Способ подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых грунтах
METHOD FOR PREPARING THE BASE OF A CYLINDRICAL TANK ON SOFT SOILS

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении вертикальных цилиндрических резервуаров на слабых сильнодеформируемых грунтах.
Известен способ создания искусственного основания цилиндрического вертикального резервуара на слабых грунтах путем отсыпки песчаной подушки на поверхность грунта (П.А. Коновалов и др. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований. М.: Издательство АСВ, 2009, стр. 270-285 - аналог). Подушка распределяет и снижает напряжения, создаваемые кольцевым фундаментом резервуара на кровлю слабого грунта. Недостатком способа является развитие неравномерной осадки основания под днищем и стенками резервуара, что часто служит причиной повреждения сварных швов в узле их сопряжения.
Известен способ создания искусственного основания резервуара, в котором для повышения устойчивости и снижения неравномерности осадки основания выполняют армирование подушки горизонтальными элементами (П.А. Коновалов и др. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований. М.: Издательство АСВ, 2009, стр. 270; C. Alston, D. K. Lowry, A. Lister. Geogrid Reinforced Granular Pad Foundation Resting on Loose and Soft Soils, Hamilton Harbour, Ontario. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, № 1/21, 2015, 11 pp – аналог). Как правило, для армирования подушки используют георешетку, представляющую собой плоский геосинтетический материал со сквозными ячейками, способный воспринимать растягивающие напряжения.
Размещение полотнищ геосинтетика в горизонтальной плоскости существенно снижает эффект армирования, так как включение армирующего материала в работу происходит  при появлении в нем растягивающих напряжений, то есть по мере развития осадки основания и прогиба днища резервуара (Ch.L. Helstrom, D.N. Hamphrey, J.M. Labbe. Performance and effectiveness of a thin pavement section using geogrids and drainage geocomposites in a coldregion. NETCR60 NETC Project No.00-8, August 2008, University of Maine, p.20, fig.2.1.; К.Д.Джоунс.Сооружения из армированного грунта. – М., Стройиздат,1989.–c.133-134). С другой стороны, отсутствие контроля за величиной растягивающих напряжений может привести к разрыву армирующего материала или проскальзыванию концов полотнищ, являющихся характерными причинами потери устойчивости основания (П.А. Коновалов и др. Фундаменты стальных резервуаров и деформации их оснований. М.: Издательство АСВ, 2009, стр. 272).
Известен способ подготовки основания здания на слабых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку грунтовой подушки с послойным уплотнением, укладкой полотнищ георешетки и анкеровкой их концов с помощью жестких элементов, в котором предварительное напряжение армирующих слоев достигается за счет уплотнения слоёв грунта подушки, подстилающих полотнища, на участках вне контура фундаментов до укладки полотнищ, а участков внутри контура фундаментов – одновременно с уплотнением слоёв, покрывающих полотнища (Патент РФ №2674488, МПК Е02D27/01, 2018 - аналог). Недостатком конструкции является большая трудоёмкость реализации способа предварительного напряжения армирующего материала, обусловленная необходимостью поочередного уплотнения слоёв грунта, особенно в подушке круглой формы под цилиндрический резервуар, а также невозможность контроля величины предварительного напряжения георешетки.
Известен способ предотвращения обрыва армирующих слоев за счет применения податливой георешетки с U-образными отгибами на лентах или прядях, противоположные края которых соединены связями с прочностью на растяжение, меньшей, чем у соединяемых ими лент или прядей (Патент РФ №2686554, МПК Е01С 3/04, 2019 - аналог). При развитии напряжений в георешетке, близких к пределу прочности на растяжение, связи рвутся, полотнище удлиняется, что вызывает перераспределение напряжений между грунтом и георешеткой. Применение податливой георешетки позволяет предотвратить ее обрыв в процессе эксплуатации сооружения, однако защитные связи рассчитаны лишь на однократное применение.
Известны способы крепления георешетки к подпорной стене с помощью коннекторов различной конструкции, размещаемых в бороздах на поверхности блоков. Например, в качестве коннектора могут использоваться клипсы, проходящие через отверстия георешетки, или стержни, вокруг одного из которых полотнище оборачивается, тогда как другой фиксирует отгиб сверху (Патент US 6679656/2004, E02D 17/00 – аналог, Патент US 2009/0142145, E21D 20/00 – аналог). Неподвижное крепление георешетки к подпорной стене не позволяет регулировать ее натяжение в ходе эксплуатации сооружения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых неравномерно сжимаемых грунтах, включающий отрывку котлована, отсыпку и послойное уплотнение песчаной подушки, раскладку на каждом уплотняемом слое полотен армирующего материала и кольцевых жестких элементов, натяжение армирующих полотен и крепление их к кольцевым элементам (Патент РФ №2308574, МПК Е02D27/00, 2006 – прототип). Недостатком прототипа является значительная трудоёмкость реализации способа, обусловленная необходимостью применения специальных приспособлений и механизмов для натяжения и крепления полотен армирующего материала. Технически сложным является одновременное равномерное натяжение полотен во взаимно перпендикулярных направлениях, без которого из-за деформации кольцевых элементов эффект предварительного напряжения не будет достигаться. Кроме того, при разрыве верхних армирующих слоев будет наступать прогрессирующее разрушение нижележащих слоев (Ширанов А.М., Невзоров А.Л. Физическое моделирование армированной песчаной подушки в основании фундамента // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. – 2018. – Т. 9, № 4. – С. 80–92. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.4.08).
Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности армированной грунтовой подушки за счёт контролируемого предварительного напряжения армирующего материала и податливости анкерующих элементов.
Это достигается тем, что в способе подготовки основания цилиндрического резервуара на слабых грунтах, включающем послойную отсыпку и уплотнение грунтовой подушки, укладку полотнищ армирующего материала и анкеровку их концов, до начала отсыпки подушки по ее периметру размещают анкерные плиты, отсыпку грунта ведут от анкерных плит к центру подушки с уклоном поверхности в том же направлении, укладку и растяжение полотнищ между диаметрально противоположными плитами выполняют после отсыпки первого слоя грунта, концы полотнищ заводят в прорези в плитах и закрепляют их на внешней стороне плит разъемными зажимами.
Последовательность подготовки основания цилиндрического резервуара на слабом грунте иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан поперечный разрез основания после отсыпки первого слоя подушки и крепления георешетки к анкерным плитам, фиг. 2 – то же, вид сверху, на фиг. 3 дан поперечный разрез основания после формирования грунтовой подушки на полную высоту,  на фиг.4 – то же, вид сверху, на фиг. 5 приведен поперечный разрез основания и резервуара в стадии эксплуатации, на фиг. 6 – поперечный разрез анкерной плиты с эпюрой пассивного давления грунта.
Способ осуществляют следующим образом.
На спланированную поверхность или с заглублением ниже отметки планировки устанавливают анкерные плиты 1 со сквозной горизонтальной прорезью 2, размеры которой равны размерам поперечного сечения полотнища армирующего материала. Отсыпают и уплотняют первый слой грунтовой подушки 3 таким образом, чтобы его поверхность у анкерной плиты достигала прорези 2 и имела уклон от анкерной плиты к центру площадки (фиг. 1 и 2). Между диаметрально противоположными анкерными плитами растягивают полотнища армирующего материала 4. Для удержания полотнищ в горизонтальной плоскости их концы заводят в прорези 2 и закрепляют на внешней противоположной поверхности анкерных плит с помощью плоского разъемного, например, винтового, зажима 5, обеспечивающего фрикционное соединение. При больших размерах резервуара, для устранения провисания полотнищ под них укладывают временные опоры 6.
Отсыпку и уплотнение следующих слоев грунтовой подушки 7, 8, 9, 10, 11 ведут также, как и первого слоя, от периферии к центру, предварительно убрав из-под полотнищ временные опоры 6. Отсыпаемым грунтом сначала пригружаются анкерные плиты и прилегающие к ним участки полотнищ, затем под действием веса следующих слоев грунта и уплотняющих механизмов армирующий материал получает прогиб и предварительное напряжение (фиг. 3). Силу натяжения полотнищ задают величиной уклона поверхности первого слоя - с увеличением уклона возрастают растягивающие напряжения в георешётке. После достижения проектного профиля подушки приступают к изготовлению кольцевого фундамента резервуара 12 (фиг. 4).
Наличие армирования грунтовой подушки повышает устойчивость основания и уменьшает разность осадок фундамента и днища в ходе эксплуатации резервуара 13, а прогиб и преднапряжение армирующих слоев обеспечивают включение армирующих слоев работу сразу после возведения резервуара.
При развитии крена резервуара, например, из-за неоднородности основания, со стороны противоположной направлению крена ослабляют разъемные зажимы 5, служащие для крепления полотнищ к анкерным плитам. По мере развития осадки основания концевые участки полотнищ вытягиваются из прорезей 2. Выждав время, необходимое для выравнивания крена, винты зажимов вновь затягивают.
Обрыв полотнищ геосинтетика предотвращается за счет податливости анкерных плит - при достижении в полотнищах напряжений, близких к пределу прочности на растяжение, плиты смещаются к центру резервуара, ослабляя натяжение полотнищ. Размер анкерных плит определяется из условия (фиг. 6):
F
> E
,
пр
р
F
пр
где  - прочность полотнища на разрыв,
E
р
– сила предельного сопротивления анкерной плиты.
Δ
h
h
σ
hp
При перемещении  ≥ (0,01…0,02) горизонтальное давление грунта на анкерную плиту высотой  допускается принимать равным так называемому пассивному давлению  (СП 22.13330. 2016 Основания зданий и сооружений. М.: Стандартинформ, 2017, п. 9.23). Максимальное значение пассивного давления у подошвы анкерной плиты вычисляется по формуле:
γ
где  - удельный вес грунта подушки,
φ
- угол внутреннего трения того же грунта.
Сила предельного сопротивления анкерной плиты, равная равнодействующей пассивного давления, составляет (СП 381.1325800.2018 Сооружения подпорные. Правила проектирования. М.: Стандартинформ, 2019, п. 6.3.19):
l
где  - длина плиты.
Силу предельного сопротивления анкерной плиты можно определять не только расчетом, но и экспериментально путем прямого измерения в полевых условиях.
Число полотнищ армирующего материала, которые необходимо разместить в основании резервуара для восприятия заданной нагрузки, определяют с учетом найденной силы предельного сопротивления анкерных плит.
b
а
.
Расстояние , на которое следует относить анкерные плиты от кольцевого фундамента, должно составлять не менее ширины  призмы выпирания грунта ABC, возникающей перед анкерной плитой. Выполнение этого условия будет исключать воздействие горизонтального давления грунта на боковую поверхность фундамента при перемещении анкерной плитыШирина призмы вычисляется по формуле (СП 22.13330. 2016 Основания зданий и сооружений. М.: Стандартинформ, 2017, п. 9.22):
Преднапряжение полотнищ армирующего материала повысит эффективность армирования грунтовой подушки, а именно, обеспечит повышение устойчивости основания и снижение разности осадок фундамента и днища резервуара, а применение податливых анкерных плит предотвратит разрыв полотнищ в процессе его эксплуатации.