Конструкции стен подземных сооружений и схемы их расчета

Наружные стены подземных сооружений выполняют из каменной кладки, бетонных блоков, сборных железобетонных панелей или оболочек, монолитного бетона и железобетона. Выбор материала обусловливается технологическими и технико-экономическими соображениями, требованиями долговечности, водонепроницаемости, условиями производства работ, наличием средств механизации.

Для сборных железобетонных конструкций применяют бетон по прочности на сжатие класса В20 - В40, для монолитных железобетонных конструкций - В15 - В30. Предварительно напряженные железобетонные конструкции выполняют из бетона класса В30 - В60.

Из каменной кладки и сборных бетонных блоков выполняют, как правило, только стены одноэтажных подземных сооружений и подвалов. При этом используют хорошо обожженный полнотелый красный кирпич пластического прессования марки не ниже 200 на растворе марки не ниже 25, а при очень влажных грунтах - не ниже марки 50. Применение силикатного кирпича не допускается. Бетонные блоки делают из бетона марок B10 и В15.

Места сопряжения стен (углы, примыкания, пересечения), выполненные из каменных материалов и бетонных блоков, усиливают арматурой класса A-1 в виде отдельных стержней или сеток. Швы между бетонными блоками при водонасыщенных грунтах выполняют из водонепроницаемого раствора на безусадочном или расширяющемся и самонапрягающемся цементе, либо на портландцементе с уплотняющими добавками в случаях, когда необходимо повысить жесткость стен из блоков на воздействие горизонтальной нагрузки, в вертикальные стыки, специально выполненные без перевязки, вводят арматурные каркасы.

В зоне сезонного промерзания стены могут подвергаться попеременному замораживанию и оттаиванию. Марка материалов по морозостойкости подбирается в зависимости от температурного режима и требуемой долговечности сооружения и принимается не менее Mрз15 для каменных материалов и F50 для тяжелого бетона.

Стены подземных сооружений подразделяются на массивные и гибкие. Массивные стены из каменной кладки, бетона и бетонных блоков, малоармированного железобетона работают в основном на внецентренное сжатие. Гибкие стены выполняют из монолитного и сборного железобетона. Они воспринимают изгибающие моменты и растягивающие силы. При применении гибких стен из сборных элементов стыки могут быть рабочими и нерабочими - конструктивными.

Массивные стены применяют при строительстве сооружений гражданской обороны, неглубоких (до 3 м) одноэтажных подземных сооружений и подвалов и небольшой нагрузке (до 10 кПа) на прилегающей поверхности, при возведении глубоких подземных сооружений методом опускного колодца, погружаемых без тиксотропной рубашки.

Определяющими факторами при назначении расчетной схемы стен подземного сооружения являются: конструктивная схема сооружения; конфигурация сооружения в плане и разрезе; способ возведения сооружения (открытый, закрытый и т.п.); последовательность производства работ при возведении сооружения; материал стен; технология возведения стен; конструкция каркаса и опорных элементов (поясов, рам, распорок, анкеров), обеспечивающих устойчивость и прочность стен; конструктивные решения сопряжения стен с другими элементами сооружения.

Применяются три конструктивные схемы подземных сооружений: бескаркасная, каркасная с полным каркасом, каркасная с неполным каркасом. При бескаркасной системе перекрытия опираются на внешние и внутренние стены. Сооружение с полным каркасом состоит из стен, колонн, ригелей, плит перекрытия. Колонны у наружных стен связаны со стенами. В сооружениях с неполным каркасом колонны у наружных стен отсутствуют либо имеются лишь в торцах сооружения.

В сооружениях с полным каркасом применяются продольный и поперечный виды расположения ригелей, в сооружениях с неполным каркасом используется, как правило, продольное расположение ригелей.

Конфигурация подземных сооружений в плане бывает круглой, прямоугольной, многоугольной, овалоидальной, а конфигурация в разрезе - круглой, прямоугольной, сводчатой.

В дальнейшем будут рассмотрены методы расчета только вертикальных стен круглых и прямоугольных в плане сооружений. Расчеты стен более сложных очертаний и обделок подземных сооружений, возводимых закрытым способом, рассматриваются в специальной литературе.

Наружные стены подземных сооружений могут быть несущими и самонесущими. Самонесущие стены воспринимают только боковую (горизонтальную) нагрузку, а несущие стены, кроме того, воспринимают нагрузку от перекрытий, покрытия или надземной части сооружения.

Важнейшие факторы, влияющие на условия работы стен, - наличие опорных элементов, обеспечивающих прочность и устойчивость стен, а также последовательность введения опорных элементов в работу в процессе возведения сооружения. В бескаркасных подземных сооружениях устойчивость стен может обеспечиваться за счет: временных или постоянных анкерных креплений и распорок; защемления нижних частей стен в грунтовом массиве; распределительных рам и поясов жесткости, контрфорсов и т.п. Обычно применяют комбинацию опорных элементов разных видов. В сооружениях, имеющих каркас, в процессе строительства часто используют и временные распорные устройства. Например, при строительстве методом «стена в грунте» по технологии «снизу-вверх» котлован сразу отрывают на полную глубину, поскольку опорные элементы каркаса в этот период отсутствуют, устойчивость и прочность стен обеспечивают с помощью временных распорок или анкерных устройств.

Расчетная схема стены зависит от относительных размеров сторон стены. Для прямоугольных сооружений стены будут работать в условиях плоской деформации, если их длина L превышает высоту H более чем в 3 раза. Тогда любой участок размером 1 м по длине стены, выделенный двумя поперечными сечениями, будет работать в одинаковых условиях с другим подобным участком, так как они имеют одинаковую жесткость и одинаковые внешние нагрузки. Этот участок рассчитывается по схеме подпорной стенки на изгиб в вертикальной плоскости. Если отношение длины стены к высоте меньше трех, тогда необходимо учитывать изгиб и в горизонтальной плоскости.

С учетом вышеизложенного для вертикальных стен круглых, прямоугольных или многоугольных в плане сооружений выделяют четыре основные расчетные схемы стен:

1. Схема гибкой консольной подпорной стенки, устойчивость которой обеспечивается за счет защемления в грунте ее нижней части;
2. Схема гибкой подпорной стенки, устойчивость которой обеспечивается за счет защемления в грунте ее нижней части и дополнительных опорных элементов в верхней части (распорок, анкеров);
3. Схема замкнутого круглого или многоугольного кольца (в плане), устойчивость которого обеспечивается за счет пространственной жесткости сооружения;
4. Схема замкнутого круглого или многоугольного кольца, устойчивость которого обеспечивается за счет пространственной жесткости и дополнительных опорных элементов.

Стены одного и того же сооружения должны рассчитываться по различным расчетным схемам в зависимости от стадии и способа строительства сооружения, технологии возведения и материалов стен, последовательности производства работ.

Например, при возведении многоэтажного подземного сооружения с неполным каркасом способом «стена в грунте» методом «сверху-вниз» стены рассчитывают с учетом поэтажного извлечения грунта изнутри сооружения. Вначале стену рассчитывают по схеме 1 при глубине котлована, которая необходима для устройства опор верхнего яруса. Затем рассчитывают стену по схеме 2 при глубине котлована, необходимого для устройства опор второго яруса. Стена рассчитывается как одноанкерная тонкая подпорная стенка. Далее выполняются аналогичные расчеты до тех пор, пока котлован не будет выбран до проектной отметки низа днища. Стена в этом случае рассчитывается либо по схеме неразрезной балки на нескольких опорах, загруженной горизонтальным давлением, либо по схеме 4 с учетом пространственной жесткости сооружения.