…–20°, в складах охлажденных продуктов – (– 3...+4°), во фруктохранилищах – (–1...+7°), в изотермических хранилищах сжиженного пропана – (–42,9°).

Заданная температура в подземном помещении обеспечивается системой отопления или охлаждения.

Потребная производительность нагревательных (охлаждающих) установок определяется с учетом: Q1 – теплообмена с окружающей средой; Q2 – теплообмена с поступающими в помещение материалами; Q3 – затрат тепла (холода) на нагрев (охлаждение) поступающего воздуха; Q4 – тепла, выделяемого людьми, осветительной аппаратурой, механизмами.

Затраты Q2,3,4 рассчитываются так же, как для поверхностных сооружений.

Теплообмен с окружающей средой Q1 у подземных сооружений значительно ниже, чем у поверхностных, из-за низкой теплопроводности пород. Если поддерживаемая в выработке температура отличается от естественной температуры пород, то вокруг выработки устанавливается зона ее температурного влияния. Расчет теплового потока от выработки в массиве можно вести, условно считая, что выработка окружена стеной, толщина которой равна радиусу влияния. Теплопотери (или холодопотери) через 1 м2 поверхности (Q, Вт) цилиндрической выработки составляют:

249

где λ – коэффициент теплопроводности (для большинства пород 1– 4 Вт/(мК)); t0, tc – природная температура пород и температура стенки выработки соответственно, К; R, r – радиусы теплового влияния и выработки, м.

Поскольку радиус теплового влияния R входит в формулу под знаком логарифма, ошибки в его определении не сильно сказываются на результатах расчетов. С достаточной степенью точности можно принимать R ≈ 4r.

Температура на стенках выработки tc отличается от температуры воздуха. Для ее определения необходимо рассмотреть дополнительно уравнение теплопередачи от воздуха к поверхности стенки:

где tв – температура воздуха в выработке; α – коэффициент теплопередачи, зависящий от шероховатости поверхности и скорости движения воздуха V. При V < 0,1 м/с α ≈ 7 Вт/(м2К).

Поскольку теплопотоки от воздуха к поверхности стенки и от поверхности стенки в глубь массива равны, можно приравнять правые части уравнений (6.1) и (6.2) и решить полученное уравнение относительно tc. Далее, подставив найденную величину tc в любое из уравнений, определим величину тепло-(холодо-)потерь через 1 м2 площади стены Q, а, умножив Q на общую площадь стен, – суммарную величину теплообмена с окружающей средой Q1.

Если разница температуры воздуха в выработке и природной температуры грунтов составляет 10–20°, то величина тепло-(холодо-)потерь Q1 составляет 2–4 Вт/м2. На начальный период неустановившейся теплопроводности (3–6 месяцев), когда происходит прогрев (охлаждение) грунтов вокруг выработки, величина тепло-(холодо-)потерь составляет10–20 Вт/м2.

Обогрев подземных помещений производится обычными способами: водяными, электрическими радиаторами; при достаточно интенсивном воздухообмене – путем подогрева воздуха в калориферах. Для охлаждения применяются аммиачные и фреоновые холодильные установки; при этом охлаждающие элементы (испарители) устанавливаются в самом подземном помещении.

При устройстве подземных продуктовых складов в северных районах, в зоне вечной мерзлоты возможно глубокое охлаждение грунта в зимний период путем подачи в помещение наружного воздуха таким образом, что запасенного в грунте холода хватает на все лето без добавочного искусственного охлаждения.

250