4.3 Нагрузки на подземные сооружения

Вертикальное давление грунта. Если минимальный горизонтальный размер подземного сооружения b (ширина) равен или превышает толщину слоя грунта над кровлей h, что обычно и имеет место, то вертикальное давление на кровлю сооружения равно полному весу столба грунта над сооружением:

где γ_i, h_i – удельный вес грунта, кН/м³, и мощность слоев грунта над кровлей, м; q – сплошная равномерно распределенная нагрузка на поверхности, кПа.

Удельный вес грунта, расположенного ниже уровня подземных вод, принимается с учетом взвешивающего действия воды для всех грунтов, за исключением грунтов, имеющих коэффициент фильтрации k < 110^-8 м/с, но в этих грунтах не принимается в расчет давление подземных вод.

Если b/h < 1 и сооружение возведено открытым способом, то вертикальное давление засыпки существенно зависит от формы и размера котлована. Если котлован узкий и имеет вертикальные стены (траншея), то зависание грунта засыпки на стенах траншеи существенно уменьшает давление на сооружение.

Напротив, если ширина котлована значительно превышает ширину сооружения, то оседание засыпки может вызвать зависание окружающего грунта на столбе грунта над сооружением и вызвать увеличение нагрузки. В этих случаях вертикальное давление грунта определяется по формуле

.

Величина поправочного коэффициента k_v определяется по графикам, приведенным на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Графики для определения коэффициента вертикального давления грунта: 1 – для песчаных засыпок; 2 – для глинистых засыпок; 3 – для текучих глин; 4 – для мелких песков и мягкопластичных глин; 5 – для средних песков и пластичных глин; 6 – для крупных песков и твердых глин; 7 – для скальных и полускальных грунтов

Горизонтальное давление грунта. Стены подземных сооружений рассчитывают на горизонтальное давление грунта с учетом нагрузки, расположенной на прилегающей территории. Давление от веса окружающего грунта обычно называют основным, а давление от поверхностной нагрузки – дополнительным. Горизонтальные составляющие активного и пассивного давления для вертикальных стен при горизонтальной поверхности грунта вычисляют по формулам:

;

,

где σ_v – вертикальное давление грунта, рассчитанное методами, изложенными в предыдущем разделе; φ и с – расчетные значения угла внутреннего трения и сцепления грунта; λ_ag и λ_pg – коэффициенты активного и пассивного давления грунта, определяемые по формулам:

;

Активное давление грунта действует не по всей поверхности стен, а лишь начиная с глубины от поверхности:

В литературе приводятся методы учета местных распределенных и сосредоточенных нагрузок на поверхности грунта вблизи стены подземного сооружения, а также сейсмических воздействий на величину горизонтального активного давления грунта.

Давление подземных вод. Давление подземных вод на ограждающие конструкции подземных сооружений

,

где Н – напор (высота столба воды), м; γ_w =10 кН/м³ – удельный вес воды.

Расчетным уровнем подземных вод является прогнозируемый, исходя из инженерно-геологических условий, гидрогеологической обстановки, принятого способа производства работ, сроков строительства, мероприятий по водопонижению и водоотведению. При определении бокового давления грунта и гидростатического давления подземных вод необходимо учитывать, что на стадии строительства уровень подземных вод может быть наинизшим, а при эксплуатации сооружения – наивысшим.

Если ограждающая конструкция подземного сооружения имеет наружную гидроизоляцию, то давление воды действует на наружную поверхность ограждения. Если же ограждающая конструкция многослойная, то подземные воды давят на слой гидроизоляции и приложены внутри ограждения.

Гидростатическое давление воды на днище подземного сооружения может вызвать всплытие сооружения. Кроме того, напорные подземные воды в водоносном слое под водоупорным дном котлована могут вызвать при откопке котлована взламывание его дна.