CC BY
46
Козьмин Николай Андреевич - аспирант кафедры «Мосты» (СГУПС). Основные направления научной деятельности - оптимальное проекти-
рование мостовых конструкций, автоматизированное проектирование мостов. Общее количество опубликованных работ: 7. e-mail: [email protected]
УДК 692
ВЫБОР ВАРИАНТА УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ОПУСКНОГО КОЛОДЦА
В. А. Рудак, Н. В. Беляев
Аннотация. В статье рассмотрены варианты усиления конструкций опускного колодца: рабочий проект укрепления грунтов опускного колодца насосной станции ливневой канализации и проект усиления несущих конструкций. В конечном итоге выполнено усиление грунтов методом высоконапорного инъецирования. В результате техническое состояние конструкций опускного колодца после упрочнения грунтов оценивается как работоспособное.
Ключевые слова: усиление, анализ, обследование, конструкция.
Введение
Проект канализационной насосной станции, включающей в себя опускной колодец, был разработан без учета геологических изысканий в пятне застройки.
Геологическое строение площадки имеет характерные особенности:
- наличие насыпных грунтов, с примесью органических веществ с участки заторфления;
- морозное пучение основания в зоне промерзания;
- высокое положение уровня грунтовых вод.
Для уменьшения сил трения при погружении колодца с наружной стороны предусмотрено устройство тиксотропной рубашки из глиняного раствора. Подача раствора предусмотрена непрерывной. Для отвода воды в процессе производства работ в нижней части колодца предусмотрен дренажный приямок.
Отвод воды из приямка должен производиться до 100 % набора прочности бетона днища.
По совокупности причин при выполнении работ по опусканию колодца в проектное положение, естественные геологические условия площадки были нарушены и при производстве работ, супесь текучей консистенции, с одной из сторон, стала заполнять внутренний объем смонтированного опускного колодца (рис. 1.).
Конструкция опускного колодца собирается из плоских железобетонных панелей толщиной 30 см, которые соединены между собой сваркой с помощью стальных плоских накладок. Верхняя часть колодца наращивается монолитным железобетонным кольцом толщиной 500 мм, высотой 2,63 м.
Рис. 1 Механизм развития деформаций
Согласно инструментальному обследованию произошел наклон колодца сторону р. Иртыш на 10 см, деформация в плане составила 985( Фвн\) -863(^вн2) = 123 см, при внутреннем диаметре подземной части согласно проекту 920 см. Отметки острия ножа
- от 64.350 до 63.955, при отметке проектного положения 64.650 (рис.1.). Произошло дополнительное погружение колодца на 4,0 ... 4,4 см.
После схода снега, визуальное обследование показало, что опускной колодец, практически полностью заполнен грунтом.
Верхний обрез сборных конструкций колодца, ниже планировочной отметки прилегающей территории более чем на метр. Прилегающая к колодцу территория имеет воронкообразные уклоны в сторону колодца, и яр-ковыраженные следы стока паводковой воды с прилегающей территории в колодец.
Варианты усиления
На основании отрицательного заключения государственной экспертизы были разработаны проекты усиления конструкций опускного колодца:
А. Рабочий проект укрепления грунтов опускного колодца насосной станции ливневой канализации.
Б. Проект усиления несущих конструкций.
Анализ разработанных проектов, выявил существенные недостатки.
По проекту А.
Усиление грунтов запроектировано методом управляемого защелачивания. Производство работ запроектировано в две стадии: первая выполняется укрепление основание колодца и примыкающих к нему зон слабого грунта в виде кольца шириной 1,4 м, по наружному периметру, вторая извлекается из колодца грунт и укрепляется основание днища.
Недостатками данного метода является следующее:
- отсутствие возможности, контроля технологии производства работ;
- зависимость качества работ от человеческого фактора;
- непрогнозируемое поведение колодца после выемки из него грунта (первая стадия); по сути, колодец должен зависнуть на участках примыкания укрепленного грунта, за счет сил сцепления;
- отсутствие опыта выполнения подобных работ, на больших глубинах.
По проекту Б.
Усиление конструкций запроектировано в виде монолитной рубашки устраиваемой внутри колодца, когда существующие конструкции используются в качестве несъемной опалубки. Толщина монолита 300 мм. Усиление стен планируется выполнять после укрепления грунтов (см. выше).
По сути, это монолитный колодец, устроенный в существующем колодце.
Вызывает сомнение необходимость данного усиления. Во - первых, не зафиксировано наличие дефектов и повреждений стеновых панелей, закладных деталей и соединительных пластин образующих опускной колодец. Во-вторых, несущая способность кольцевого сечений колодца обусловлена несущей способностью стальных пластин сечением 10x50 мм, с шагом 300 мм, которые соединяют стеновые панели. Да, кольцевое сечение колодца деформировалось, но при отсутствии порывов пластин, сталь работала в зоне текучести, что составляет около 70 %, ее несущей способности (временного сопротивления). После укрепления грунтов, должна произойти стабилизация напряженно-деформированного состояния сооружения и снижение напряжений в соединительных пластинах. К сказанному следует добавить, последующее устройство монолитного кольца по верхнему обрезу и перекрытие над колодцем, в значительной степени изменит, в сторону улучшения, схему работы стеновых панелей, что снизит величину действующих усилий.
В конечном итоге, заказчиком было принято решение выполнить усиление грунтов методом высоконапорного инъецирования. Суть метода заключается в устройстве в грунте, своеобразных колонн диаметром один метр, из смеси грунта и цемента. Колонны, располагаясь вплотную друг другу, образуют мощное ограждение. Производство работ, базируется на импортном оборудовании и полностью автоматизировано, что до минимума исключает вероятность нарушения технологии.
Укрепление грунтов запроектировано в два этапа.
На первом этапе производится укрепление грунтов с наружной стороны колодца на глубину 20 м, от уровня поверхности земли (рис. 2.).
Рис. 2. Укрепление грунтов с наружной стороны колодца
На втором этапе, производится укрепление грунтов под днищем колодца, с образованием плиты, двухметровой толщины (рис.3.).
Рис.3. Укрепление грунтов под днищем колодца
Вскрытие оголовка опытной колонны (рис. 4.), показало наличие прочного массива из смеси грунта с цементом, диаметром более метра.
Рис. 4. Оголовок опытной колонны смеси грунта с цементом
После выполнения работ по укреплению грунтов и стабилизации состояния сооружения, был удален грунт из колодца и возведен МОНОЛИТНЫЙ пояс по верхнему обрезу стеновых панелей (рис. 5.).
Рис. 5. Состояние несущих конструкций колодца на момент обследования
Результаты обследования
Обследованием установлено следующее:
- на опускном колодце выполнены работы по стабилизации грунтов, устроен монолитный пояс по торцам стеновых панелей, очищена внутренняя полость колодца от грунта, очищены поверхности стеновых панелей и днища устроена лестница;
- по данным неразрушающего контроля прочности бетона стеновых выше проектной (В25);
- прочность монолитного бетона заполнения межплитных швов соответствует классу бетона по прочности на сжатие В15;
- соединение стеновых панелей выполнено стальными вертикальными накладками сечением 10x50 м; около 30 % накладок усилены от потери устойчивости, горизонтальными накладками;
- имеет место вертикальная сдвижка панелей относительно друг друга, максимальная величина сдвиговых деформаций составляет более 50 мм (рис. 6.);
- стык панелей 8-9, имеет сдвиговые перемещения в горизонтальной плоскости на 60 мм; на этом участке имеет место наличие из-гибных деформаций соединительных пластин;
- отсутствует на глубину более 70 мм, практически на всей длине бетон заполнения шва между 8 и 9 панелями;
- при очистке колодца от грунта экскаватором, имел место срыв соединительных пластин;
- на участке стыка длиной около 2-х метров, между панелями 1-2, отсутствуют соединительные пластины;
- прочность упрочненного грунта на участке его оголения у панели 20, соответствует классу бетона по прочности на сжатие не менее В12,5;
- по торцам стеновых панелей устроен монолитный пояс толщиной 500 мм, высотой 3,7
м; для конструктивной связи пояса с телом панелей, в них были перфорированы отверстия и установлены арматурные стержни в соответствии с проектным решением;
- днище колодца очищено и имеет горизонтальное положение.
Дефектов и повреждений силового характера, таких как нормальные или наклонные трещины, трещины у закладных деталей, у стеновых панелей не зафиксировано.
Рис. 6. Соединительные пластины приваренные с уклоном
Анализ работы конструкций
Работа конструкций в составе сооружения имеет следующую последовательность:
- стеновые панели были смонтированы и объединены в единую систему сваркой закладных деталей с помощью стальных пластин, зазоры между продольными торцами панелей заполнены бетоном;
- колодец заглублен на определенную величину;
- возникла неравномерная осадка, из-за которой образовались неравномерные поперечные деформации и искривление сечение колодца в горизонтальных плоскостях;
- напряжения, возникающие в панелях и соединительных пластинах, возникают от действия бокового давления грунта (при строго вертикальном расположении панелей, напряжения от собственного веса несравнимо ниже);
- в панелях и пластинах возникли дополнительные напряжения от изменения геометрии и отклонений панелей;
- состояние колодца стабилизировалось, внутренняя полость заполнена грунтом; напряжения в панелях и соединительных пластинах снизились практически, до нуля;
- при выполнении работ по упрочнению грунта, дополнительных напряжений в конструкциях колодца не возникает;
- после очистки колодца от грунта, возникает боковое давление, которое воспринимается прежде всего грунто-цементным контуром усиленитя, которое имеет более высокую жесткость и расположено снаружи; только при наличии значительных деформаций, часть бокового давления передается на смонтированные панели опускного колодца;
- таким образом, после очистки колодца от грунта, боковое давление воспринимается грунто-цементным контуром усиления;
- устройство более жесткого, по сравнению с панелями монолитного пояса, привело к изменению схемы работы стеновых панелей и их разгрузке, а также разгрузке соединительных пластин.
Как показали расчеты [5], по причине деформаций колодца, (неравномерная осадка и превращение окружности в многоугольник), произошло изменение напряжений по сравнению с проектом в стеновых панелях. Кроме этого, произошло увеличение продольных усилий в соединительных пластинах, более чем на 50 %. На отдельных участках, в пластинах возникли растягивающие усилия абсолютное значение которых, значительно выше сжимающих.
На основании вышеизложенного делается вывод, что возникновение деформаций опускного колодца, полностью изменило характер его работы. Проектное положение подразумевает отсутствие растягивающих напряжений, как в бетоне стеновых панелей, так и в соединительных накладках.
Выполненный расчет напряжений в контуре упрочнения грунтов, показал, что в грунто-цементе возникают только сжимающие напряжения. Максимальное значение напряжений находится в диапазоне 4,9 ... 6,4 кгс/см2, что значительно ниже полученной при обследовании прочности материала В12,5.
Заключение
Характер работы грунто-цементной оболочки упрочнения грунтов и величина напряжений дает основание для вывода о том, что оболочка способна полностью воспринять расчетные нагрузки и дополнительного усиле-
ния внутренней полости колодца не требуется. А, значит, вариант усиления конструкций опускного колодца выбран верный.
Библиографический список
1. СП 13-102-2003. Свод правил по проектированию и строительству. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
2. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий (ЦНИИСК им. Кучерявенко - Моск-ва,1988г).
3. Бойко М. Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий (М: Стройиздат, 1975г.).
4 Лужин О. В., Злочевский А. Б. и др. Обследование и испытание сооружений. (М: Стройиз-дат,1987г).
5. Рудак А. В. Моделирование напряженно-деформированного состояния ствола опускного колодца / А. В. Рудак, Н. В. Беляев // Вестник Си-6АДИ. - 2009. - №4. - С. 32-37.
SAMPLING OF ALTERNATIVE OF THE REINFORCEMENT OF DESIGNS OF THE OPEN CAISSON
V. A. Rudak, N. V. Belyaev
In paper alternatives of a reinforcement of designs of an open caisson are observed: the contractor design of strengthening of soils of an open caisson of pumping plant of the shower sewerage and the design of a reinforcement of bearing structures. Finally the reinforcement of soils by a method high-pressure pumping is executed. As a result the technical condition of designs of an open caisson after a reinforcement of soils is sized up as efficient.
Беляев Никита Владимирович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизация проектирования конструкций зданий и сооружений. Имеет 16 опубликованных работ. E-mail: [email protected]
Рудак Виталий Алексеевич - старший преподаватель кафедры ««Строительные конструкции» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - проектирование строительных конструкций зданий и сооружений. Имеет 7 опубликованных работ.
