СПОСОБ ЗАЩИТЫ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ГРУНТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTING FOUNDATIONS OF BUILDINGS AND STRUCTURES AGAINST DYNAMIC EFFECTS IN SOIL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к области строительства, в частности к защите зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте различного происхождения - сейсмического, техногенного (возникающего от движения транспорта, эксплуатируемого промышленного оборудования, работы строительных машин - копров, кранов, буровых установок и т.п.), а также вызванных различными чрезвычайными ситуациями, сопровождающимися взрывами.
Известен экран для защиты зданий, сооружений от сейсмических воздействий, который включает расположенную вокруг здания, сооружения погруженную в грунт оболочку, выполненную из соединенных концевыми участками и обращенных выпуклостями навстречу колебаниям железобетонных секций, причем для повышения эффективности процесса гашения сейсмических колебаний каждая секция оболочки выполнена Л-образной формы, при этом масса грунта, заключенная внутри оболочки, равна массе здания, сооружения железобетонных секций (см. пат. РФ №2006553, E02D 27/34, опубл. 30.01.1994).
Недостатком известного устройства являются технологические трудности, возникающие при его реализации в условиях наличия в верхней толще геологического разреза слоев водонасыщенных слабых и неоднородных техногенных грунтов. В этих условиях трудно обеспечить сплошность конструкций, бетонируемых в грунте на глубину 3,3 м с толщиной стенок 0,2 м, а также монолитность соединения концевых участков устройства. В период эксплуатации будут возникать просадки, в том числе вызванные суффозными процессами и разрушениями структуры грунта, прилегающего к элементам устройства, при распространении в нем динамического возмущения. В этой связи необходимо проводить постоянный ремонт, который на практике своевременно осуществлять не всегда возможно. При этом в случае необходимости проведения строительных работ по прокладке и ремонту инженерных сетей, дорог и т.п. вблизи здания целостность устройства будет однозначно нарушена, а восстановить его работоспособность в заданных параметрах будет достаточно сложно.
Известен экран для защиты фундаментов зданий, сооружений от воздействия колебаний грунта (см. Авт. свид. СССР №601355, МПК E02D 27/34, опубл. 05.04.1978), включающий размещение в образованной на расстоянии от здания, сооружения по его периметру траншее поглощающего материала, при этом траншея выполнена в поперечном сечении трапецеидальной формы.
Недостатком экрана является его ограниченная работоспособность после распространения динамического воздействия в грунте, которое приведет к уплотнению и потере эксплуатационных свойств поглощающего материала. Кроме того, при возведении таких экранов в геологических разрезах, верхнюю толщу которых слагают слабые водонасыщенные грунты, произойдет перемешивание указанного материала породой и вытеснение его в стенки траншеи. В таких условиях необходимо проводить постоянный ремонт устройства, что является трудноосуществимой задачей и потребует заново повторить полный технологический цикл по его возведению.
Известна водозаборная скважина (Патент РФ №2164988, МПК E03B 3/12, опубл. 10.04.2001), содержащая обсадную, фильтровую и водоподъемную колонны труб, отстойник фильтровой колонны труб и погружной насос, кондукторную и промежуточную колонны труб, амортизирующее устройство в виде концентрично расположенных обсадных и промежуточных колонн труб с радиально размещенными по их периметру дроссельными элементами, межтрубные пространства которых заполнены демпфирующей жидкостью, а между фильтровой и водоподъемной колоннами труб установлена труба из эластичного материала, на уровнях верхней и нижней отметок фильтрующей поверхности фильтровой колонны труб установлены кольцевые заглушки так, что соответственно нижний торец промежуточной колонны труб соединен с обсадной и фильтровой колоннами труб, а нижний торец обсадной колонны труб соединен с фильтровой колонной труб, причем между верхней и нижней кольцевыми заглушками обсадная труба выполнена перфорированной и кольцевое пространство заполнено гранулированным фильтрующим материалом, дроссельные элементы установлены по всей высоте промежуточной колонны труб, а отстойник фильтровой колонны труб снабжен направляющим фонарем в виде усеченного конуса.
Недостатком известного устройства является то, что эффект гашения интенсивности динамического воздействия, достигаемый за счет принудительного проталкивания демпферной жидкости через дроссельные элементы, применяется ограниченно и направлен на сохранение водоподъемных труб, что делает невозможным его применение для защиты конструкций фундаментов зданий и сооружений.
Задача, решаемая заявляемой группой изобретений, заключается в повышении эффективности защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте различного происхождения. Кроме того, решается задача повышения надежности работоспособности устройства для защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте (далее по тексту «устройство защиты») в условиях многократно повторяющихся воздействий различной интенсивности без проведения ремонта устройства защиты.
Технический результат - повышение эффективности защиты зданий, сооружений от динамических воздействий за счет установки в грунте системы устройств защиты, снижающих интенсивность воздействий. Это достигается за счет применения в устройстве защиты эффекта демпфирования, реализуемого при принудительном проталкивании демпфирующей жидкости через систему дроссельных элементов.
Способ защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте, включающий выполнение на расстоянии от здания, сооружения вдоль его конструктивных элементов, подвергающихся динамическим воздействиям, траншеи бурением скважин шнеком без извлечения грунта на поверхность, при этом диаметр и глубину скважин принимают соответственно равными длине и ширине устройства защиты и шаг бурения назначают из условия, чтобы на одно устройство защиты в плановом положении приходилось не менее двух скважин разрыхленного грунта, затем в образованную траншею с разрыхленным грунтом погружают устройство защиты посредством вибропогружателя, жестко установленного на элементе крепления устройства защиты, выполненном в виде стальной пластины и жестко соединенном с верхним торцом устройства защиты, на всю глубину скважины таким образом, чтобы наружная стенка устройства защиты с продольными окнами была расположена со стороны источника динамического воздействия в грунте, при этом каждое последующее устройство защиты на поверхности грунта предварительно соединяют с уже погруженным в грунт устройством защиты посредством соединения соответствующих вертикальных замковых элементов Т- и Ω-образной формы, установленных на боковых наружных стенках устройства защиты, смежных со стенкой с продольными окнами, после погружения всех устройств защиты их соединяют между собой через муфты с вентилями, расположенными под верхней заглушкой на наружной стенке устройства защиты, гидравлическими шлангами, причем два крайних устройства защиты соединяют с внешней емкостью, содержащей демпфирующую жидкость, затем полости каждого погруженного устройства защиты последовательно заполняют демпферной жидкостью через трубопроводы, установленные на их верхних заглушках.
Устройство для защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте, выполненное в форме параллелепипеда и содержащее элемент крепления для зажима вибропогружателя, выполненный в виде стальной пластины и жестко соединенный с верхним торцом устройства защиты, съемную крышку, под которой расположены две одинаковые герметичные полости, ограниченные верхней и нижней заглушками и разделенные внутренней стенкой, при этом герметичные полости заполнены демпфирующей жидкостью, на верхней заглушке установлены трубопроводы подачи и обратного перелива демпфирующей жидкости, а под верхней заглушкой на наружной стенке устройства защиты симметрично расположены муфты с вентилями для присоединения гидравлических шлангов, причем на внутренней стенке, разделяющей герметичные полости, установлены дроссельные элементы с равным шагом, одна наружная стенка устройства защиты выполнена с продольными окнами прямоугольной формы, расположенными с равным шагом между верхней и нижней заглушками, при этом к продольным окнам присоединены мембраны, а на боковых наружных стенках устройства защиты, смежных со стенкой с продольными окнами, установлены вертикальные замковые элементы Т- или Ω-образной формы, расположенные между верхней и нижней заглушками.
К продольным окнам устройства защиты присоединены мембраны с помощью болтов через Z-образные стальные накладки и герметизирующие прокладки.
Нижний торец устройства защиты, расположенный под нижней заглушкой, может быть выполнен в виде правильной треугольной призмы. Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:
- на Фиг. 1 схематично изображено устройство защиты;
- на Фиг. 2 схематично изображен вид сверху здания и устройств защиты;
- на Фиг. 3 схематично изображен вид устройств защиты, соединенных между собой и с емкостью, содержащей демпфирующую жидкость, по продольному разрезу Б-Б;
- на Фиг. 4 схематично изображен продольный разрез В-В устройства защиты;
- на Фиг. 5 схематично изображен узел А, иллюстрирующий способ присоединения мембран к продольным окнам в наружной стенке устройства защиты (Фиг. 1);
- на фиг. 6 схематично изображен узел Г и вид Д, иллюстрирующие общий вид дроссельного элемента на внутренней стенке устройства защиты.
Способ защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте включает выполнение на расстоянии от здания, сооружения вдоль его конструктивных элементов, подвергающихся динамическим воздействиям, траншеи бурением скважин шнеком без извлечения грунта на поверхность, при этом диаметр и глубину скважин принимают соответственно равными длине и ширине устройства защиты и шаг бурения назначают из условия, чтобы на одно устройство защиты в плановом положении приходилось не менее двух скважин разрыхленного грунта, затем в образованную траншею с разрыхленным грунтом погружают устройство защиты посредством вибропогружателя, жестко установленного на элементе крепления 1 устройства защиты, выполненном в виде стальной пластины и жестко соединенном с верхним торцом устройства защиты.
Устройство защиты погружают на всю глубину скважины таким образом, чтобы наружная стенка 2 устройства защиты с продольными окнами 3 была расположена со стороны источника динамического воздействия в грунте, при этом каждое последующее устройство защиты на поверхности грунта предварительно соединяют с уже погруженным в грунт устройством защиты посредством соединения соответствующих вертикальных замковых элементов 4 Т- и Ω-образной формы, установленных на боковых наружных стенках 5, смежных со стенкой 2 с продольными окнами 3. После погружения всех устройств защиты их соединяют между собой через муфты с вентилями 6, расположенными под верхней заглушкой 7 на наружной стенке устройства защиты, гидравлическими шлангами 8, причем два крайних устройства защиты соединяют с внешней емкостью 9, содержащей демпфирующую жидкость. Затем полости каждого погруженного устройства защиты последовательно заполняют демпферной жидкостью 10 через трубопроводы подачи 11, установленные на их верхних заглушках 7.
Способ реализуется при помощи устройства защиты, выполненного в форме параллелепипеда, содержащего элемент крепления 1 для зажима вибропогружателя, выполненный в виде стальной пластины толщиной предпочтительно 20 мм и жестко соединенный с верхним торцом устройства защиты. При этом элемент крепления 1 крепится к сплошной наружной стенке 12 устройства защиты. Таким образом, обеспечивают жесткость конструкции и сохранность узлов устройства защиты при его вибрационном погружении в грунт. Верхний торец устройства защиты оснащен съемной крышкой 13, под которой расположены две одинаковые герметичные полости, ограниченные верхней 7 и нижней 14 заглушками и разделенные внутренней стенкой 15. Герметичные полости заполнены демпфирующей жидкостью 10, в качестве которой может быть использован глицерин. Глицерин обладает достаточной вязкостью, не вызывает коррозию стенок, а в случае его протечек, вызванных нарушением герметичности устройства защиты в грунте, не вызовет загрязнения грунтовых вод. На верхней заглушке 7 установлены трубопроводы подачи 11 и обратного перелива 16 демпфирующей жидкости 10. Под верхней заглушкой 7 на наружной стенке 2 устройства защиты симметрично расположены муфты с вентилями 6 для присоединения гидравлических шлангов 8. На внутренней стенке 15, разделяющей герметичные полости, установлены дроссельные элементы 17 с равным шагом. Наружная стенка 2 устройства защиты со стороны распространения в грунте динамического воздействия выполнена с продольными окнами 3 прямоугольной формы, расположенными с равным шагом между верхней 7 и нижней 14 заглушками. К продольным окнам 3 присоединены мембраны 18, которые могут быть выполнены из наномодифицированного полимерного материала, например капролон наномодифицированный (КНМ) и т.п. Мембраны 18 присоединены к продольным окнам 3 с помощью болтов 19 через Z-образные стальные накладки 20 и герметизирующие прокладки 21. Для этого в заводских условиях в соответствующих местах на наружной стенке 2 выполняют резьбовые гнезда предпочтительно с шагом 150 мм, в которые через Z-образные стальные накладки 20 ввинчивают болты 19. На боковых наружных стенках 5 устройства защиты, смежных со стенкой 2 с продольными окнами 3, установлены вертикальные замковые элементы 4 Т- или Ω- образной формы, расположенные между верхней 7 и нижней 14 заглушками.
Размер продольных окон прямоугольной формы 3 на наружной стенке 2 устройства защиты назначают, основываясь на следующих требованиях:
- обеспечение прочности и жесткости устройства защиты при его вибрационном погружении в траншеи с разрыхленным грунтом, таким образом обеспечивают герметичность его полостей, содержащих демпферную жидкость 10;
- продольные окна 3 должны быть достаточного размера для обеспечения прогиба мембраны 18 в направлении динамического воздействия к внутренней стенке 15, на которой установлены дроссельные элементы 17.
С учетом вышеизложенных требований целесообразно выполнять три продольных окна 3 длиной 3300-3500 мм и шириной 300 мм.
Нижний торец устройства защиты, расположенный под нижней заглушкой 14, может быть выполнен в виде правильной треугольной призмы 22. Треугольная призма 22 служит для облегчения погружения устройства защиты в грунт и для обеспечения вертикальности при вибрационном погружении в скважины с разрыхленным грунтом.
Способ защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте реализуется следующим образом.
Предварительно на расстоянии предпочтительно 10-15 м от здания, сооружения вдоль его конструктивных элементов, подвергающихся динамическим воздействиям, устраивают траншеи бурением скважин шнеком без извлечения грунта на поверхность. Диаметр и глубину скважин принимают соответственно равными длине и ширине устройства защиты. Шаг бурения назначают из условия, чтобы на одно устройство защиты в плановом положении приходилось не менее двух скважин разрыхленного грунта. Глубину погружения устройства защиты в грунт от уровня нижней заглушки 14 до муфт с вентилями 6 на наружной стенке 2 принимают равным 11-12 м. С учетом этих обстоятельства определяют конструктивные параметры устройства защиты. Назначение указанной глубины погружения устройства обусловлено следующим:
- обеспечение защиты конструкций фундаментов зданий и сооружений с наиболее распространенными значениями заложения их подошвы - 3-5 м;
- на основании анализа опыта работ по возведению в грунте ограждающих конструкций известно, что с учетом применения современных вибропогружателей на глубину 11-12 м возможно погрузить устройство защиты без нарушения жесткости его конструктивных элементов и таким образом обеспечить надежную герметичность его полостей.
Затем в образованную траншею с разрыхленным грунтом погружают устройство защиты посредством вибропогружателя, жестко установленного на элементе крепления 1 устройства защиты, на всю глубину скважины таким образом, чтобы наружная стенка 2 устройства защиты с продольными окнами 3 была расположена со стороны источника динамического воздействия в грунте (по направлению, обозначенному стрелками на фиг. 2 и 4). Вибрационное погружение устройства защиты в траншею с разрыхленным грунтом позволяет на период производства работ снизить уровень колебаний конструкций существующих фундаментов до значений, допускаемых действующими нормативными документами. При этом каждое устройство защиты на поверхности грунта предварительно соединяют с уже погруженным в грунт устройством защиты посредством соединения соответствующих вертикальных замковых элементов Т- и Ω- образной формы 4, установленных на боковых наружных стенках устройства 5, смежных со стенкой 2 с продольными окнами 3. После погружения всех устройств их соединяют между собой через муфты с вентилями 6, расположенными под верхней заглушкой 7 (фиг. 3) на наружной стенке устройства защиты, гидравлическими шлангами 8, причем два крайних устройства защиты соединяют с внешней емкостью 9, содержащей демпфирующую жидкость 10. Затем полости каждого погруженного устройства защиты последовательно заполняют демпферной жидкостью через трубопроводы подачи 11, установленные на их верхних заглушках 7. В результате все устройства защиты объединяют с внешней емкостью 9 в единую гидравлическую систему. Внешняя емкость 9 обеспечивает необходимое гидростатическое давление в герметичных полостях устройства защиты, необходимое для осуществления перетока демпферной жидкости 10 между ними.
В условиях действия динамических нагрузок в грунте по направлению, обозначенному стрелками на фиг. 2, 4, мембраны 18, установленные в продольных окнах 3 наружной стенки 2, упруго деформируются в этом же направлении. Деформации мембран 18 создают гидростатическое давление и проталкивают демпфирующую жидкость 10 между герметичными полостями устройства защиты через каналы дроссельных элементов 17, установленных на внутренней стенке 15 устройства защиты. После прохождения фронта динамического воздействия происходит обратный переток демпфирующей жидкости 10 через трубопроводы ее обратного перелива 16. Для осуществления указанного эффекта за счет проталкивания демпфирующей жидкости 10 через дроссельные элементы 17 необходимо, чтобы в ней поддерживалось дополнительное гидростатическое давление, которое создается за счет веса столба демпферной жидкости, находящегося во внешней емкости 9.
Для более эффективного поглощения динамических колебаний систему устройств защиты можно размещать по всему периметру здания или сооружения.
Физический принцип снижения уровня динамического воздействия в предлагаемой группе изобретений сходен с процессами, происходящими в амортизаторах с гидравлическими демпферами, используемыми в различных технических системах.
Напряженное состояние в жидкости, создаваемое внешними силами (массовыми и поверхностными), характеризуются величиной давления P. Особенностью амортизатора с гидравлическими демпферами является то, что он предназначен для создания определенной внешней силы за счет давления, возникающего при вытеснении жидкости через систему дроссельных элементов. На частицы движущейся жидкости, кроме сил тяжести, инерции и нормальных поверхностных сил (избыточное давление воздуха), действуют и касательные поверхностные силы, обусловленные вязкостью жидкости и ее трением о стенки каналов.
В условиях, когда техническая система испытывает ударные нагрузки (например, при посадке и движении самолета по аэродрому), часть энергии удара затрачивается на сжатие вязкой жидкости и аккумулируется в ней в форме потенциальной энергии, другая часть затрачивается на сообщение кинетической энергии вязкой жидкости, проталкиваемой через малые отверстия гидравлических демпферов в поршне из одной полости цилиндра в другую. Энергия, затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления и нагрев, превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду.
a
Эффективность амортизационного устройства определяется перепадом давлений в дроссельных элементах ΔP и зависит от потерь на трение жидкости в них и на гидравлический удар в местах изменения скорости течения жидкости. Перепад давлений и сила сопротивления амортизирующего устройства P при течении жидкости в демпферном элементе (трубке диаметром d и длиной 1) равны:
3
2
где λ - коэффициент трения; ρ - плотность жидкости, кг/м; F - площадь поверхности промежуточной трубы, м, V - скорость перетекания жидкости через дроссельные элементы, м/с.
a
На основе анализа представленного выражения и результатов численных экспериментов, выполненных авторами, можно заключить, что на изменение силы P в большей мере влияют изменения диаметра демпфера d, чем его длины 1 (примерно в 10-12 раз). При снижении длины 1 (до величин порядка d) достигается стабильность при эксплуатации устройства, устраняется отрицательное влияние инерционности демпферной жидкости на поглощение энергии динамического возмущения, обеспечивается снижение затрат при его изготовлении.
В этой связи форму дроссельного элемента следует принимать цилиндрической, сглаженной на концах, с длиной, равной толщине стенки промежуточной трубы. Минимальную площадь отверстия необходимо задавать исходя из обеспечения условий максимального энергопоглощения динамического воздействия, наблюдаемого при выполнении условия:
г
2
где Re - безразмерная величина, ρ - гидравлический радиус (для круглого отверстия равен половине действительного радиуса), м; υ - кинематическая вязкость демпферной жидкости, м/с.
В этой связи при использовании в качестве демпферной жидкости глицерина, минимальный радиус отверстий дроссельного элемента следует принимать 3 мм при суммарной площади 5% от площади поверхности внутренней стенки.
С помощью заявляемой группы изобретений увеличивается эффективность защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте различного происхождения за счет снижения их интенсивности, достигаемого путем принудительного перетока вязкой жидкости через дроссельные элементы из одной полости устройства защиты в другую, а стабильная работа системы демпфирования обеспечивается надежной герметизацией полостей. Кроме этого, реализация способа защиты и устройства защиты для его осуществления является экологически безопасной, как на период строительных работ, так и на период эксплуатации зданий, сооружений. При этом после прекращения динамического воздействия для возобновления работоспособности устройства защиты его не требуется извлекать из грунта. В случае возникновения потребности в проведении ремонта системы устройств защиты достаточно извлечь из грунта дефектное устройство защиты, предварительно отсоединив гидравлические шланги, а после проведения необходимых восстановительных работ его погрузить на прежнее место.