Понятия об основаниях

Заключение

Тепловой баланс котлоагрегата (теплогенератора)

Тепловой баланс (ТБ) - это соотношение прихода и расхода тепла в агрегот.

Q_прих = Q_расх = Q_Р^Р(С) – располагаемое тепло в котлоагрегате.

Обычно тепловой баланс котлоагрегата составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м3 газа, а также за единицу времени (час, сутки, месяц, и т.д.)

Уравнение теплового баланса котлоагрегата характеризует распространение теплоты, выделившейся при сжигании топлива на полезно использованную теплоту и тепловые потери возникшие при его работе, и имеет вид по расходной части ТБ:

Q_Р^Р(С) = Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆, кДж/кг; кДж/нм³,

где Q_Р^Р(С) – располагаемая теплота;

Q₁ – полезно использованная теплота, расходуемая на образование пара или нагревание воды;

Q₂ – потери теплоты с уходящими газами;

Q₃ и Q₄ - потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива;

Q₅ - потери теплоты в окружающую среду;

Q₆ - потери теплоты с физической теплотой шлаков. (индекс “шл”) и на охлаждение некоторых элементов (индекс “охл”)

При сжигании газообразного и жидкого топлива Q₄ и Q₆ отсутствуют.

Данное уравнение теплового баланса в относительной форме имеет вид:

100= q₁+q₂+q₃+q₄+q₅+q_{6, %}

По приходной части Q_Р^Р включает химическую теплоту сгорания топлива (Q^Р_Н); теплоту, вносимую подогретым воздухом (при подогреве вне котлоагрегата); физическую теплоту топлива (при его внешнем подогреве).

Следующие факторы определяют тепловые потери в котлоагрегате:

1) Потери теплоты с уходящими газами q2 являются наибольшими (могут достигать 8-10%). Эти потери возникают в связи с тем, что продукты сгорания, выходя из котлоагрегата, имеют повышенную температуру, а также значительные подсосы воздуха в газовом тракте котлоагрегата. Чем выше температуры уходящих газов и подсосы воздуха, тем больше теплопотери q2.

2) Потери теплоты от химической неполноты сгорания (химического недожога) q3.Тем значительнее, чем ниже температура в топке, хуже перемешивание топлива с воздухом, чем меньше длительность пребывания топлива в топке. Для механических и полумеханических топок q3 =3%, для каменных – 0,5%-1%.

3) Механическая неполнота сгорания топлива является результатом неучастия в горении части топлива, поступающего в топку (унос мелкодисперсных частиц топлива уход. газами). q4 = 1-6%.

4) Потери теплоты в окружающую среду q5 зависят от температуры наружной поверхности котлоагрегата, теплоизоляции и др. (от 0,29% до 0,7%).

5) Потери теплоты с физической теплотой шлаков q6. Зависят от способа шлакоудаления (до 3%).

6) Также могут быть потери с охлаждающей водой (для охлаждения некоторых элементов котла). q6^охл

Для сравнения разных способов сжигания топлива и сопоставления топочных устройств используют КПД котлоагрегата “брутто”:

η^бр = q₁ = 100-q₂-q₃-q₄-q₅-q₆, %. (по обратному ТБ, когда измеряют или принимают величины теплопотерь) и η_пр^бр =q1= Q₁/ Q_Р^p х 100 (по прямому ТБ, когда измеряют непосредственно величину Q₁ )

5.4. Общая характеристика топочных устройств и топливоподачи.

Классификация топочных устройств.

Устройство, предназначенное для сжигания топлива, называется топкой или топочным устройством. Конструкция топки должна обеспечивать устойчивый процесс горения, экономичное сжигание необходимого количества топлива, высокую производительность, удобную подачу топлива и воздуха, удобное удаление золы и шлака. Надежная работа топки обеспечивается таким температурным режимом ее работы, который исключает шлакование поверхностей нагрева, размещенных в ней и котле.

Существующие топки классифицируют по следующим признакам:

по способу сжигания топлива – слоевые, камерные (факельные) и циклонные; в слое сжигают только твердое топливо, а в остальных случаях – твердое, жидкое и газообразное;

по режиму подачи топлива – с периодической и непрерывной подачей;

по взаимосвязи с котлом – внутренние, т.е. находящиеся внутри котла, выносные, устраиваемые вне обогреваемой поверхности котла;

по способу подачи топлива и организации обслуживания – ручные, полумеханические и механические.

Топки для слоевого сжигания топлива могут быть следующих разновидностей: а) топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива; б) топки с неподвижно колосниковой решеткой и слоем топлива, перемещающимся на ней; в) топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива.

В камерных топках некоторые виды твердого топлива (антрацитовый штыб, мелочь бурых углей и др.) сжигаются в виде угольной пыли. Для этого топливо измельчают до пылевидного состояния в углеразмольных мельницах и подают вместе с воздухом в топку.

Стены внутри топочной камеры покрыты вертикально расположенными кипятильными трубами, называемыми топочными экранами. Экранные трубы – эффективная поверхность нагрева котла, воспринимающая большое количество теплоты излучением от факела и защищающая кладку топочной камеры от действия высокой температуры факела и расплавленных шлаков. Пылевидная смесь попадает в топку через пылеугольные горелки.

Камерные топки для жидкого и газообразного топлива выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который иногда не экранируют. Горелки размещают на передней и боковых стенках топки и по ее углам. Применяют прямоточные и вихревые горелки. Газообразное и жидкое топливо сжигают под котлами любой производительности, а твердое в виде пыли - под котлами 35-50 т/ч и более.

Работа топок характеризуется следующими показателями: тепловой мощностью, тепловыми нагрузками колосниковой решетки и топочного объема, коэффициентом полезного действия.

5.5. Котельные установки и конструкция котлов для теплоснабжения зданий.

Общие сведения о котельных установках.

Котельной установкой называется комплекс устройств, предназначенных для выработки тепловой энергии в виде горячей воды или пара. Главной частью этого комплекса является котел (котлоагрегат).

В зависимости от того, для какой цели используется тепловая энергия, котельные подразделяются на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные сооружаются на промышленных предприятиях и обеспечивают тепловой энергией системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения здания и технологические процессы производства. Отопительные котельные предназначаются для тех же целей, но обслуживают жилые и общественные здания.

По размещению на генеральном плане котельные подразделяются на отдельно стоящие, пристроенные и встроенные в здания другого назначения.

В последнее время появляются модульные и крышные котельные, используемые в качестве АИТ (при децентрализованном теплоснабжении).

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. При установке паровых котлов дополнительно устанавливают конденсатные баки, насосы для перекачки конденсата и теплообменники.

Котельные средней и большой мощности отличаются сложностью оборудования и составом служебно-бытовых помещений. Кроме котлов, насосов и тягодутьевых устройств они имеют дополнительные поверхности нагрева (экономайзер и воздухоподогреватель), оборудование для водоподготовки, топливоподающие и шлакоудаляющие устройства, теплообменники, устройства автоматики и др.

Характеристики и конструкции традиционных котлов.

В отопительных котельных малой и средней мощности применяются водогрейные и паровые котлы различных типов и конструкций. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность Q и температура воды t; основными показателями парового котла – паропроизводительность D, давление р и температура t.

Экономичность котла оценивается коэффициентом полезного действия, который для всех котлов, работающих на твердом топливе, равен 0,6-0,85, а при работе на жидком и газообразном топливе – 0,85-0,92.

По производительности паровые котлы могут быть малой (до 25 т/ч), средней(35-220 т/ч) и большой производительности. Водогрейные котлы по тепловой мощности могут быть малой (до 2 МВт), средней (4-30 МВт) и высокой (50-210 МВт) мощности.

Для теплоснабжения небольшой территории широко применяются стальные водогрейные котлы различных типоразмеров и тепловой мощности; КВ-ГМ (котел водогрейный газомазутный), КВ-ТС (котел водогрейный для слоевого сжигания твердого топлива) и КВ-ТК (котел водогрейный для камерного сжигания твердого топлива).

Котлы типа КВ-ТС выпускаются с механизированными топками и пневмомеханическими забрасывателями топлива. Конструкция котлов КВ-ГМ позволяет путем замены подового экрана топки на колосниковую решетку перевести их на слоевое сжигание твердого топлива на цепной решетке.

Паровые котлы, как и водогрейные, разделяются на чугунные и стальные. Секционные чугунные водогрейные котлы шатрового типа путем оборудования их барабанами-паросборниками могут быть превращены в паровые. Очевидно, что паропроизводительность этих котлов невелика.

В настоящее время широко распространены в народном хозяйстве стальные паровые котлы малой и средней производительности типа ДКВР (двухбарабанные котлы, водотрубные, реконструированные), рассчитанные на рабочее давление 1,4 МПа с номинальной производительностью 2,5;4;6,5;10 и 25 т/ч. Эти котлы отличаются достаточно высокой экономичностью, малой массой, простой конструкцией, малыми габаритами и транспортабельностью. Котлы типа ДКВР имеют два барабана: верхний 1 (длинный или короткий) и нижний 6 (только короткий), а так же экранированную поверхностями нагрева топку 12. Нижний барабан имеет продувочный патрубок 7 с вентилями для сброса шлама. Питательная вода подается в котел по двум трубам 2 под уровень воды в верхний барабан, откуда по трубам она поступает в коллекторы боковых экранов, а по кипятильным трубам 4 – в нижний барабан. Дымовые газы при движении из топки по газоходам котла отдают часть своей теплоты воде, циркулирующей в трубных контурах котла. При этом часть воды превращается в пар, который отделяется от воды в верхнем барабане и поступает к потребителю. Часть пара используется на обдувку 3 поверхностей нагрева котла для удаления золовых отложений. Котлы ДКВР работают на химоочищенной и деаэрированой воде.

В последние годы на смену котлам ДКВР созданы новые котлы серии Е: для работы на газе и мазуте ДЕ и твердом топливе – КЕ производительностью 4;6,5;10;16 и 25 т/ч для сжигания газа и мазута и 2,5;4;6,5;10 и 25 т/ч со слоевыми топочными устройствами для сжигания твердого топлива. Основными элементами этих котлов являются: верхний 1 и нижний 2 барабаны, конвективный пучок 3, топочная камера 4, образуемая фронтальным, боковым и задним экранами. Трубы перегородки и правого бокового экрана, образующие также под и потолок топочной камеры, вводятся в верхний и нижний барабаны. Применена облегченная обмуровка стен. В котлах типа ДЕ интенсифицирована теплоотдача от продуктов сгорания к конвективному пучку за счет уменьшения шага труб и, как следствие, увеличения скорости газов. Это позволило снизить расход металла на поверхности нагрева.

При разработке котлов серии Е увеличена степень их заводской готовности (с поставкой в виде транспортабельных блоков).

В котлостроении широко применяют два направления развития конструкций котлов:

- водотрубные с вертикальной и слабонаклоненной ориентацией труб (внутри труб движется нагреваемый теплоноситель, например, вода, а снаружи – дымовые газы);

- жаротрубные (дымогарные) одно-, двух- и трехходовые (внутри труб движутся движутся дымовые газы, а снаружи нагреваемый теплоноситель – вода).

5.6. Современные котельные установки для автономного теплоснабжения.

Виды котельных.

Пристроенные или располагающиеся в непосредственной близи здания автономные котельные – один из вариантов децентрализованного теплоснабжения как жилых (например, коттеджных поселков, многоэтажных домов), так и промышленных объектов. При недостатке дополнительных площадей возможен вариант крышной котельной, которая может отапливать как весь дом, так и отдельные подъезды многоэтажного дома.

Автономные блочные (блочно-модульные) транспортабельные котельные, которые до 90-х годов применялись в нашей стране почти исключительно для теплоснабжения временных и удаленных объектов, в настоящее время получили распространение и в сфере теплоснабжения ЖКХ. Такие котельные часто сооружаются в контейнерном исполнении. Использование этих установок не требует возведение отдельного здания или перестройки существующего. Размещенное в утепленных модулях оборудование не требует обустройства капитального фундамента. Сборка в заводских условиях гарантирует качество монтажа работ.

Высшая степень децентрализации бытового теплоснабжения достигается при использовании поквартирных систем отопления и горячего водоснабжения. В этих случаях для отапливания многоквартирных домов в каждой квартире устанавливают газовые настенные котлы малой мощности, обычно 24-28 кВТ. Российский опыт показывает, что при использовании поквартирного отопления по сравнению с традиционным централизованным теплоснабжением стоимость единицы тепла снижается в два и более раза, а по отдельным расчетам в 5-7 раз. Системы поквартирного отопления оказываются экономически выгодными как на этапе капитального строительства, так и в процессе эксплуатации.

Для отопления коттеджных строений больше подойдет газовый напольный котел.

Отдельно стоит отметить вариант решения автономного отопления за счет установки каскада котлов малой или средней мощности. Особо перспективно использование в этих целях конденсационных котлов. Эта техника при малых размерах и относительно небольших мощностях отличается высоким КПД. Объединенные в каскад несколько настенных конденсационных котлов способны отапливать многоквартирный дом, не требуя специально отстроенного и оборудованного помещения для их размещения.

Классификация котлов.

Котлы как технические устройства для производства горячей воды для нужд отопления и горячего водоснабжения (ГВС) различаются производительностью, конструктивными формами, принципами действия, используемыми видами топлива, степенью автоматизации, горелочными устройствами, энергетической эффективностью и экологичностью.

По способу организации движения воды все системы могут быть разделены на две группы: с принудительным движение теплоносителя (с принудительной циркуляцией) и с естественной циркуляцией.

В зависимости от используемого топлива, котлы подразделяются на газовые, жидко- и твердотопливные, электрические.

По назначению делятся на котлы только для отопления и с системой ГВС, т.е. двухконтурные.

По способу приготовления горячей воды двухконтурные котлы могут быть с бойлером или без него, и тогда горячая вода готовится проточным способом.

Внешняя сила, возникающая за счет разницы температур и принуждающая воздух поступать в топку, а газообразные продукты сгорания двигаться по газоходам и дымовой трубе в атмосферу, называется естественной тягой.

Естественная тяга тем больше, чем ниже температура атмосферного воздуха и выше температура продуктов сгорания, барометрическое давление и высота дымовой трубы.

Способ удаления дымовых газов дымососом или за счет подачи воздуха вентилятором более привлекателен, так как не зависит от внешних параметров окружающей среды и высоты дымовой трубы - длины дымохода (котлы с закрытой камерой сгорания); в этом случае создается искусственная тяга.

По способу конструктивных решений систем подачи воздуха и дымоудаления котлы с закрытой камерой сгорания классифицируются:

- с соосным дымоходом («труба в трубе»);

- с подводом воздуха и дымоудаления по раздельным коллекторам.

По ориентации движения нагреваемого теплоносителя (например, воды) и дымовых газов котлы могут быть водотрубные и жаротрубные (дымогарные).

По расположению в помещении котлы могут быть настенные и напольные.

Существуют также другие классификационные признаки разделения котлов на виды и разновидности.

Сведения о топливоподаче и топливном хозяйстве ТГУ.

Топливное хозяйство котельных включает все сооружения, устройства и механизмы, необходимые для приема, разгрузки, хранения, перемещения и подачи топлива в котельные и топки котлов, а так же для его обработки и подготовки к сжиганию. Принципиальную схему топливного хозяйства, условия и особенности его работы в каждом конкретном случае определяют многие факторы:

а) вид, свойства и способ сжигания топлива;

б) производительность котельной и ее расположение;

в) способ доставки топлива.

При проектировании необходимо предусматривать механизацию и автоматизацию все процессов, связанных с транспортированием, разгрузкой, хранением, подготовкой к сжиганию и подачей топлива в бункера котлов и в топки; предусматривать мероприятия по обеспечению минимальных непроизводительных потерь топлива, снижению капиталовложения (начальных затрат) и эксплуатационных расходов на топливное хозяйство котельной.

Топливное хозяйство и топливоподача ТГУ, работающих на твердом, жидком, газообразном топливе (природном газе), принципиально отличаются друг от друга.

Топливное хозяйство промышленных и отопительных тепловых станций при сжигании твердого топлива наиболее сложное и дорогое. Принципиально технологическая схема компоновки оборудования топливного хозяйства может иметь различные варианты. При сжигании твердого топлива в слое система пылеприготовления в теплостанции отсутствует.

Мазутное хозяйство включает комплекс сооружений, состоящий из приемно-сливочных устройств, мазутохранилищ, мазутососной станции, соединительных трубопроводов между насосной и зданием котельной и мазутопроводов в пределах котельной. Эти устройства выбирают с учетом основных физических свойств топлива (вязкости, температур застывания, вспышки и воспламенения, содержания воды, механических примесей, серы), они должны обеспечивать безотказную приемку, хранение и подачу требуемого количества мазута в котельную с соответствующей подготовкой его для надежного сжигания в топках котлов (подогрев, отстой от воды и механических примесей).

Подача газа на тепловые электростанции, ТЭЦ, в промышленные и коммунальные теплостанции, жилые общественные здания производится по трубопроводам под давлением, поэтому не требуется расходовать дополнительную энергию для приема и подачи его в топки теплогенераторов для сжигания.

Природный газ подается от магистралей по трубопроводам к районным газораспределительным станциям (ГРС), где давление его редуцируется до необходимой величины. При этом давлении газ распределяется по районным или промышленным газораспределительным пунктам (ГРП), где происходит дальнейшее дросселирование газа от входного давления до давления, требующегося потребителям газа, которое автоматически поддерживается постоянным независимо от его расхода.

5.7. Основные принципы проектирования котельных(Установок и помещений).

При разработке проекта котельной следует учитывать все специфические требования, предъявляемые к планировке котельной и размещению оборудования, изложенные в СНиП II-35-.

Современные котельные установки должны удовлетворять следующим требованиям: иметь наиболее рациональную схему топливоподачи и золошлакоудаления; иметь минимальные затраты на сооружение здания котельной; быть высокоэкономичными и безопасными при эксплуатации; удовлетворять требованиям охраны труда.

Проектирование котельной начинается с выявления характера тепловых потребителей, определения требуемого количества теплоты, выбора необходимого теплоносителя и его параметров. На основании этих данных определяется производительность котельной, ее тип (паровая, водогрейная или смешанная) и выбирается основное и вспомогательное оборудование.

Для отпуска теплоты в виде горячей воды для отопления, вентиляции и ГВС жилых и производственных зданий проектируются котельные с водогрейными котлами. Если требуется отпуск теплоты в виде пара, то проектируются котельные с паровыми котлами, которые могут иметь установку с пароводяными подогревателями и отпускать потребителям горячую воду. Обычно паровые котельные применяют только на промышленных предприятиях, которым требуется пар для производственных нужд.

Выбор типа и количества котлоагрегатов в котельной в соответствии со СНиП II-35-76* производится в зависимости от категорий надёжности котельных и систем теплоснабжения.

Котельная по надёжности отпуска теплоты потребителям относятся к первой категории, если они являются единственными источниками теплоты в системе теплоснабжения и обеспечивают потребителей первой категории надёжности, не имеющих индивидуальных резервных источников теплоты. Ко второй категории относятся все остальные котельные.

Целесообразно устанавливать в котельной однотипные котлы с одинаковой производительностью. В котельных первой категории должна предусматриваться установка не менее двух котлов, в котельных второй категории допускается установка одного котла. Максимальное количество котлов, устанавливаемых в котельной, определяется на основании ТЭР. При проектировании котельных учитывается возможность использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) близлежащих промышленных предприятий).

Поверхность нагрева котлов определяют, исходя из максимальных тепловых нагрузок на О,В,ГВС и технологические нужды (если они имеются).

Суммарную поверхность нагрева котлов F_к^сум определяют по формуле

F_к^сум =( 1,1-1,2) Q_Р/q,

где 1,1-1,2 – коэффициент запаса, учитывающий непроизводительные потери теплоты оборудованием котельной и трубопроводами, по которым теплоноситель транспортируется к местам его потребности; Q_Р - максимальный расчётный расход тепловой энергии, Вт; q – допустимое тепловое напряжение поверхностей нагрева котла, Вт/м².

Дымовые трубы котельных предназначены для отвода продуктов сгорания в более высокие слои атмосферы и должны сооружаться по типовым проектам кирпичными высотой 30-70м, железобетонными высотой 80-200м, металлическими высотой не более 30-40м. Для котельной предусматривается сооружение одной дымовой трубы.

В зависимости от климатических условий котельные принято подразделять на закрытые, полуоткрытые и открытые.

Размеры помещений котельной определяются габаритами размещаемого в них оборудования с соблюдением определённых требований, обеспечивающих удобство монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Как правило, все котлы располагают фронтом по прямой линии параллельно наружной стене, в которой имеются окна; должны быть достаточные проходы между котлами, от стен и между группами оборудования.

Знание основных характеристик топлива, закономерностей процесса горения, условий устойчивого горения топлива; уравнения теплового баланса теплогенератора, позволяющего оценить теплопотери и удельные характеристики его; основных типов и конструкций котлоагрегатов (и их характеристик);схем и типов котельных (теплогенерирующих установок) позволяют студентам (при изучении информации данной лекции) получить первое представление о значимости, областях применения и принципах выбора источников теплоты в составе систем теплоснабжения.

Основанием называют массив грунта, расположенный под фундаментами и воспринимающий через них нагрузки от здания или сооружения.

Эти нагрузки вызывают в основании напряженное состояние (рис. 5.1.), которое при достижении определенного уровня может привести к деформациям как самого основания, так и фундаментов. Образующаяся в результате совместной работы основания и фундамента ниже подошвы фундамента зона деформаций – рабочая зона основания. Величина деформаций зависит от конструкции и формы фундамента в плане. Незначительные и равномерные деформации – осадки (рис. 5.1.) для зданий не опасны. Большие же и особенно неравномерные деформации – просадки (рис. 5.1.) опасны и ведут к образованию трещин, разрушению конструкций, авариям зданий и сооружений.

а б

Рис. 5.1. Основания зданий и сооружений: а – схема действующих сил при расчете фундамента: 1 – подошва фундамента; 2 – эпюра распределения вертикальных напряжений в грунте от внешнего давления; 3 – зона наибольших напряжений; 4 – граница области напряжений; 5 – горизонт грунтовых вод; б – деформации: 1 – осадка фундамента; 2 – просадка фундамента; Δh, Δh₁, Δh₂, – деформации

Поскольку от состояния оснований во многом зависят долговечность и эксплуатационные свойства зданий и сооружений, к ним при проектировании и строительстве предъявляют жесткие требования.

Основания должны иметь достаточную несущую способность, небольшую и равномерную сжимаемость, быть неподвижными. Материал основания должен быть однородным, не пучинистым, стойким к воздействию текучих и агрессивных вод, неблагоприятных биологических факторов.

Выбор и проектирование оснований следует производить исходя из результатов инженерно-технических, гидрогеологических и климатических изысканий, опыта строительства аналогичных объектов, характеристик возводимого здания или сооружения, местных условий в результате технико-экономического сравнения возможных вариантов решения.

Поверхностный слой грунта обычно не может быть основанием, так как ослаблен органическими примесями, разрыхлением, воздействием атмосферной влаги и переменных температур. Не разрешается укладывать фундаменты на промороженный грунт основания.

Грунты в качестве оснований могут быть использованы в естественном состоянии или с искусственным усилением. Соответственно различают естественные и искусственные основания.

Естественные основания – это грунты, которые в природном состоянии имеют достаточную несущую способность для восприятия нагрузки от здания. Качество естественного основания зависит от многих факторов, однако, в первую очередь, его определяет вид грунта, его влажность, уровень грунтовых вод и условия промерзания.

Грунты – геологические породы, образующие верхнюю часть земной коры, состоят из скелета, который составляют частицы породы, и пространства между ними – пор, заполненных в сухом грунте воздухом. Во влажном грунте воздух частично или полностью замещен водой. Грунт называют маловлажным, когда водой заполнено до 50% объема пор, очень влажным – до 80% и насыщенным, когда заполнено водой свыше 80% пор.

Влажность существенно влияет на несущую способность большинства грунтов. Чем выше влажность, тем меньше несущая способность грунта. Избыток влаги влечет за собой необходимость принятия мер по осушению грунтов для повышения их надежности и несущей способности.

Большое влияние на качество основания оказывает промерзание грунтов. Влажный грунт при замерзании увеличивается в объеме, что приводит к пучению, а значит неравномерным деформациям и разрушению фундаментов.

Строительные нормы и правила подразделяют грунты оснований зданий и сооружений на скальные и нескальные.

Скальные грунты залегают в виде сплошного или трещиноватого массива и имеют жесткие связи между зернами. Это изверженные, метаморфические и осадочные породы. В зависимости от временного сопротивления сжатию различают очень прочные скальные грунты (R_с>1200 кгс/м²), прочные (1200>R_р>500 кгс/м²), средней прочности (500>R_с>150 кгс/м²), малопрочные (150>R_с>50 кгс/м²) и полускальные с R_с<50 кгс/м². По коэффициенту размягчаемости при увлажнении скальные грунты могут быть неразмягчаемые (К_рз≥0,75) и размягчаемые (К_рз<0,75), а по степени выветрелости невыветрелые, слабовыветрелые, выветрелые и силь-новыветрелые (рухляки).

Скальные грунты, практически не сжимаемые при нагрузках от гражданских зданий, являются для них надежными основаниями. Расчет основания на скальных грунтах ведут только по первому предельному состоянию – по несущей способности (прочности).

В отличие от скальных нескальные грунты (крупнообломочные, песчаные, глинистые) более слабые и сжимаемые. Расчет основания на таких грунтах ведут по второму предельному состоянию и делают проверку несущей способности.

Крупнообломочные грунты – это грунты, содержащие по массе более 50% обломков кристаллических или осадочных пород с размерами более 2 мм. В зависимости от крупности частиц различают валунные, галечниковые (щебенистые) и гравийные (дресвяные) грунты (с преобладанием частиц соответственно более 200 мм, более 10 мм и более 2 мм).

В зависимости от гранулометрического состава изменяются несущая способность основания и другие его качества. При большом содержании песчаных или глинистых частиц характеристики основания можно определять по этим заполнителям.

Песчаные грунты, в сухом состоянии сыпучие, содержат в своем составе по массе менее 50% частиц более 2 мм и не обладают свойствами пластичности. В зависимости от крупности зерен пески могут быть гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые; по плотности сложения – плотные, средней плотности и рыхлые. Как и для крупнообломочных, для песчаных грунтов важной характеристикой является показатель неоднородности.

Гравелистые, крупные и средней крупности песчаные грунты достаточно прочны и устойчивы. Увлажнение снижает их прочность, а мелкие и пылеватые пески во влажном состоянии становятся ненадежными. В водонасыщенном состоянии они текучи, образуют «плывуны».

Глинистые грунты связные. В зависимости от показателя числа пластичности глинистые грунты подразделяют на супеси (0,01≤I_р≤0,07), суглинки (0,07≤I_р≤0,17) и глины (I_р>0,17).

В зависимости от плотности и влажности глинистые грунты могут находиться в различных состояниях, характеризующихся показателями консистенции I_L, колеблющимися в пределах от величины менее нуля для твердых и более единицы для текучих грунтов. В промежутках различают: для супесей – пластичное, для суглинков и глин – полутвердое тугопластичное, мягкопластичное и текучепластичное состояние.

В сухом и маловлажном состоянии глинистые грунты являются хорошим основанием. Увлажнение и промерзание ведет к пучинообразованию, и глинистые основания при увлажнении и отрицательных температурах становятся ненадежными.

Среди глинистых грунтов особые группы составляют илы, просадочные и набухающие грунты. Илы малопригодны в качестве основания. Просадочные лессовые и лессовидные грунты при замачивании водой дают под действием внешней нагрузки дополнительные осадки, что может привести к разрушению со­оружений. Некоторые глинистые грунты при замачивании водой увеличиваются в объеме – набухают, что создает угрозу разрушения конструкций фундаментов.

Проектирование оснований на илистых, просадочных и набухающих грунтах следует вести в соответствии со специальными нормами (СНиП II-15-74).

Качество основания в значительной мере зависит от однородности слагающих его грунтов и горизонтальности напластований. Неоднородность грунтов особенно опасна при. насыпных основаниях, которые могут иметь различный состав, плотность и сложение. Возможность применения насыпных грунтов в качестве оснований должна решаться в каждом случае конкретно. Наклонные напластования могут привести к оползням при загружении пластов дополнительной массой здания или сооружения.

Особым случаем проектирования оснований является устройство его над подрабатываемыми территориями – над шахтами, рудниками или естественными пещерами, когда при нагружении возможны просадки пластов, лежащих над выработками.

Грунтовые воды, заполняющие поры грунтов основания, влияют на выбор типов фундаментов, их размеры, глубину заложения, гидроизоляцию и другие водозащитные мероприятия. Для проектирования основания необходимо иметь данные об уровне грунтовых вод, его возможном изменении: сезонном, многолет­нем, в результате строительства и эксплуатации зданий и сооружений; о характере этих вод – их подвижности, химическом составе, напоре и т.д.

Изменение уровня грунтовых вод может иметь своим последствием изменение структуры грунта, его набухание, пучение, размывание и т. д. Следует помнить, что увлажнение основания может быть не только в пределах уровня грунтовых вод, но и значительно выше – в результате капиллярного поднятия воды. При диаметре капилляров 0,005 мм высота поднятия воды может составить: для мелких песков – 0,1–0,5 м, пылеватых – 0,5-2 м, суглинков – 5-15 м, для глин – 5-50 м.

Подвижные воды при соответствующих скоростях перемещения могут размывать грунт основания или материал фундамента. Агрессивные примеси в воде могут разрушительно действовать и на грунт, и на фундамент. Напорные грунтовые воды затрудняют выполнение гидроизоляции фундаментов, осложняют эксплуатацию подвалов.

Промерзание грунтов. На обширных территориях нашей страны верхние слои грунта значительную часть года имеют отрицательную температуру. Грунты, хотя бы часть воды в которых находится в замерзшем состоянии, называют мерзлыми. Различают сезонно-мерзлые и вечномерзлые грунты. Сезонномерзлые промерзают на определенную глубину только в зимний период. Вечномерзлые оттаивают на определенную глубину в летний период. Глубина сезонного промерзания зависит от климатических условий и вида грунта. СНиП дает карты величин сезонного промерзания. Можно также определить эту величину по формулам, приводимым в курсе «Основания и фундаменты». СНиП дает нормативные глубины промерзания для глинистых грунтов. Чтобы получить значения для супесей, песков, мелких и пылеватых, эти глубины следует принимать с коэффициентом 1,2 (глинистые грунты промерзают при температуре -1 °С; супеси, пески и пылеватые – при -0,2°С; остальные же грунты – при 0°).

Необходимо тщательное изучение условий промерзания грунтов и, при необходимости, применение специальных мер, защищающих фундаменты от пучения.

При вечномерзлых грунтах опасность представляет их неконтролируемое оттаивание под зданиями. При оттаивании мерзлый грунт теряет несущую способность, и неравномерные деформации приводят к разрушениям фундаментов и зданий. Поэтому при проектировании оснований зданий и сооружений на терри­тории распространения вечномерзлых грунтов должны быть учтены требования специальных норм 2.

Чтобы исключить деформации оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания, возможно применение двух принципиальных решений. При первом вечномерзлые грунты основания сохраняют в мерзлом состоянии в течение все-, го срока эксплуатации здания. При втором производят оттаивание вечномерзлых грунтов до начала возведения и допускают их последующее оттаивание. И первый, и второй принципы весьма сложны в практическом применении и требуют от проектировщиков и строителей особого внимания. Выбор того или иного принципа зависит от конкретных условий.

Искусственные основания. Если грунты в природном состоянии на глубине заложения фундаментов не обладают достаточной несущей способностью, имеют повышенную сжимаемость и фильтрационную способность, необходимо их искусственное укрепление. Искусственное основание – результат укрепления грунта методами уплотнения, закрепления или замены.

Уплотнение может быть глубинное или поверхностное. Поверхностное уплотнение производят С помощью укатки, трамбования или вибрирования. В последнее время вытрамбовывание котлованов получило распространение как мера повышения несущей способности обычных оснований. Глубинное уплотнение может быть осуществлено песчаными или грунтовыми сваями, или с помощью взрывов.

Закрепление грунтов в зависимости от цели закрепления и вида грунта может быть выполнено способами силикатизации, смолизации, битумизации, глинизации и т.д. Возможно также термическое закрепление для лессовых грунтов. Цементация дает хорошие результаты для крупных и средних песков. Битумизация эффективна для песчаных, крупнообломочных и трещиноватых скальных пород.

Замену грунта производят тогда, когда уплотнение и закрепление невозможны или неэффективны. При этом методе слой слабого грунта заменяют более прочным. Укладку нового основания следует производить послойно, с увлажнением и вибрированием или трамбованием.

Дата добавления: 2014-01-05