Материал: Строительная механика и сопротивление материалов

УДК 624.04

РАСЧЕТ ЗАГЛУБЛЕННОГО АККУМУЛИРУЮЩЕГО РЕЗЕРВУАРА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ СОВМЕСТНО С КОНСТРУКЦИЕЙ «СТЕНА В ГРУНТЕ» МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

А.С. Горбачев1, В.В. Леденев2

Тамбовский государственный технический университет1,2 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, магистрант кафедры "Конструкции зданий и сооружений"

2Д-р техн. наук, проф. кафедры "Конструкции зданий и сооружений"

Тел.: +7-905-048-74-30, e-mail: gor1981@bk.ru

Приводится анализ конструирования, проектирования и строительства заглубленного железобетонного резервуара с использованием эффективного способа строительства «стена в грунте». Изложен порядок расчета несущих элементов резервуара методом конечных элементов на действующие нагрузки и их неблагоприятные сочетания по двум группам предельных состояний. Разработаны рекомендации по обеспечению требуемой жесткости соединений несущих элементов – «стена в грунте» и наружной стенки резервуара.

Ключевые слова: резервуар; «стена в грунте»; железобетон; нагрузки; расчеты; метод конечных элементов.

DESIGN OF TREATMENT FACILITIES BURIED STORAGE TANK TOGETHER

WITH CONSTRUCTION OF THE «SLURRY WALL» BY FINITE ELEMENTS METHOD

A.S. Gorbachev1, V.V. Ledenev2

Tambov State Technical University1,2

Russia, Voronezh

1PhD of Tech. Sc., undergraduate of the department ―Buildings and structures construction"

2Dr of Tech. Sc., professor of the department ―Buildings and structures construction"

tel.: +7 905 048 74 30, e-mail: gor1981@bk.ru

There is presented the analysis of engineering, design and construction of buried reinforced concrete tank with application of effective method of ―slurry wall‖ construction. There is given the order of calculation of tank bearing elements on the active loads and their unfavorable combination according to two limiting states groups by the finite elements

method. The recommendations for guarantee of demanded bearing elements joints stiffness – ―Slurry wall‖ and external wall of the tank is developed.

Keywords: tank; «slurry wall»; reinforced concrete; loads, calculations; finite elements method.

В последнее время актуальны вопросы, связанные с восстановлением и развитием жи- лищно-коммунального хозяйства, в том числе в строительстве при реконструкции сооружений систем водоочистки и водоподготовки. Широкое распространение здесь получили железобетонные сооружения - резервуары подземного (заглубленного) типа. Проектирование их вызывает трудности из-за сложности учета конструктивных решений, инженерно-

геологических и гидрологических условий.

При строительстве заглубленных резервуаров в сложных геологических условиях, в том числе в водонасыщенных грунтах с водоносными горизонтами и так называемыми «верховодками», эффективным методом строительства является метод «стена в грунте».

______________________________

© Горбачев А.С., Леденев В.В., 2018

105

При реализации которого возникает ряд вопросов, связанных с расчетом строительных конструкций резервуара, в том числе с учетом совместной работы прижимных стен резервуара с конструкцией «стена в грунте». Рассмотрим пример проектирования такого резервуара.

Проектируемый аккумулирующий резервуар представляет собой железобетонное монолитное сооружение, заглубленное ниже уровня планировочной отметки земли на глубину 12 м (рис. 1). За относительную отметку 0,000 м принята отметка верха аккумулирующего резервуара. Габаритные размеры резервуара в плане составляют 23,2х26,2 м. Сооружение состоит из горизонтальных и вертикальных монолитных железобетонных конструкций, которые формируют отдельные отсеки резервуара. К горизонтальным конструкциям относятся нижняя фундаментная плита толщиной 600 мм и верхняя плита покрытия толщиной 400 мм. К вертикальным конструкциям относятся наружные стены общей толщиной 1 100 мм (800 мм+300 мм) и внутренние стены толщиной 400 и 300 мм. Все монолитные конструкции выполняются из бетона класса В30 на гранитном щебне. Марка бетона по морозостойкости F150, по водопроницаемости W6.

Гидрогеологические условия площадки строительства характеризуются наличием двух водоносных горизонтов: аллювиального и основного надъюрского водоносного комплекса. Подземные воды аллювиального водоносного горизонта вскрыты практически с поверхности, на глубине 0,1 м. Подземные воды надъюрского водоносного комплекса вскрыты на глубинах 3,8 - 4,4 (на момент проведения изысканий).

Рис. 1. Заглубленный ж/б резервуар. Разрез

Возведение наружных стен резервуара предполагается выполнять методом «стена в грунте». Устройство конструкции осуществляется с уровня естественного рельефа, что ниже отметки верха перекрытия резервуара на 4,5 м. На начальном этапе производиться отрывка траншеи под слоем глинистого раствора. Общая глубина траншеи составляет 12 метров, ши-

106

рина принимается равной 800 мм. Основанием стены является глина серовато-черная, полутвердая, тяжелая с прослоями суглинка твердого, слюдистая, слабонабухающая. Заглубление «стены в грунте» в водонепроницаемый слой грунта будет способствовать созданию водонепроницаемого экрана, исключив тем самым приток грунтовых вод в котлован и всплытие конструкций резервуара в период строительства.

Стена возводиться отдельными захватками длиной не более 6 м. После устройства контура котлована осуществляется разработка грунта с устройством распорок в верхней части стен. Затем методом подводного бетонирования устраивается тампонажный слой бетона толщиной 1м. После отвердевания бетона днища вода из котлована откачивается.

На втором этапе выполняется устройство дна резервуара поверх тампонажного слоя бетона, возведение внутренних стен, прижимных стенок резервуара, наружных стен резервуара в продолжение «стены в грунте» и перекрытия. Устройство внутренних прижимных стен осуществляется посредством выпусков арматуры из днища аккумулирующего резервуара, а продолжение наружных стен резервуара - путем устройства выпуска арматурных каркасов из «стены в грунте» и арматуры прижимных стен. Сопряжение конструкции днища резервуара с прижимными стенами выполняется жестким. Для совместной работы прижимных стен со «стеной в грунте» предполагается на внутренней поверхности «стен в грунте» выполнить бетонные шпонки с дополнительным устройством закладных деталей и удерживающих арматурных скоб (рис. 2). В расчетной модели данные мероприятия выполнены установкой устройства коротких стержней, имитирующих работу бетонных шпонок. Узлы сопряжения внутренних стен между собой, с прижимными стенами и перекрытием резервуара выполнены жесткими с устройством анкерующей арматуры.

Рис. 2. Узлы сопряжения наружной стенки резервуара со стеной в грунте

107

Рис. 3. Схема расположения бетонных шпонок для обеспечения совместной работы «стены в грунте» и прижимной стены в оси А

Неизменяемость конструкции «стены в грунте» в период строительства котлована обеспечивается за счет установки распорок в верхней части стены и заглубления нижней части стены ниже планировочной отметки дна котлована. Глубина заделки «стены в грунте» определяется расчетом. Кроме того, жесткость и неизменяемость нижней части «стена в грунте» в период строительства аккумулирующего резервуара и в период его эксплуатации обеспечивается за счет устройства «распорки» в уровне низа резервуара представленной в виде конструкции днища резервуара и тампонажного слоя бетона. В период эксплуатации жесткость наружных стен также обеспечивает устройство жестких узлов сопряжения с монолитным перекрытием, представляющим собой жесткий диск покрытия.

На перекрытии аккумулирующего резервуара монтируются станции очистки ливневых стоков. Монтаж станций осуществляется посредством закладных деталей, выполняемых в перекрытии аккумулирующего резервуара.

На конструкции сооружений действуют нагрузки [3],[4]: собственный вес конструкций, горизонтальное давление грунта с учетом временной нагрузки от транспорта и складируемого материала, нагрузки от станции обработки вод на перекрытие резервуара, заполнение резервуара водой, снеговой нагрузки, ветровой нагрузки, подпора воды, позволяющий всплытию резервуара. Значения действующих нагрузок определены в соответствии с СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия и СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений.

Расчетная схема несущих конструкций аккумулирующего подземного ж/б резервуара выполнялся при помощи программного комплекса SCAD Office 11.5. Теоретической основой ПК «SCAD Office» является метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в форме перемещений. Расчетная модель железобетонных конструкций аккумулирующего резервуара представляет собой пространственную систему из пластинчатых и стержневых элементов проектной толщины (рис. 4). Нижняя и верхняя плиты, стены и перегородки резервуара рассчитаны с применением универсального прямоугольного конечного элемента для расчета оболочек КЭ 44.

108

Рис. 4. Общий вид расчетной модели

В расчетной модели конструкция «стены в грунте» выполнена до уровня днища резервуара в предположении образования в данном месте пластического шарнира. Образование пластического шарнира обусловливается невозможностью контроля качества бетонирования «стены в грунте» с наружной стороны и, как следствие, наличие коррозии арматуры растянутой зоны бетона в период эксплуатации сооружения.

Технология строительства «стены в грунте» предполагает выполнение работ отдельными захватками, в связи с этим в расчетной модели для наружных стен было введено разделение узлов пластинчатых элементов на участки, приближенно равные длинам захваток. По данным узлам в расчетной модели введены «объединения перемещений» по направлениям осей X и Y для учета их совместной работы в соответствующем направлении.

По контуру наружных стен в узлах добавлены связи конечной жесткости (КЭ 51) по направлению оси Z, имитирующие опирание «стены в грунте» на основание. На 1 м/п приходится 2 конечных элемента КЭ51. Таким образом, жесткость связей принята равной 300 т/м, соответствующая осадке в 17 мм для участка стены толщиной 800 мм и длиной 1000 мм при приложении нагрузки 10 т. По контуру наружных стен введены связи в узлах по направлениям осей X и Y с учетом того, что под сооружением выполняется тампонажный слой бетона, исключающий перемещения «стены в грунте» по данным направлениям. Прижимная стенка смоделирована пластинчатыми конечными элементами КЭ44. Для моделирования совместной работы конструкции «стены в грунте» и прижимной стенки в отдельных местах в расчетной модели выполнено объединение перемещений узлов пластин «стены в грунте» и прижимной стенки.

Подбор и проверка сечений элементов резервуара произведена сравнениями допускаемых усилий с усилиями, полученными при расчете на наиболее неблагоприятные комбинации загружений. При проверке сечений в «SCAD» был учтен тип элемента и данные, необходимые для расчета в соответствии с СП 52-101 -2003. Расчет производился на действие расчетных сочетаний усилий, вычисленных в ВК «SCAD Office». Подбор армирования для всех элементов резервуара производился в постпроцессоре «Железобетон «SCAD Office». Результаты расчетов представлены графически в виде карт требуемого сечения арматуры для

109