Требования по грунтам, геотехнические расчёты

• Нормативные документы и требования по грунтам
• Инженерно-геологические изыскания и лабораторные исследования
• Расчёт несущей способности грунта
• Расчёт осадок и деформаций
• Просадочные и набухающие грунты
• Грунтовые воды и фильтрационные расчёты
• Устойчивость откосов и котлованов
• Уплотнение и улучшение грунта
• Расчёт устойчивости к сдвигу и выпору
• Геотехническое моделирование и численные методы
• Контроль и мониторинг состояния грунтового основания
• Особенности расчётов в сложных инженерно-геологических условиях
• Типичные ошибки в оценке грунтов
• Заключение

Нормативные документы и требования по грунтам

Основные нормативы, определяющие требования к основаниям и грунтам в России — СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений» (актуализированная редакция СНиП 2.02.01), СП 25.13330 «Грунты. Правила производства и контроля работ», ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация» и СП 47.13330 «Инженерные изыскания для строительства». При проектировании резервуаров дополнительно учитывают положения ГОСТ 31385-2016/2023, где приведены нормы по осадкам, деформациям и устойчивости вертикальных цилиндрических резервуаров.

Согласно нормам, грунты подразделяются на скальные, нескальные (песчаные, глинистые, пылеватые), просадочные, набухающие, вечномерзлые, органоминеральные. Каждый тип характеризуется своими физико-механическими параметрами: плотностью, влажностью, гранулометрическим составом, пористостью, сцеплением, углом внутреннего трения, модулем деформации, коэффициентом фильтрации, пределами пластичности и тиксотропией.

Для основания под резервуары пригодны только устойчивые грунты, не подверженные ослаблению при увлажнении, промерзании или динамических воздействиях. Не допускаются пылеватые истощённые пески, рыхлые супеси, торфы, илы и неуплотнённые насыпные слои. При их наличии предусматривают замену, уплотнение, цементацию, армирование геосинтетикой или устройство свайного поля.

Инженерно-геологические изыскания и лабораторные исследования

Комплекс изысканий включает бурение инженерных скважин, статическое и динамическое зондирование, шурфы, испытания штампами, отбор монолитов и проб, лабораторное определение характеристик. Глубина бурения назначается не менее 1,5–2 диаметров резервуара, но не менее глубины сжимаемой толщи. Для площадок с неоднородным грунтовым строением — увеличивают до прочного слоя.

Лабораторные испытания выполняют для определения плотности, влажности, коэффициента фильтрации, пределов текучести и пластичности, прочности на сдвиг (по прибору прямого среза, компрессионной камере или трёхосному сжатию), модуля деформации и коэффициента пористости. По результатам строятся диаграммы «напряжение-деформация», на основании которых рассчитывается осадка и несущая способность основания.

Расчёт несущей способности грунта

Расчёт ведётся по первому предельному состоянию, определяющему предельное давление на грунт при котором начинается потеря устойчивости основания (сдвиг, выпор, разрушение). Для однородного основания используют классическую формулу В. В. Соколовского и уточнённые коэффициенты из СП 22.13330. Для многослойного основания применяются эквивалентные параметры или численные методы.

Расчётное сопротивление грунта определяется по данным полевых испытаний или по лабораторным параметрам с учётом коэффициентов условий работы. Для песчаных грунтов основными факторами являются плотность сложения и угол внутреннего трения; для глинистых — сцепление и пластичность. При наличии подземных вод расчётное сопротивление снижается на гидростатическое давление. Если грунт подвержен разжижению или обладает малым модулем деформации, назначают мероприятия по замене или усилению основания.

Расчёт осадок и деформаций

Осадка грунта — результат сжатия и уплотнения под нагрузкой. Для резервуаров нормируется не только средняя осадка, но и её неравномерность. Расчёт ведут по второму предельному состоянию. Осадка состоит из упругой (восстанавливаемой) и остаточной (пластической) частей. Для песчаных грунтов осадка формируется сразу после приложения нагрузки, для глинистых — во времени, в процессе консолидации и фильтрации воды из пор.

Расчёт выполняют по линейно-деформационной модели с использованием модуля деформации, определённого по результатам компрессионных испытаний. При неоднородном основании суммарную осадку вычисляют интегрированием по слоям. Для крупных резервуаров диаметром свыше 20 м используют модель «жёсткая круглая плита на упругом основании» с распределением давления по радиусу и проверкой дифференциальных осадок между центром и кромкой. Для уточнения используют численные методы на основе конечных элементов.

Просадочные и набухающие грунты

Просадочные грунты (лёссы, супеси с микропористой структурой) теряют прочность при увлажнении. При проектировании на таких основаниях определяют коэффициент просадочности и выполняют расчёт возможной дополнительной осадки. Мероприятия: предварительное замачивание, замена слоя, уплотнение тяжёлыми трамбовками, устройство свай или жёстких плит. Набухающие глины изменяют объём при увлажнении-высыхании. Для них предусматривают отсечку влаги, гидроизоляцию, дренаж и утяжелённые конструкции фундамента, чтобы исключить вспучивание.

Грунтовые воды и фильтрационные расчёты

Гидрогеологические условия определяют необходимость водозащитных мероприятий. Высокий уровень грунтовых вод вызывает выталкивающее давление и подмыв основания. При проектировании выполняют фильтрационные расчёты по закону Дарси: определяют градиент напора, скорости фильтрации и коэффициенты водопроницаемости. Для предотвращения выпора грунта учитывают критический градиент фильтрации и толщину противофильтрационного экрана. При близком уровне грунтовых вод проектируется кольцевой или пластовый дренаж, ливневая система, дренирующие прослойки под фундаментом и герметичная гидроизоляция днища.

Устойчивость откосов и котлованов

При строительстве резервуаров часто требуется выемка котлована под плиту или подземный РГС. Расчёт устойчивости откосов ведётся по методу круглоцилиндрических поверхностей или по сечению скольжения с использованием коэффициента запаса устойчивости. Для песков и супесей минимальный коэффициент должен быть не ниже 1,25, для глин — 1,3. При несоответствии требуемым значениям назначают крепления откосов, шпунтовое ограждение, анкерные распорки, водопонижение и устройство берм. Все временные конструкции должны сохранять устойчивость в течение всего периода строительства.

Уплотнение и улучшение грунта

При неудовлетворительных характеристиках выполняют мероприятия по улучшению основания: уплотнение тяжёлыми трамбовками, вибропогружение щебёночных столбов, песчаные сваи, цементацию, силикатизацию, инъектирование, замену слабых слоёв. Эффективность подтверждается контрольными испытаниями штампом. Коэффициент уплотнения должен составлять не менее 0,98 для песков средней крупности и 0,95 для глин. После уплотнения проводится повторное зондирование для подтверждения равномерности характеристик по площади основания.

Расчёт устойчивости к сдвигу и выпору

Помимо осадок проверяется устойчивость основания к скольжению и выпору. При проектировании подземных резервуаров и при высоком уровне грунтовых вод рассчитывают выталкивающую силу, сравнивают её с весом конструкции и сопротивлением трения по боковой поверхности. При необходимости увеличивают массу фундамента или анкеруют резервуар к основанию. Для наземных резервуаров оценивают возможность сдвига по подошве при ветровых и сейсмических воздействиях. Коэффициент запаса устойчивости должен быть не ниже 1,3 для нормальных условий и 1,1 для расчётных предельных сочетаний.

Геотехническое моделирование и численные методы

Современные геотехнические расчёты выполняются с использованием программных комплексов на основе метода конечных элементов: Plaxis, Midas GTS, Lira, SCAD. Модель включает реальные нелинейные свойства грунта (законы Мора-Кулона, Дракера-Прагера, Cam-Clay), физико-временные процессы консолидации и фильтрации. Это позволяет учитывать упруго-пластическую деформацию, перераспределение напряжений, реальное взаимодействие «резервуар-основание». Такой анализ особенно важен при проектировании больших резервуаров (РВС-5000, РВС-20000), где неравномерность осадок даже в миллиметрах приводит к концентрации напряжений в днище.

Контроль и мониторинг состояния грунтового основания

После ввода в эксплуатацию проводится систематический контроль: геодезическое наблюдение за осадками, измерение уровня грунтовых вод, контроль температуры и влажности, замеры потенциалов катодной защиты под днищем, проверка состояния дренажа. При превышении проектных осадок назначаются корректирующие меры: подливка подушки, выравнивание кольцевого фундамента, усиление основания инъекциями. Мониторинг обязателен для резервуарных парков и пожарных резервуаров, где перепады заполнения и температурные колебания влияют на состояние основания.

Особенности расчётов в сложных инженерно-геологических условиях

На слабых грунтах с высокой сжимаемостью и низким модулем деформации применяют свайные или свайно-плитные основания. Расчёт выполняется по совместной работе свай и грунта, с учётом отрицательного трения и совместных осадок. В районах вечной мерзлоты рассчитывают тепловой баланс грунта, глубину сезонного протаивания, предотвращение оттаивания основания и устойчивость на откосах. В сейсмических зонах добавляются расчёты динамических параметров грунта, отклика основания и инерционных сил, моделирование сейсмического воздействия на жидкость в резервуаре.

Типичные ошибки в оценке грунтов

Основные ошибки — недооценка неоднородности грунтов, ограничение изысканий только поверхностными слоями, игнорирование сезонных изменений влажности, отсутствие фильтрационных расчётов, неверный выбор модуля деформации, упрощённая модель основания при больших диаметрах, игнорирование консолидации глин, несоблюдение коэффициентов запаса при проверке устойчивости. Эти ошибки устраняются корректным планом изысканий, лабораторной верификацией параметров и использованием численного моделирования.

Заключение

Геотехнические расчёты и требования к грунтам являются базовой частью проектирования резервуаров любого типа. Основание должно обеспечивать несущую способность, минимальные осадки и устойчивость в течение всего срока службы. Ключевые условия надёжности — достоверные инженерно-геологические данные, корректный выбор модели расчёта, анализ фильтрации и деформаций, контроль выполнения работ и постоянный мониторинг. При соблюдении этих принципов резервуары сохраняют геометрическую стабильность, герметичность и безопасность эксплуатации на протяжении десятилетий.<