Подземное сооружение типа отстойник, возводимое на пучинистых грунтовых основаниях

 

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству канализационных и водопроводных очистных сооружений, возводимых на пучинистых грунтовых основаниях. Подземное сооружение типа отстойник, возводимое на пучинистом грунтовом основании, включает монолитное железобетонное днище и сборные наружные и внутренние стены. Новым является то, что днище подземного сооружения установлено непосредственно на пучинистом грунтовом основании выше глубины сезонного промерзания грунта, при этом толщина днища под наружными стенами по всему периметру сооружения по меньшей мере в 2,5 раза больше толщины днища в середине пролета подземного сооружения, причем утолщенная часть днища имеет ширину не менее шестикратной ее толщины, а стеновые панели соединены между собой по меньшей мере вверху и внизу металлическими арматурными стержнями, площадь сечения каждого из которых определена по математическим зависимостям. Техническим результатом изобретения является разработка и создание конструкции подземного сооружения, которое может быть размещено непосредственно на пучинистом грунтовом основании, не возводя искусственного основания из непучинистых материалов, при этом выше глубины сезонного промерзания грунта и, как следствие, существенное снижение материалоемкости и трудоемкости данного подземного сооружения. 4 ил.

Изобретение относится к области строительства, в частности, к строительству каналиаационных и водопроводных очистных сооружений, возводимых на пучинистых грунтовых основаниях.

Известны типовые проекты, утвержденные Госстроем СССР на: - "Отстойники". ТП 902-2-247; - "Аоротенки", ТП 902-2-2/92; - "Усреднители". ТП 902-2-3/90; - "Резервуары для воды". ТП 901-4-63.83, прямоугольные железо-бетонные сборные емкостью 12000 - 20000 м³; - "Нефтеловушки". ТП 902-2-3 различной производительности (емкости), предназначенные для строительства в составе очистных сооружений для очистки хозфекальных и поверхностных стоков (1).

Основным и общим недостатком указанных сооружений является то. что они не рассчитаны для строительства на пучинистых грунтовых основаниях сезонного промерзания и в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 под них необходимо предусматривать искусственное основание из непучинистых материалов: это крупнозернистый песок, гравий, щебень и т.д. на различную глубину сезонного промерзания грунта или же свайный фундамент с монолитным железобетонным ростверком, при этом длина свай заанкорованных в талые слои грунта, должна обеспечивать устойчивость (неподвижность) фундамента от касательных сил морозного пучения.

Стоимость устройства искусственных оснований (фундаментов) под указанные сооружения составляет 15-35% от стоимости самих сооружений в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания, а трудоемкость строительства составляет соответственно 15-25%.

Требуется перемещение большого количества грунта и строительных материалов, что соответственно увеличивает загрязнение окружающей среды.

В качестве аналога предлагаемому подземному сооружению можно принять подземные сооружения по источнику научно-технической информации (1) Целью предлагаемого изобретения является разработка и создание конструкции подземного сооружения, которое может быть размещено непосредственно на пучинистом грунтовом основании, не возводя искусственного основания из непучинистых материалов, при атом выше глубины сезонного промерзания грунта, и как следствие, существенное снижение материалоемкости и трудоемкости данного подземного сооружения.

Указанная цель достигается за счет того, что в подземном сооружении типа отстойник, возводимом на пучинистом грунтовом основании, включающем монолитное железобетонное днище и сборные наружные и внутренние стены, согласно изобретению днище подземного сооружения установлено непосредственно на пучинистом грунтовом основании выше глубины сезонного промерзания грунта, при этом толщина днища под наружными стенами по всему периметру сооружения по меньшей мере в 2,5 раза больше толщины днища в середине пролета подземного сооружения, причем утолщенная часть днища имеет ширину не менее шестикратной ее толщины, а стеновые панели соединены между собой по меньшей мере вверху и внизу металлическими арматурными стержнями, площадь сечения каждого из которых определена по формуле: где F_S ^(H) - площадь сечения арматурных стержней в наружных стеновых панелях, вверху и внизу панели, м²; h_c ^п - расчетная величина морозного пучения грунта основания под наружными стеновыми панелями, мм;
Y_в(H) - расстояние от нейтральной оси балки-стенки до центра тяжести растянутых или сжатых соединительных стержней на уровне верха стеновой панели и низа днища под наружными стеновыми панелями, м;
R_s - расчетное сопротивление соединительных арматурных стержней на растяжение или сжатие, кПа;
[EJ] - изгибная жесткость стеновых панелей с учетом податливости стыковых соединений, кНм²;
L_c - расстояние между стыками стеновых панелей, м;
μ_в(H) - податливость стыковых соединений стеновых панелей наверху и внизу, 1/кН, определяемая из выражения

Е - модуль упругости соединительных стержней Е = 2•10⁸ кН/м²;
а площадь сечения F_s ^д соединительных металлических армирующих стержней днище подземного сооружения определяют по формулам:


где М - изгибающий момент в днище подземного сооружения от нормальных сил морозного пучения без образования трещин, кНм, определяемый по формуле:

Е_б- модуль деформации тяжелого бетона, равен 2•10⁷ кН/м²;
J_п - момент инерции плиты днища шириной 1м, м⁴;
ρ - кривизна оси плиты днища от нормальных сил морозного пучения, м, определяемая по формуле

где В - длина дуги днища при морозном пучении при выгнутом вверх положении, в м, определяемая по формуле

где f - прогиб плиты днища в середине пролета, м, равный разнице между величиной пучения грунтов основания под плитой днища в середине пролета (h_c ^д) и величиной пучения под наружными стенами (h_c ^п), м, определяемый по формуле
f=h_д ⁿ-h_c ⁿ,
L - ширина днища подземного сооружения, м;
F_s ^д' и F_s ^д- соответственно площади сечения сжатой и растянутой арматуры в плите днища, м²;
R_в - расчетное сопротивление бетона на сжатие при изгибе, кПа,
в - условная ширина плиты днища, равная 1 м,
h₀ - расстояние от центра тяжести растянутой или сжатой арматуры до верха или низа плиты днища, м;
R_sc и R_s - соответственно расчетное сопротивление сжатой и растянутой или сжатой арматуры, кПа;
а' - расстояние от центра тяжести арматуры до низа или верха плиты, м.

Изобретение поясняется графически, где:
- на фиг. 1 изображен поперечный разрез подземного сооружения типа отстойник, возводимого на пучинистом грунтовом основании,
- на фиг.2 - фрагмент откоса и границы сезонного промерзания предлагаемого подземного сооружения с фиг. 1,
- на фиг.3 - схема деформации подземного сооружения от сил морозного пучения грунта.

- на фиг. 4 - габариты балки-стенки для определения момента инерции и площади сечения соединительных арматурных стержней.

Предлагаемое подземное сооружение типа отстойник, возводимое на пучинистом грунтовом основании состоит из плиты 1 днища сооружения толщиной h_д плиты 2 днища по наружному периметру сооружения толщиной h_c и шириной не менее 6h_c с пазом для установки в этот паз стеновой панели 3 (фиг. 1). При этом днища 1 и 2 расположены непосредственно на пучинистом грунтовом основании в слое сезонного промерзания 4. Наружные пазухи 5 у наружных сторон стеновых панелей 3 засыпаны из местного грунта.

Днища 1 и 2 расположены выше границы сезонного промерзания 6 пучинистого грунтового основания.

Стеновые панели 3 вверху соединены между собой соединительными арматурными стержнями 7 и соответственно внизу - стержнями 8.

Конструкция предлагаемого подземного сооружения работает следующим образом.

В процессе промерзания пучинистого грунта под днищами 1 и 2 подземного сооружения и в обратной засыпке 5 происходит морозное выпучивание грунтов и смерзание их с поверхностью днища 1 и 2 и стен 3, в результате чего в целом днище подземного сооружения прогибается и перемещается вверх совместно с мерзлым грунтом, а стеновые панели 3 с примерзшим к ним грунтом обратной засыпки
одновременно препятствуют перемещению всего днища и повороту наружной стены вовнутрь сооружения.

По мере увеличения толщины слоя промерзания грунтов обратной засыпки вертикальная нагрузка от стеновых панелей с примерзшим к ним грунтом на днище сооружения увеличивается, что уменьшает величину морозного пучения в основании сооружения вдоль наружных стен (фиг.3).

Для восприятия дополнительных усилии от наружных стен с примерзшим к ним грунтом при морозном пучении грунтов в основании и в обратной засыпке толщина днища 2 (h₀) вдоль наружных стен принимается по меньшей мере как 2,5:1 к толщине днища I (h_g) и шириной днища 2 не менее 6h_c.

Максимальное значение выгиба плиты 1 днища (фиг.3) к концу зимы составит:
f_max=h_д ⁿ-h_c ⁿ,
где h_д ^п - расчетная величина морозного пучения грунта основания под днищем 1 в середине пролета, мм;
h_с ^п - расчетная величина морозного пучения грунта основания под наружными стеновыми панелями, мм.

Для восприятия дополнительных усилий в днище 1 от сил морозного пучения и обеспечения прочности и трещиностойкости ее, последнее армируется металлическими стержнями, общая площадь сечения которых определяется с использованием формул [2.3]:



где F_S ^д' и F_S ^д- соответственно площади сечения сжатой и растянутой арматуры в плите днища, м²
М - изгибающий момент в днище подземного сооружения от нормальных сил морозного пучения (без образования трещин), кНм;
Е_б - модуль деформации тяжелого бетона, равен 2•10⁷ кН/м,
J_п - момент инерции плиты днища шириной 1м, м⁴,
ρ - кривизна оси плиты днища без образования трещин от нормальных сил морозного пучения, м, определенная по известной математической формуле:

где B - длина дуги днища при морозном пучении при выгнутом вверх положении, м, определенная по формуле:

где f - прогиб плиты днища в середине пролета, равный разнице между величиной пучения грунтов основания под плитой днища в середине пролета (h_д ⁿ) и величиной пучения под наружными стенами (h_c ^п) в м, то есть f = h_д ^п-h_с ⁿ;
L - ширина днища подземного сооружения, м,
R_в - расчетное сопротивление бетона на сжатие при изгибе, кПа,
B - условная ширина плиты днища, равная 1м,
h₀ - расстояние от центра тяжести растянутой (сжатой) арматуры до верха (низа) плиты днища, м,
R_sc R_s - соответственно расчетное сопротивление сжатой и растянутой (сжатой) арматуры, кПа,
а' - расстояние от центра тяжести сжатой арматуры до низа (верха) плиты днища 2, м.

Для восприятия усилий и обеспечения трещиностойкости конструкции сооружения при неравномерном морозном пучении грунтов, основание вдоль сооружения под наружными стеновыми панелями 2 и стеновые панели 3 соединяются между собой вверху и внизу (фиг.4) соединительными арматурными стержнями 7 и 8, площади сечения каждого из которых определяют по формуле:

где F_S ^H - площадь сечения арматурных стержней в наружных стеновых панелях (вверху и внизу панели), м;
h_c ^п - расчетная величина морозного пучения грунта основания под наружными стеновыми панелями, мм;
Y_в(н) - расстояние от нейтральной оси балки-стенки до центра тяжести растянутых или сжатых соединительных стержней на уровень вверх стеновой панели и низа днища под наружными стеновыми панелями, м,
R_s - расчетное сопротивление соединительных стержней на растяжение (сжатие), кПа;
[EJ] - изгибная жесткость стеновых панелей с учетом податливости стыковых соединений, кНм;
L_с - расстояние между стыками стеновых панелей, м;
μ_в(H) - податливость стыковых соединений стеновых панелей наверху и внизу, 1/кН, определяемая из выражения
,
где Е - модуль упругости соединительных стержней - Е=2•10⁸ кН/м².

Расчетные формулы (1-3 и 5) использованы из книги [2] "Железобетонные конструкции", авторы К.Н.Каиков. Э.К. Сигалов. М.: Стройиздат, 1978 г., с. 767 и [3] "Пособия по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры" (К. СНиП 2.03.01-84). М., ЦИТП. 1989 г., с.192.

При сезонном оттаивании грунтов в основании 4 и в обратной засыпке 5 сооружение возвращается в исходное положение. Все конструкции предлагаемого сооружения имеют достаточную прочность и трещиностойкость.

Предлагаемая конструкция подземного сооружения была разработана и использована при строительстве экспериментального образца резервуара для питьевой воды емкостью 10 тысяч кубометров на сильнопучинистых грунтовых основаниях в г. Омске; строительство продолжалось в 1995-1998 годах и в течение трех зимних сезонов вся конструкция выдержала циклы морозного пучения и осадки, а также все испытания на прочность и трещиностойкость и в настоящее время успешно эксплуатируется.

Источники информации
1. "Резервуары для воды", типовой проект ТП 901-4-63.83. Прямоугольные железобетонные сборные емкости 12000-20000 м³.

2. "Железобетонные конструкции", авторы В.Н. Байков, Э.К. Сигалов, М.: Стройиэдат, 1978 г., с.767.

3. "Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры". (К.СНиП 2.03.01-84). М.. ЦИТП, 1989 г., с.192.

Формула изобретения

Подземное сооружение типа отстойник, возводимое на пучинистом грунтовом основании, включающее монолитное железобетонное днище и сборные наружные и внутренние стены, отличающееся тем, что днище подземного сооружения установлено непосредственно на пучинистом грунтовом основании выше глубины сезонного промерзания грунта, при этом толщина днища под наружными стенами по всему периметру сооружения по меньшей мере в 2,5 раза больше толщины днища в середине пролета подземного сооружения, причем утолщенная часть днища имеет ширину не менее шестикратной ее толщины, а стеновые панели соединены между собой по меньшей мере вверху и внизу металлическими арматурными стержнями, площадь сечения каждого из которых определена по формуле

где F_S ^(H) - площадь сечения арматурных стержней в наружных стеновых панелях, вверху и внизу панели, м²;
h_с ^п - расчетная величина морозного пучения грунта основания под наружными стеновыми панелями, мм;
Y_в(H) - расстояние от нейтральной оси балки-стенки до центра тяжести растянутых или сжатых соединительных стержней на уровне верха стеновой панели и низа днища под наружными стеновыми панелями, м;
R_s - расчетное сопротивление соединительных арматурных стержней на растяжение или сжатие, кПа;
[ЕJ] - изгибная жесткость стеновых панелей с учетом податливости стыковых соединений, кНм²;
L_c - расстояние между стыками стеновых панелей, м;
μ_в(H) - податливость стыковых соединений стеновых панелей наверху и внизу, 1/кН, определяемая из выражения
,
Е - модуль упругости соединительных стержней Е = 2•10⁸ кН/м²;
площадь сечения F_s ^д соединительных металлических армирующих стержней днища подземного сооружения определяют по формулам


где М - изгибающий момент в днище подземного сооружения от нормальных сил морозного пучения без образования трещин, кНм, определяемый по формуле
,
Е_б - модуль деформации тяжелого бетона, равен 2•10⁷ кН/м²;
J_п - момент инерции плиты днища шириной 1м, м⁴;
ρ - кривизна оси плиты днища от нормальных сил морозного пучения, м, определяемая по формуле

где В - длина дуги днища при морозном пучении при выгнутом вверх положении, м, определяемая по формуле

где f - прогиб плиты днища в середине пролета, м, равный разнице между величиной пучения грунтов основания под плитой днища в середине пролета (h_д ^п) и величиной пучения под наружными стенами (h_с ^п), м, определяемый по формуле
f = h_д ^п - h_с ^п,
L - ширина днища подземного сооружения, м;
F_S ^д' и F_S ^д - соответственно площади сечения сжатой и растянутой арматуры в плите днища, м²;
R_в - расчетное сопротивление бетона на сжатие при изгибе, кПа;
в - условная ширина плиты днища, равная 1 м;
h₀ - расстояние от центра тяжести растянутой или сжатой арматуры до верха или низа плиты днища, м;
R_SC и R_S - соответственно расчетное сопротивление сжатой и растянутой или сжатой арматуры, кПа;
а' - расстояние от центра тяжести арматуры до низа или верха плиты, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4