ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Масштабное освоение подземного пространства, строительство общественных зданий и коммуникаций решает проблемы не только с транспортом и нехваткой территорий, но и позволяет сэкономить наземное пространство. Размещение различных объектов под землей, таких как торговые центры, парковки и другие здания для массового пользования, помогает сохранить окружающую среду и уделить больше пространства для обустройства парков, скверов, а также способствует развитию градостроительства как отдельной подземной структуры.

При такой концепции развития города актуальной становится необходимость комплексного подхода к использованию подземного пространства на глубинах 20-100 м. В настоящее время основное использование происходит лишь под транспортные и коммунальные сети и отдельные незначительные объекты вспомогательного назначения относительно мелкого заложения [1].

К основным особенностям строительства под землёй относится необходимость работы в условиях давления окружающего массива пород, присутствие агрессивных подземных вод, необходимость применения специальной техники и технологии особенно в неустойчивых наносных отложениях. Поэтому разработка и определение рациональных параметров крепления является наиболее важным фактором в экономическом обосновании проектирования таких подземных конструкций [2].

К особенностям подземного гражданского строительства можно отнести еще и тот факт, что, как правило, все подземные сооружения строительства находятся на небольшой глубине в осадочных слабых породах. Такое положение позволяет использовать при проектировании достаточно простые методы расчета вертикальных и боковых нагрузок на поддерживающие конструкции, которые были разработаны для небольших глубин при добычи полезных ископаемых российскими учеными М. М. Протодьяконовым и П. М. Цимбаревичем [3].

Среднее давление со стороны кровли, приходящееся на 1 м², получим, поделив это выражение на пролет выработки 2a:

                                                                       (1)

где а – полупролет выработки, f – коэффициент крепости породы

Эпюра давления, действующего на боковую стенку выработки, представляет собой трапецию, и величина горизонтального давления, действующая на единицу длины выработки, численно равна площади трапеции (рис.):

                                                                  (2)

Подставив значения d₁ и d₂, получим:

                                             (3)

где g – объемный вес горных пород, kH/м³; j – угол внутреннего трения, град.

Несмотря на то, что интенсивность бокового давления на крепь неодинакова по высоте выработки (d₁ и d₂), для упрощения боковую нагрузку можно принять равномерно распределенной по высоте с интенсивностью, равной среднему арифметическому верхнего и нижнего значений  D.

Рисунок 1. Схема к определению нагрузки на несущую конструкцию техногенного обнажения

Горизонтальная нагрузка на конструкцию зависит от угла внутреннего трения грунтов и пород и может меняться в широких пределах [4]. Так же  угол внутреннего трения грунтов достаточно сильно может изменяться при наличии обводненности окружающего массива [5, 6].

На основании полученных данных о значениях угла внутреннего трения пород и грунтов, а так же зависимости этого значения от влажности можно сделать заключение о значительном изменении боковой нагрузки даже в одних и тех же типах пород.  Данное обстоятельство потребует определение несущей способности подземной конструкции при изменении, как самих пород, так и их влажности на различных участках строительства (особенно если подземное сооружение имеет значительные горизонтальные или вертикальные размеры).

Как следует из формулы (3), значение горизонтальной нагрузки на конструкцию подземного сооружения может меняться в зависимости от коэффициента:

                                                                       (4)

Если считать, что угол внутреннего трения в данном случае может изменяться в пределах от 40⁰ до 15⁰, то данный коэффициент может принимать значения от 0,2 до 0,6 и, следовательно, значение боковой нагрузки на крепь может изменяться почти в 3 раза, что делает необходимым рассмотрение различных предельных вариантов нагружения несущей конструкции.

Для некоторых подземных несущих конструкций расчет на прочность можно вести отдельно для вертикальных и боковых элементов. Однако в большинстве случаях для получения точных результатов, при определении внутренних усилий в элементах конструкций и расчете на прочность таких сооружений требуется учитывать совместное действие боковых и вертикальных нагрузок. В этом случае приходится решать статически неопределимую систему методом сил.

Метод сил является наиболее универсальным методом, применяемым в настоящее время. Для определения усилий в статически неопределимых системах с использованием данного метода дополнительно с уравнениями статики составляются уравнения совместности деформаций, т.е. уравнения, выражающие связь между деформациями отдельных элементов системы. При этом количество дополнительных уравнений соответствует степени статической неопределимости системы.

В предельном состоянии суммарные напряжения σ в опасных сечениях меньше или равны расчетному сопротивлению пределу текучести материала конструкции.  Не выполнение данного условия при проектировании подземного сооружения может быть устранено несколькими способами: применением профиля с большим моментом сопротивления сечения, использовании материала с большими прочностными характеристиками или уменьшения расстояния между несущими конструкциями. Применение любого из представленных вариантов во многом зависит от конкретных возможностей заказчика и должно быть экономически целесообразно.

ВЫВОДЫ

1. Увеличение объемов подземного строительства требует разработки обоснованных методов и алгоритмов рационального проектирования данных сооружений.

2. Применение упрощенных методов расчета несущий способности таких конструкций может привести к значительным ошибкам при определении устойчивости подземного сооружения.

3. Наличие обводненных слабых пород способно в значительной степени изменить величину нагрузки на крепь со стороны боков и тем самым привести к изменениям устойчивости всей несущей конструкции.

4. Расположение городских подземных сооружений на небольших глубинах с породами малой прочности и возможностью увеличения влажности и обводненности в связи с близостью к поверхности, делает необходимым проведение расчетов по определению устойчивости подземных конструкций для различных вариантов с целью выявления наиболее неблагоприятного сочетания нагрузок.

Список литературы:

1. Освоение подземного пространства в городах [Электронный ресурс]. – URL: https://earth-chronicles.ru/news/2016-02-20-89281.
2. Веретенников, Д.Б. Подземная урбанистика: учебное пособие / Д.Б. Веретенников; Самарский государственный архитектурно-строительный университет. – Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2013. – 216 с.
3. Борщ-Компониец В.И. Практическая механика горных пород. М.: Издательство «Горная книга», 2013. 322 с.
4. Гидромеханизация при намыве строительных площадок, грунтовых сооружений, пляжей [Электронный ресурс]. – URL: https://sapropel.info/gidromehanizatsiya-pri-namyve-stroitelnyh.
5. Н. Ф. Пыхтеева, В. В. Букша, В. И. Миронова. МЕХАНИКА ГРУНТОВ Учебно-методическое пособие / Н. Ф. Пыхтеева; Уральский Федеральный Университет им. Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, 2018. – 102 с.
6. Справочные значения прочностных и деформационных характеристик грунтов [Электронный ресурс]. – URL: https://ostroykevse.com/Fundament/09-1.html.