Устранений сверхнормативного крена кирпичной трубы

УДК 624.131.54
Дыба В.П. (ЮРГТУ, г. Новочеркасск);
Скибин М. Г. (ООО «СтройПЭН», г. Ростов-на-Дону);
Краснопольский И.И. (ООО «СтройПЭН», г. Ростов-на-Дону).
УСТРАНЕНИЕ СВЕРХНОРМАТИВНОГО КРЕНА КИРПИЧНОЙ
ТРУБЫ МЕТОДОМ ВЫБУРИВАНИЯ ГРУНТА ИЗ-ПОД ПОДОШВЫ
ФУНДАМЕНТА.
В нашей стране огромный процент жилья, находящегося в аварийном
состоянии, не малую долю из этого фонда составляют объекты, которые в
процессе
эксплуатации
неравномерных
подверглись
деформаций
воздействию
грунтового
сверхнормативных
основания.
Причины
их
возникновения могут быть самые разные, зависящими как от объективных,
так и от субъективных факторов. К ним относятся: ошибки, допущенные при
инженерно-геологических и других видах изысканий, ошибки, допускаемые
при проектировании, строительстве, эксплуатации, нельзя исключать
влияние техногенных процессов и форс-мажорных обстоятельств.
В результате такого воздействия нарушаются эксплуатационные
характеристики объектов, а в случае превышении предельно-допустимого
уровня неравномерных деформаций (в 2-3 раза) сооружения могут быть
признаны аварийными. Для зданий, находящихся в аварийном состоянии,
необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий. К таким
мероприятиям можно отнести работы по стабилизации деформаций
грунтового основания, накренившегося здания, и восстановление его
проектного положения. [3]
В настоящее время в практике восстановления эксплуатационной
надежности сооружений нашли три способа корректировки геометрического
положения здания в пространстве:
- опускание здания или его части путем выбуривания грунта из-под
подошвы фундамента;
- опускание здания или его части за счет изменения прочностных и
деформационных характеристик грунта основания (замачивание грунта);
- подъем и выравнивание зданий с помощью домкратов.
Не один из этих методов не является универсальным. Применение
каждого из способов в конкретном случае должно иметь как экономическое
обоснование, так и обоснование с точки зрения простоты технологии
выполнения работ.
При устранении сверхнормативного крена сооружений башенного типа
(дымовые трубы, силосы) применение таких методов как подъём и
выравнивание при помощи гидравлических домкратов, и замачивание
основания являются не приемлемыми. Так устранение крена высотного
сооружения при помощи домкратов может привести к аварии. Это
обусловлено тем, что у таких сооружений как дымовые трубы центр тяжести
смещен к основанию из-за массивного фундамента. Срезка сооружения с
опоры может привести к изменению положения центра тяжести и
образованию чрезмерных эксцентриситетов, что в свою очередь может
повлечь обрушение.
Замачивание основания может привести к не контролируемым осадкам
сооружения, что может повлечь только усугубление пространственного
положения здания.
Выбор метода выбуривания является наиболее рациональным в данном
вопросе.
Целью статьи является – изучение работы грунтового основания при
выравнивании кирпичной дымовой трубы, получившей сверхнормативный
крен, методом выбуривания, а также разработка технологии производства
работ.
Объектом
Сооружение
исследования
расположено
на
является
кирпичная
территории
ЗАО
дымовая
труба.
кабельный
завод
«Кавказкабель», г. Прохладный.
Сооружение состоит из конусообразного ствола трубы высотой 60 м с
круглым сечением и распределительными газоходами, примыкающими к
стволу трубы (см. рис.1)
Рис. 1 Общий вид кирпичной дымовой трубы.
Ствол трубы в основании имеет диаметр 7270мм, в верхнем сечении 4020мм. Стенка ствола трубы кирпичная. Толщина стенки трубы по высоте
различная и составляет в нижнем сечении – 900мм, в верхнем - 380мм.
Фундамент трубы железобетонный,
отдельно стоящий, представлен
стаканом, опертым на круглую плиту, диаметр подошвы – 14,5 м, диаметр
стаканной части -7,4 м, глубина заложения – 3,2 м.
Исходя из геометрических размеров конструкций трубы и результатов
геодезических
исследований
геометрическое
положение
можно
охарактеризовать следующими параметрами:
-Вертикальная нагрузка от собственного веса конструкций сооружения
N = 26890кН;
-Эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки – e = 0,307м;
- крен сооружения i=0,0224;
- разность осадок фундамента трубы – 325мм;
- отклонение от вертикали в верхней точки сооружения – 1344мм;
- угол наклона α=1о17/.
Рис. 2 Геометрическое положение дымовой трубы
Для устранения сверхнормативного крена необходимо произвести
работы по выбуриванию грунта из-под подошвы фундамента. Но прежде чем
производить данный вид работ нужно рассчитать основные параметры
перфорированного основания, а именно: высоту кровли грунта на
выработками, шаг выработок, необходимые диаметры скважин.
С целью дальнейших расчетов работы грунтового массива выполнен
расчет по определению контактных напряжений по подошве фундамента
трубы.
Напряжения
по
подошве
фундамента
возникают
от
действия
собственного веса конструкций, ветровой нагрузки, нагрузки от грунта на
обрезе фундамента. Распределение напряжений по подошве фундамента
будет иметь трапециевидную эпюру с максимальным значением со стороны
крена.
Для
определения
напряжений
воспользуемся
весовыми
характеристиками для всего сооружения и формулой:
σ=N/A+x(M/I)
Эпюра нормальных напряжений в расчетном сечении представлена на
рис. 3.
Грунтом, залегающими непосредственно под подошвой фундамента,
является просадочный суглинок с прослоями супеси ИГЭ-2. Физикомеханические характеристики грунтов представлены в таблице 1. Геологолитологический разрез представлен на рис. 4.
Рис. 3 Эпюра контактных напряжений вдоль направления крена
Таблица 1
Физико-механические характеристики грунтов основания
ИГЭ-1
Плотность, кН/м3 Угол
Ест.в
Вод.н внутр.
л., ρест 20,5
ас., ρв.н. -трения,
20,1
ИГЭ-2
17,4
№ ИГЭ
19,4
φ
30
Сцепление,
Коэф.
Модуль
с, кПа
относ.
деформаци
-
-прос., ε
и,
5,76
25,6
0,019
Еест.вл./Евод.н
5,73/3,76
ас.
ИГЭ-3
18,6
19,4
-
-
-
7,62
Рис. 4 Геолого-литологический разрез
Исходя из уровня крена, разность осадок между крайними точками
сечения фундамента по оси крена составляет:
∆S = i·D=0,024·14,5м = 0,325м.
Необходимые параметры перфорированного основания:
- ho - максимальная глубина заложения цилиндрической полости,
диаметра D, в грунтовом нагруженном массиве, при которой вокруг полости
появляется пластическое течение грунта.
- 2Н – расстояние между цилиндрическими полостями. воспользуемся.
Рассмотрим полость в грунте которая должна разрушаться при определённом
давлении.
- D – необходимый диаметр цилиндрических полостей.
Области пластического течение грунта определяется уравнением (1),
выведенным в работе [1].
 2 X 1  2 X A  1 X


 X.
A ~ 1
 2 A ~12
(1)
~
Пусть
X  a  e 1 , тогда уравнение (1) удовлетворяется. Из
соответствующей системы в [1] следует У=0. После перехода к физическим
координатам получим пластическое распределение напряжений вокруг
полости.
А 1

С  r 
 1 
1    ,
A  1   a  


  3  C  A 1 ,

  .


(2)
В распределении (2) радиальные и тангенциальные площадки являются
главными, причем  r   1 ,     3 . Эпюры этих напряжений представлены
на рис.5.
Рис. 5 Распределение напряжений вокруг цилиндрической полости в грунте
Используем полученное распределение напряжений (2) для оценки ho
(рис.2.17).
Рис.6 Цилиндрическая полость в грунтовом массиве
Пусть Р – давление под подошвой фундамента. Тогда из первой
формулы (2) следует:
−𝑃 =
𝐶
ℎ 𝐴−1
[1 − (𝑅)
𝐴−1
].
Из последнего выражения найдем h.
1
ℎ = 𝑅 [1 +
𝑃(𝐴−1) 𝐴−1
] .
𝐶
Так как ho=h - R, то искомая величина ho зависит от величины нагрузки
Р, от прочностных характеристик грунта, от радиуса полости следующим
образом:
1
ℎ𝑜 = 𝑅 [1 +
𝑃(𝐴−1) 𝐴−1
]
𝐶
− 𝑅.
(3)
Построим графики величины ho при заданных давлениях Р=0,112 МПа,
Р=0,213 МПа, радиусе полости R=0,11 м в зависимости от угла внутреннего
трения и сцепления грунта.
Найдём значение ho при угле внутреннего трения 30о и сцеплении 0,025
МПа.
Зависимость максимальной толщины слоя грунта над разрушаемой
цилиндрической полостью от прочностных характеристик грунта
𝑃1 =
1 + sin⁡𝜑 𝜋∙tan⁡𝜑
∙𝑒
∙ (𝑞 + 𝑐 ∙ cot φ) − 𝑐 ∙ cot⁡𝜑
1 − sin⁡𝜑
𝑃1 = 1.71⁡МПа
𝐶=
2 ∙ 𝑐 ∙ cos⁡𝜑
1 − sin⁡𝜑
𝐶 = 0,04
А=
1 + sin⁡𝜑
1 − sin⁡𝜑
А = 1,69
1
𝑃 ∙ (𝐴 − 1) 𝐴−1
ℎ0 = 𝑅 ∙ [1 +
−𝑅
]
𝐶
2
1.5
ho( ) 1
0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8

Рис. 7 График зависимости максимальной толщины слоя грунта от угла
внутреннего трения
R=0,11 м – радиус выбуривания, Р=0,213 МПа – максимальное давление
под подошвой, тогда ℎ0 = 0,3м
R=0,22 м – радиус выбуривания, Р=0,112 МПа – максимальное давление
под подошвой, тогда ℎ0 = 1,5⁡м
Вывод.
Грунт вокруг одиночной полости диаметром 0,11 м перейдет в
пластическое состояние и будет разрушаться, если толщина кровли ho будет
меньше, чем 0,3 м при давлении 213 кПа, и меньше, чем 1,5 м при диаметре
полости 0,22 при давлении 112 кПа.
Под жестким фундаментом в этом месте произойдет падение контактного
давления, которое перераспределится в другие части подошвы.
Определение расстояния между скважинами.
Диаметр скважин определяется параметрами бурового оборудования, а
именно диаметрами буров. Для бурения будет использоваться установка
горизонтального бурения УГБ-2м, имеющая в своем арсенале три бура с
диаметрами: d1=110мм; d2=160мм; d3=220мм.
Вырежем из массива регулярный участок (рис.8).
Рис. 8 Регулярная часть грунтового массива
Рис. 9 «Столб» грунта
Допустим, что фундамент опирается на ряд «столбов», заменяющих
простенки между рядом цилиндрических полостей (рис.9). Тогда средние
давления на них Р1 выше давлений под подошвой фундамента Р и связаны с
ним следующей формулой:
Р1 =
2Н+𝐷
2Н
Р
(4)
Предельное напряженное состояние в «столбах» грунтов (рис.9)
определяется кругом Мора.
Из рис. 8 ясно, что

𝜑
4
2
Р1 = 2с⁡𝑐𝑡𝑔( − ⁡ )
(5)
Из формул (4) и (5) вытекает, что разрушающее давление Р на массив
грунта, ослабленного рядом «прямоугольных» полостей вычисляется по
следующей формуле:
𝑃=
4𝑐𝐻


𝑐𝑡𝑔 ( − ).
2𝐻+𝐷
4
2
(6)
Наличие материала выше и ниже горизонтального диаметра кругло
цилиндрической полости по сравнению с «прямоугольной» полостью
сдерживает пластическое течение и повышает предельную нагрузку (6).
Назовем отношение предельной нагрузки на регулярную
часть
грунтового массива (2H+D)P к предельной нагрузке на «столб» грунта 2HP1
коэффициентом усиления k.
Коэффициент усиления можно вычислить методом, описанным в
работе [1]. Однако в настоящей работе воспользуемся приближенными
значениями, найденными по аналитическим формулам справочника [2].
С учетом коэффициента усиления k разрушающее давление Р на
массив грунта, ослабленного рядом цилиндрических полостей, находится по
формуле:
𝑃=
4𝑘𝑐𝐻


𝑐𝑡𝑔 ( − )
2𝐻+𝐷
4
2
Из данного выражения находим искомую величину Н:
(7)
𝐻=
𝐷
𝜋 𝜑
4 ∙ 𝑘 ∙ 𝐶 ∙ 𝑐𝑡𝑔( − )
4 2 −2
𝑃
Таким образом минимальный шаг будет получен при давлении Р= 112
кПа, при D = 0,22 м Н=0,49 м.
0.25
0.49
1.07
0.2
0.1906
0.15
p ( H)
0.1354
po( H)
0.1
0.05
0
0
0.5
1
1.5
2
H
Рис. 11 График зависимости предельного давления под подошвой от расстояния
между цилиндрическими полостями.
При выбуривании из-под фундамента извлекается известный
объем грунта, так образуются пустоты в основании. При разрушении
участков между скважинами, полученные пустоты заполняются. Можно
оценить
максимально
возможные
перемещения,
получаемые
при
выбуривании ряда горизонтальных скважин.
S = πd2/4a, где d – диаметр скважин; а – шаг скважин.
Выполним расчет максимально возможных осадок при выбуривании ряда
скважин с шагом 350мм и 175мм с различными диаметрами.
Таблица 2
Максимальные осадки при шаге, мм
Диаметр скважины,
мм
350
175
110
27
54
160
57
115
220
109
217
110-160
42
84
110-220
68
136
160-220
83
166
Таким образом мы видим, что для устранения сверхнормативного
крена
трубы
необходимо
устройство
перфорированного
основания.
Параметры скважин необходимых для приведения сооружения в проектное
положение приведены в табл. 2.
Данный метод позволяет устранять крены не только сооружений
башенного типа и резервуаров, но и жилых и общественных зданий.
Достоинством метода является возможность устранять крен без внесения
конструктивных изменений в каркас здания и создания конструкций
усиления. При выбуривании устраняется необходимость замачивания
основания и самое главное необходимость предварительного отселение
жителей людей.
Литература
1. Дыба В.П. Оценки несущей способности фундаментов: монография/
Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2008.-200 с.
2. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том
1. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко/ М: «Машиностроение»- 1968. С.78.
3.Пулатов А.П. Работа оснований при выравнивании сооружений
способом бурения горизонтальных и наклонных скважин: диссертация на
соискание учёной степени . Киев 1986г.