4Обеспечение надежности закрепления железобетонных стоек башен мобильной связи в Донецко-Луганском регионе
Ярош Елена Эдуардовна
старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры», natal03@mail.ru
Рассмотрены возможные способы обеспечения устойчивости опоры железобетонных стоек башен мобильной связи в различных инженерно-геологических условиях Донецкого и Луганского регионов при минимальных затратах на проведение изыскательских работ. Получены величины осредненных физико-механических характеристик грунтового массива в пределах заглубления опоры в различных инженерно-геологических условиях. Выполнена оптимизация глубины заложения ригеля на основе расчетов. Приведены результаты оптимизации величины zв1 при заглублении опоры на 3,6 м и 4,6 м в различных инженерно - геологических условиях (благоприятные условия, средней благоприятности, неблагоприятные, супесчаные заторфованые грунты). Построены соответствующие графики изменения величины Qn в зависимости от глубины заложения ригеля zв1, который позволяет определить глубину заложения ригеля в конкретных условиях. Приведены соответствующие выводы. Ключевые слова: опора башни мобильной связи, физико-механические свойства грунтов, классификация грунтовых условий, устойчивости опоры, надежность закрепления стойки.
Введение. Постановка проблемы. С каждым годом в Донецко-Луганском регионе расширяется сеть мобильной связи. При этом в качестве опоры применяется железобетонная стойка с металлической надстройкой. На конструкции устанавливается соответствующая аппаратура, молниеотвод и т. д. Общая высота опоры 32 метра от уровня природного рельефа. Качество мобильной связи зависит от надежности закрепления опоры, которые в свою очередь определяются прочностными характеристиками грунтового массива в пределах заглубления опоры, способами и параметрами закрепления опоры. При расчете параметров надежного закрепления опоры определяющими являются физико-механические свойства грунтов. Для получения долговечных данных о характеристиках грунтов необходимо проводить инженерно-геологические изыскания непосредственно в местах установок опор. Это требует дополнительных затрат на строительство сетей мобильной связи, поэтому для повышения эффективности строительства необходимо, в первую очередь, снизить объем инженерно-геологических изысканий. Решению этой задачи посвящена данная работа.
Анализ последних достижений и публикаций.
Согласно [1] башни связи - обязательный элемент при строительстве беспроводных сетей - прежде всего мобильной связи. Такая конструкция должна обеспечивать жесткость и долговечность при эксплуатации. Вопросами эффективной области применения опор сооружений башенного типа занимались авторы [2, 3, 4, 5]. В данных изданиях [6, 7, 8, 9] приведены вопросы, связанные с проблемами строительства в сложных инженерно-геологических условиях.
Цель работы. Целью данной работы является обеспечение устойчивости опоры в различных инженерно-геологических условиях Донецкого и Луганского регионов при минимальных затратах на проведение изыскательских работ.
Метод исследования: описательный, анализ, математический.
Основная часть.
Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:
а) разработать методику классификации грунтовых условий по степени благоприятности для закрепления железобетонных опор СК 26.
О *
О X
о
3 *
8)
с т ■и о
5
т о а г
о т
09 8)
(О
сч о сч
ю
б) получить величины осредненных физико-механических характеристик грунтового массива в пределах заглубления опоры в различных инженерно-геологических условиях.
в) привести районирование территорий Донецко - Луганского регионов по степени благоприятности грунтовых условий для обеспечения надежности закрепления железобетонных опор. Для этого был разработан критерий оценки инженерно - геологический условий.
г) рассмотреть возможные способы обеспечения устойчивости опоры и дать рекомендации по оптимальным параметрам наиболее приемлемого способа в различных инженерно - геологических условиях Донецко - Луганского региона.
Основой башни мобильной связи является железобетонная центрифугируемая стойка СК 22.1.-2.2, погружаемая в просверленную скважину. Такой объект представляет собой отдельно стоящее точечное сооружение, испытывающее внешние нагрузки в любом направлении. Соответственно и к заглубленной части стойки моментные и горизонтальные нагрузки могут быть приложены в любом из направлений, что накладывает требования обеспечения равно прочности закрепления опоры в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Этим объясняется необходимость установки ригеля (или ригелей), являющегося внешним элементом обеспечения закрепления. Эффективность работы ригеля зависит, как от физико-механических свойств грунта в пределах заглубленной части опоры, так и от глубины заложения ригеля zв1 (расстояние от планировочной отметки до половины высоты ригеля). Очевидно, что если установить ригель в точке поворота опоры, то пассивный отпор грунта на ригель будет минимальным. При удалении от этой точки (вверх или низ) эта величина будет возрастать, т.е. будет увеличиваться эффективность устройства ригеля, но при минимальном заглублении ригеля возможен выпор грунта, а при максимальном заглублении - увеличивается трудоемкость его устройства.
Поскольку надежность закрепления стойки определяется в первую очередь физико-механическими свойствами грунта вмещающего массива, а грунтовые условия в рассматриваемом регионе весьма разнообразны, то возникает непременное условие, что бы при проектировании башен мобильной связи проводить инженерно-геологические испытания на каждой строительной площадке. При массовом строительстве башен выполнение такого условия потребует затрат на ведение изыскательских работ. Для удешевления этих работ необходимо провести классификацию грунтовых условий данного региона с целью определения осредненных физико-механических свойств грунтов по региональному признаку и в зависимости от погружения опоры. Классификацию грунтовых условий необходимо проводить по усредненным показателям угла внутреннего трения Ф и удельного сцепления с грунтового массива в пределах заглубленной части стойки. Для этого нужно знать геолого-литологическое строение грунтового массива на глубину заглубления стойки d.
При проектировании обычных зданий и сооружений используют прочностные характеристики грунта несущего слоя. Это облегчает задачу классификации грунтов и использование результатов этой классификации при введении проектных работ. С этой целью [10] (Приложение А) приведены таблицы нормативных значений прочностных и деформационных характеристик грунтов. В основу классификации грунтов положены их физические характеристики: коэффициент пористости е, показатель текучести L и число пластичности 1р. Учитывая, что надежность закрепления опоры мобильной связи зависит от ли-тологического строения массива грунта и физико-механических характеристик каждого инженерно-геологического элемента (ИГЭ) использовать указанные таблицы при проектировании башен мобильной связи не представляется возможным. В связи с этим предполагается следующий метод классификации инженерно-геологических условий, заключающийся в следующем.
Территория где предусматривается установка башен мобильной связи, разбивается на участки с примерно одинаковой литологией и генезисом. На первом этапе классификация носит качественный характер. По этому признаку га основании фактического материала инженерно-геологических изысканий территория региона представлена следующими участками:
1. Участки с благоприятными инженерно-геологическими условиями представлены такой инженерно-геологической колонкой:
- ИГЭ 1 - почвенно-растительный слой мощностью не более 0,5м;
- ИГЭ 2 - суглинки, обладающие просадочными свойствами и находящиеся в тугопластичном состоянии, мощностью не более 0,5 м;
- ИГЭ 3 или ИГЭ 4 - суглинки непросадочные или плотные глины твердой или полутвердой консистенции.
2. Участки со среднеблагоприятными инженерно-геологическими условиями представлены такой инженерно-геологической колонкой:
- ИГЭ 1 - почвенно-растительный слой мощностью не более 0,7 м;
- ИГЭ 2 - суглинки, обладающие просадочными свойствами и находящиеся в мягкопластичном состоянии, мощностью не более 1,5 м;
- ИГЭ 3 или ИГЭ 4 - суглинки непросадочные или плотные глины твердой или полутвердой консистенции.
3. Участки с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями представлены такой инженерно-геологической колонкой:
- ИГЭ 1 - почвенно - растительный слой мощностью не более 1,0м;
- ИГЭ 2 - суглинки, обладающие просадочными свойствами и находящиеся в мягкопластичном (или текучепластичном) состоянии, мощность не более 4 м, то есть по всей длине заглубленной части опоры.
4. Особые грунтовые условия, представленные:
а) Супесчаными слабозаторфованными грунтами с высоким уровнем грунтовых вод (до 1,5-2,0 м от дневной поверхности). Такие грунты могут быть по всей длине заглубленной части опоры.
б) Илистыми суглинками с высоким содержанием органических остатков, находящихся в текучепла-стичном состоянии. Такие грунты могут быть по всей длине заглубленной части опоры;
в) насыпными грунтами 1,0 - 1,5 м и дресвяно -щебенистыми грунтами (средневыветрелый элювий песчаников, аргиллитов или алевролитов).
Помимо указанных участков могут быть территории, грунтовые массивы которых представлены биогенными грунтами, водонасыщенными илами, ленточными глинами у которых модуль деформации ниже 5 Мпа. Поскольку такие территории достаточно редки и имеют локальный характер, а так же потому, что установка железобетонных опор не является жестко привязанной к определенной территории, они не были учтены в приведенной выше классификации.
Вторым этапом предполагаемой классификации было установление физико-механических характеристик грунтовых слоев ИГЭ 2, ИГЭ 3, ИГЭ 4, супесчаных заторфованных и илистых суглинков (табл. 1). Физико-механические характеристики почвенно-растительного слоя определялись согласно таблицы А [10].
Таблица 1
№ Наименование Удель- Удельное Угол внут- Модуль
п/п грунта ный сцепление реннего дефор-
вес, кН,м3 трения мации, МПа
С| Си ф| Фи Е
1 ИГЭ 2 (туго-пластичный) 17,2 15 21 18 20 14
2 ИГЭ 2 (мягко-пластичный) 16,9 9 12 10 11 8
3 ИГЭ 3 18,1 12 17 17 18 14
4 ИГЭ 4 19,1 31 46 15 16 20
5 Супесчаные слабозаторфо- ванные 13,1 0,83 0,93 25 28 5
6 Илистые суглинки 18 4,7 6,5 9 10 5
7 Дресвяно -щебнистые 22,3 - 0,03 - 24 25
где
X
а
осредненная характеристика грунта
проведена на основе расчетов, согласно рекомендациям [11, 12]. Для этого необходимы следующие данные:
- предельно допустимая горизонтальная нагрузка Qn
- пассивное давление грунта на поверхность стойки Fв
- сила давление грунта на ригель Рв1
- относительная глубина центра поворота опоры
Q
Расчеты проводились для стойки СК 22.1 -22, испытывающей следующие нагрузки:
- момент 289кНм
- горизонтальная сила на отметке поверхности грунта Qn=14кН, Qр=10 кН
- вертикальная сила F=78,8 кН
Заглубление опоры принималось равным d=4,6м
и d=3,6м
Глубина установки ригеля принималась равной 0,25 м, 0,5 м, 0,75м, 1,25м, 1,75м, 2,5м для благоприятных условий и 2,3 м ( для супесчаных заторфова-ных грунтов)
Результаты выполненных исследований.
Результаты оптимизации величины zв1 при заглублении опоры на 3,6 м и 4,6 м в различных инженерно-геологических условиях представлены в таблицах 2, 3, 4, 5, 6.
На следующем этапе предлагаемой классификации осуществляется осреднение физико механических характеристик грунтового массива в пределах заглубленной части опоры. Осреднение производится по формуле
X
1 - характеристики грунтовых слоев в пределах заглубленной зоны
К
1 - мощность грунтовых слоев глубленной опоры
d - величина заглубления опоры п - количество грунтовых слоев глубленной части опоры
Оптимизация глубины заложения ригеля была
Таблица 2 Благоприятные условия (заглубление опоры с!=4 6м).
2в1, м гв1/й Рв1, кПа е Оп, кН
0 0 - 0,69 23,7
0,25 0,054 96,1 0,62 34,8
0,5 0,109 108,8 0,61 35,1
0,75 0,163 121,5 0,6 35,1
1,25 0,272 146,9 0,58 34,3
1,75 0,38 172,2 0,55 32,3
2,5 0,543 210,3 0,51 27,1
Таблица 3 Благоприятные условия (заглубление опоры с!=3,6м).
2в1, м гв1/й Рв1, кПа е Оп, кН
0 0 - - 11,9
0,25 0,07 87,83 - 17,9
0,5 0,14 100 - 19,8
0,75 0,21 112,1 - 19,4
1,25 0,35 136,3 - 18,9
1,75 0,49 160,6 - 15,1
Таблица 4 Грунтовые условия средней благоприятности (заглубление опоры д=4,6м).
2в1, м Рв1, кПа е Оп, кН
0 0 - - 20,1
0,25 0,054 - - 26,7
1,25 0,272 102 - 26,8
1,95 0,424 115 - 27,1
Таблица 5
Грунтовые условия неблагоприятные (заглубление опоры с!=4,6м, воды нет).
в пределах за- гв1, м гв1/й Рв1, кПа е Оп, кН
0 0 - 12,8
0,25 0,054 42,3 18,4
в пределах за- 0,75 0,163 60,7 19,7
1,25 0,272 79,1 19,3
О *
О X
о
3 *
8)
с т
"С О
Т Ф
а г
о
Т 09 8)
Таблица 6
Супесчаные заторфованые грунты (заглубление опоры с!=4,6м, воды нет)._
Ze1, м Zu-i/d F в1, кПа е Qn, кН
0 0 - - 16,7
0,25 0,054 16,7 - 19,1
0,55 0,12 32,3 - 20,8
0,75 0,163 41,9 - 21,6
1,25 0,272 67,2 - 23,1
1,75 | 0,38 | 95,42 | - | 23,6
По данным этих таблиц построены соответствующие графики изменения величины Qn в зависимости от глубины заложения ригеля zв1 (рис. 1), который позволяет определить глубину заложения ригеля в конкретных условиях.
Рис.1. Графики изменения величины Оп в зависимости от глубины заложения ригеля гв1.
Выводы:
1. При заглублении опоры на 3,6 - 4,6 м. Характер изменения зависимости Qn = f ^в1; d) для благоприятных, средней благоприятности и неблагоприятных условий одинаков в диапазоне zв1/ d=0,06/0,2
2. Характер изменения зависимости Qn = f ^в1; d) для супесчаных заторфованных грунтов несколько иной. В этих условиях Qn практически одинаков при больших глубинах заложения ригеля.
3. При благоприятных, средней благоприятности и неблагоприятных условиях, представляющих около 80% рассматриваемой территории, заглубление ригеля на глубину более 0,15 zв1/ d нерационально.
4. В грунтах, представленных супесчаными за-торфоваными грунтами с высоким УГВ установка ригеля целесообразна на глубинах (0,3/0,4) zв1/ d.
Литература
1. Петракова Н. В. Расчет вышки сотовой связи // Актуальные вопросы современной науки и образования. - 2019. - С. 92-97.
2. Краснощёков Ю. В. Эффективность антенных опор, возводимых на ограниченной площади //Вест-
го ник Сибирской государственной автомобильно-до-
0 рожной академии. - 2012. - №. 5 (27). - С. 60-65.
Ю
01
3. Бедов А., Габитов А. Инженерные сооружения башенного типа, технологические эстакады и опоры линий электропередачи. - Litres, 2022.
4. Сабитов Л. С., Коноплёв Ю. Г., Радайкин О. В. Компьютерное моделирование системы «комбинированная башня-железобетонный фундамент-грунт основания» ветроэлектрической установки для оценки ее эффективности //Vestnik Volgogradskogo Gosudarstvennogo Arhitekturno-Stroitelnogo Universiteta. Seriya: Stroitelstvo i Arhitektura. - 2020. -№. 78.
5. Бикташев М. Башенные сооружения. Геодезический анализ осадки, крена и общей устойчивости положения. - Litres, 2015.
6. Прокопов А. Ю., Жур В. Н., Ткачева К. Э. О критериях оценки влияния опасных геологических процессов на застроенные территории Восточного Донбасса //Сергеевские чтения. Геоэкологическая безопасность разработки месторождений полезных ископаемых. - 2017. - С. 107-111.
7. Яркин В.В. Моделирование системы «Основание - фундамент - сооружение» в сложных инженерно-геологических условиях : монография. Макеевка: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, ЭБС АСВ, 2020. 392 с. https://www.iprbookshop.ru/93864.html (дата обращения: 30.05.2023).
8. Крутов В. И., Ковалев А. С., Ковалев В. А. Проектирование и устройство оснований и фундаментов на просадочных грунтах. - Москва: Издательство АСВ, 2013.-543 с.
9. Yarkin V., Kukhar H., Lobacheva N. Non-linear Settlements of shallow foundation. XXII International Scientific Conference «Construction the Formation of Living Environment» (FORM-2019). Москва. 2019. Т. 97 С. 04034. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199704034
10.Основания и фундаменты зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.0183*. Свод правил: СП 22.13330.2016. - Введ. 01.07.2017. - Москва: Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, 2016. - 220 с.
11. Крюков К. П., Курносов А. И., Новгородцев Б. П. Конструкции и расчет металлических и железобетонных опор линий электропередачи //Энергия. -1975. - С. 58-59.
12. Габлия Ю. А. Фундаменты опор линий электропередачи в сложных грунтовых условиях //М.: Энергоиздат. - 1981. - Т. 192.
Ensuring the reliability of fixing reinforced concrete pillars of mobile
communication towers in the Donetsk-Luhansk region Yarosh E.E.
Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture The possible ways of ensuring the stability of the support of reinforced concrete pillars of mobile communication towers in various engineering and geological conditions of the Donetsk and Lugansk regions with minimal costs for survey work are considered. The values of the averaged physical and mechanical characteristics of the soil massif within the depth of tower support in various engineering and geological conditions are obtained. Optimization of the depth of the crossbar laying based on calculations is performed. The results of the optimization of the value of Zbi when the support is deepened by 3.6 m and 4.6 m in various engineering and geological conditions (favorable conditions, average favorability, unfavorable, sandy loam peat soils) are presented. The corresponding graphs of the change in the value of Qn depending on the depth of the laying of the bolt Zbi, which allows you to determine the depth of the laying of the crossbar in specific conditions, are constructed. The relevant conclusions are given. Keywords: mobile communication tower support, physical and mechanical properties of soils, classification of soil conditions, stability of the support, reliability of fixing the rack. References
1. Petrakova N. V. Calculation of a cell tower // Actual problems of modern
science and education. - 2019. - S. 92-97.
2. Krasnoshchekov Yu. V. Efficiency of antenna supports erected on a limited
area // Bulletin of the Siberian State Automobile and Road Academy. -2012. - no. 5 (27). - S. 60-65.
3. Bedov A., Gabitov A. Tower-type engineering structures, technological
overpasses and power transmission line supports. - Literes, 2022.
4. Sabitov L. S., Konoplyov Yu. G., Radaikin O. V. Computer modeling of the
system "combined tower-reinforced concrete foundation-foundation soil" of a wind power plant to assess its efficiency //Vestnik Volgogradskogo Gosudarstvennogo Arhitekturno-Stroitelnogo Universiteta. Seriya: Stroitelstvo i Arhitektura. - 2020. - no. 78.
5. Biktashev M. Tower structures. Geodetic analysis of draft, roll and general
position stability. - Literes, 2015.
6. Prokopov A. Yu., Zhur V. N., Tkacheva K. E. On the criteria for assessing the
impact of hazardous geological processes on the built-up territories of the Eastern Donbass // Sergeev Readings. Geoecological safety of the development of mineral deposits. - 2017. - S. 107-111.
7. Yarkin V.V. Modeling of the "Foundation - foundation - structure" system in
complex engineering and geological conditions: monograph. Makeevka: Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture, EBS DIA, 2020. 392 p. https://www.iprbookshop.ru/93864.html (date of access: 05/30/2023).
8. Krutov V. I., Kovalev A. S., Kovalev V. A. Design and arrangement of
foundations and foundations on subsidence soils. - Moscow: DIA Publishing House, 2013.-543 p.
9. Yarkin V., Kukhar H., Lobacheva N. Non-linear settlements of shallow
foundations. XXII International Scientific Conference "Construction the Formation of Living Environment" (F0RM-2019). Moscow. 2019. V. 97 S. 04034. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199704034
10. Foundations and foundations of buildings and structures. Updated edition of SNiP 2.02.01-83*. Code of Practice: SP 22.13330.2016. - Input. 07/01/2017. - Moscow: Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation, 2016. - 220 p.
11. Kryukov K. P., Kurnosov A. I., Novgorodtsev B. P. Designs and calculation of metal and reinforced concrete supports of power transmission lines // Energiya. - 1975. - S. 58-59.
12. Gablia Yu. A. Foundations of power transmission line supports in difficult soil conditions // M .: Energoizdat. - 1981. - T. 192.
О *
о
X
о
s
s *
ai
с т ■и о s т о а г
о т
09 8)
