КОМБИНИРОВАННАЯ ПРОСЛОЙКА И СПОСОБ ЕЕ ВОЗВЕДЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК E02D29/00 E21D11/00 

Изобретение относится к области строительства подземных сооружений, обеспечивающих защиту различных объектов, например атомных электростанций, от внешних взрывных механических воздействий.

Известна конструкция расположенного, как правило, в скальной выработке подземного сооружения, включающая несущую обделку (металлическую или железобетонную) и размещенную между последней и контуром выработки пространственную однородную оболочку - прослойку из пористого деформируемого (сжимаемого) материала с одинаковыми характеристиками по всему ее объему (см. "Жесткая защита в проблеме безопасности сложных технических систем". Международный институт безопасности сложных технических систем, Москва, 1995 г., стр. 352-372 - прототип для устройства).

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, являются сравнительно невысокие защитные свойства и высокая стоимость сооружения, прежде всего из-за сравнительно малой деформативности (сжимаемости) однородной прослойки.

Авторами предлагается использовать в качестве материала прослойки крупнопористый бетон на основе крупного пористого гранулированного заполнителя, например крупнопористый керамзитобетон, который выполняется из смести керамзита (как правило, с маркой по насыпной плотности до 300), цемента и воды и представляет собой крупнопористую структуру, где гранулы заполнителя (керамзита) покрыты и жестко связаны между собой цементным камнем. Пористые гранулированные заполнители (керамзит, шлакозит, стеклозит и другие) сходны по своим физико-механическим характеристикам (прочности, плотности и другим), широко выпускаются промышленностью и используются в строительстве (см., например, "Заполнители пористые неорганические для легких бетонов" ГОСТ9757-83).

Наиболее эффективным способом возведения крупномасштабных строительных конструкций, в том числе и прослойки подземного сооружения, является монолитный способ, который характеризуется наименьшей трудоемкостью, продолжительностью и стоимостью строительных работ.

Известен монолитный способ возведения строительных конструкций, в том числе из легкого бетона, включающий дозирование компонентов, их смешивание, транспортирование смеси по бетоноводу и ее укладку в конструкцию при использовании пневмобетононасоса (пневмонагнетателя) (см., например, "Руководство по укладке бетонных смесей бетононасосными установками", ЦНИИОМТП Госстроя СССР, Москва, 1978 г., стр. 39-48). Однако он не пригоден для возведения комбинированной прослойки.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является следующее.

Как показали многочисленные исследования, проведенные авторами, транспортирование крупнопористой смеси с достаточно малым расходом цементного теста по бетоноводу, прежде всего на дальние расстояния (несколько десятков и сотни метров), с получением конструкции с требуемыми характеристиками осуществить практически невозможно. В этом случае воздух повышенного давления от пневмобетононасоса, предназначенный для перемещения смеси по бетоноводу, в значительном количестве проходит сквозь крупные поры смеси и не оказывает необходимого давления, перемещающего действия на последнюю, то есть смесь практически застревает в бетоноводе. Кроме того, невысокий расход цементного теста крупнопористой смеси определяет сравнительно высокое ее трение, прежде всего заполнителя, о внутренние стенки бетоновода, что дополнительно препятствует транспортированию смеси, а также приводит к "износу" и даже разрушению заполнителя, а в итоге не обеспечивает получения конструкции из крупнопористого бетона с требуемыми характеристиками.

Указанные причины не позволяют обеспечить требуемые защитные свойства подземного сооружения, возвести прослойку из крупнопористого легкого бетона (например, керамзитобетона) монолитным способом.

Задачей заявляемого изобретения является повышение защитных свойств подземного сооружения, обеспечение возведения прослойки из крупнопористого легкого бетона (например, керамзитобетона) с требуемыми характеристиками эффективным монолитным способом и снижение стоимости прослойки и сооружения в целом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемая новая конструкция прослойки выполнена из деформируемого материала в виде пространственной оболочки между контуром горной выработки и несущей обделкой и исполнена комбинированной из двух частей: нижней лотковой части, ограниченной сектором с центральным углом до 180^o, и верхней части с меньшей прочностью, чем лотковая. В части способа возведения комбинированной прослойки задача решается за счет того, что способ включает приготовление бетонной смеси на основе пористого гранулированного заполнителя путем дозирования и смешивания компонентов, транспортирование и укладку ее между контуром выработки и обделкой при использовании пневмобетононасоса, причем при возведении лотковой части прослойки смесь приготавливают преимущественно при расходе цемента не менее 70 кг/м³ и воды не менее 35 л/м³ и укладывают непосредственно из бетоносмесителя или методом выгружения смеси из смесителя в бадью, перемещения последней краном к месту укладки и выгружения из бадьи, а при возведении верхней части прослойки смешивание и транспортирование по бетоноводу смеси производят с использованием водовоздушной пены, при этом приготавливают смесь преимущественно при расходе цемента не более 60 кг/м³.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, в части конструкции состоит в повышении защитных свойств сооружений, а в части способа обеспечивает возведение прослойки эффективным монолитным способом с наименьшими трудо- и материалозатратами.

Изобретение поясняется описанием и чертежами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез горизонтального цилиндрического подземного сооружения, а на фиг. 2 - диаграмма "напряжение - относительная деформация (σ-ε)″ одноосного сжатия материала прослойки.

Подземное сооружение (см. фиг.1) включает несущую обделку 1 (железобетонную или металлическую) и размещенную между последней и контуром выработки 2 комбинированную прослойку. Прослойка исполнена из 2 частей: лотковой части 3, ограниченной сектором с центральным углом α не более 180^o, и верхней части 4, при этом последняя выполнена из материала с меньшей прочностью, чем лотковая часть.

Лотковая часть 3 в течение длительного периода эксплуатации воспринимает вес вышележащего сооружения и обеспечивает его нахождение в заданном проектном положении.

В качестве материала прослойки может быть использован крупнопористый бетон на основе пористого гранулированного заполнителя, например крупнопористый керамзитобетон. В этом случае получение материала в конструкции с большей или меньшей прочностью может быть обеспечено, прежде всего, соответственно большим или меньшим расходом цемента, а также использованием более или менее плотного заполнителя, причем использование заполнителя с маркой более 300 практически нецелесообразно, так как значительно уменьшается пустотность бетона и, следовательно, его деформативность ε_d (величина относительного сжатия материала, по истечении которой по мере его дальнейшего деформирования в нем значительно возрастают напряжения).

Сооружение с комбинированной прослойкой работает следующим образом.

В процессе внешнего интенсивного механического воздействия в месте посадки сооружения происходит смещение горного массива в направлении воздействия и при этом, как правило, одновременно может происходить разрушение контура выработки, сопровождающееся образованием вывала горной породы.

Таким образом, имеет место относительное смещение контура выработки и обделки и происходит обжатие сравнительно непрочной и высокопустотной прослойки. Здесь прослойка обеспечивает отсутствие непосредственного интенсивного нагружения обделки со стороны контура выработки и, деформируясь, передает на обделку лишь незначительную нагрузку, которую та воспринимает. При этом следует отметить, что толщина прослойки принимается таким образом, чтобы при определенном воздействии величина ее обжатия не превышала ее деформативность ε_d (см. фиг.2), так как в противном случае (при ε>ε_d) прослойка будет передавать значительную нагрузку на обделку и последняя может быть разрушена.

Основные характеристики (угол α, предел прочности σ_s и др.) лотковой части 3 прослойки могут быть обоснованы исходя из условий ее работы при взрывном воздействии, а также необходимости восприятия ею веса сооружения и обеспечения нахождения обделки в заданном проектном положении при длительной эксплуатации. Исходя из сказанного, максимальный угол α целесообразно установить равным 180^o, так как вес сооружения воспринимает только часть прослойки, ограниченная сектором с углом α не более 180^o. При этом, как показывают соответствующие исследования, целесообразно предел прочности σ_s принимать, как правило, не менее 0,4 МПа.

Эффективность выполнения остальной части керамзитобетонной прослойки с меньшим σ_s объясняется следующим.

Характерной особенностью крупнопористых легких бетонов является увеличение их деформативности ε_d по мере уменьшения их σ_s и определяется это тем, что для получения бетона с меньшей прочностью требуется меньше расход цемента или использование менее плотного заполнителя, а это приводит к увеличению пустотности бетона и, как следствие, его деформативности. А выполнение части прослойки с большей ε_d обеспечивает защиту от более интенсивных воздействий (так как прослойка может быть продеформирована на большую величину без увеличения нагрузки на обделку), а также позволяет снизить толщину прослойки и, следовательно, ее стоимость.

Предлагаемый способ возведения комбинированной прослойки осуществляется следующим образом.

В первую очередь возводят лотковую часть 3 прослойки. Первоначально производят дозировку компонентов - заполнителя, цемента и воды - и их перемешивание в смесителе гравитационного действия (например, СБ-92 и т.п.) в течение, как правило, до 10-15 минут. Далее полученную смесь укладывают в лотковую часть прослойки, при этом данную операцию производят путем выгрузки смеси непосредственно из смесителя в конструкцию прослойки или методом "кран-бадья", когда смесь выгружают из смесителя в бадью, перемещают последнюю краном к месту укладки и выгружают уже из бадьи в конструкцию. Здесь следует отметить, что при указанном выше соотношении компонентов бетонная смесь является удобоукладываемой: смесь заполняет заданный объем лотковой части и при этом остается однородной, т.е. не расслаивается (цементное тесто не перетекает по объему прослойки), а лотковая часть получается из однородного крупнопористого бетона с σ_s не менее 0,4 МПа.

Во вторую очередь возводят верхнюю часть 4 прослойки, для чего, как правило, устанавливают опалубку по ее внутренней проектной поверхности. Предварительно приготавливают водный раствор пенообразователя, например марки "Прогресс", или марки "Ива" концентрации 0,01-0,015, или марки ПО-6 концентрации 0,03-0,06, или других аналогичных марок, и из него с помощью пеногенератора получают водовоздушную пену, как правило, с кратностью 10-30. Производят дозировку компонентов - заполнителя, цемента и водовоздушной пены. Затем их перемешивают в смесителе гравитационного типа (например, СБ-92 или т. п. ) в течение, как правило, до 10 минут. Далее полученную смесь из смесителя перегружают в пневмобак бетононасоса (например АПБУ-1 и т.п.) и транспортируют (перекачивают) по бетоноводу, а из него распределяют (укладывают) по объему верхней части прослойки. Возможен вариант подачи отдозированных компонентов непосредственно в пневмобак бетононасоса для перемешивания.

Как показали исследования, проведенные авторами, при указанном выше соотношении компонентов бетонная смесь является удобоперекачиваемой (по бетоноводу с помощью пневмобетононасоса на расстояние в десятки и сотни метров) и удобоукладываемой, а верхняя часть прослойки получается из крупнопористого бетона с σ_s не более 0,35 МПа.

Таким образом, введение водовоздушной пены в состав крупнопористой смеси обеспечивает ее транспортирование (в отличие от известного способа) и укладку в конструкцию. Объясняется это тем, что наличие пены повышает подвижность смеси и снижает ее трение о внутренние стенки бетоновода, а также, заполняя пустоты смеси, пена обеспечивает более эффективную работу сжатого воздуха от пневмобетононасоса при его давлении с перемещением смеси, что в итоге и обеспечивает транспортирование крупнопористой бетонной смеси к месту укладки в конструкцию и получение последней с требуемыми характеристиками.

Следует отметить, что в данном способе может быть не использована вода, как отдельный компонент. Содержащейся в водовоздушной пене воды может быть достаточно для гидратации цемента.

Для возведения лотковой части прослойки применять данный способ перекачки с использованием пены нецелесообразно. Во-первых, указанный выше монолитный способ возведения лотковой части более прост в осуществлении. Во-вторых, наличие пены делает смесь более "капризной", особенно в случае с более высоким расходом цемента, с точки зрения получения бетона с определенными характеристиками. Водовоздушная пена повышает подвижность смеси и в случае с достаточно высоким расходом цемента (для бетона лотковой части в сравнении с верхней) способствует более неравномерному распределению растворной части по объему конструкции и, как следствие, получению бетона с разбросом σ_s, соизмеримым с самой заданной этой величиной.

Ниже в таблице приведены некоторые конкретные примеры осуществления предлагаемого способа возведения керамзитобетонной прослойки.

Техническая эффективность заявляемой комбинированной прослойки из крупнопористого легкого бетона и монолитного способа ее возведения заключается в следующем.

Во-первых, в повышении защитных свойств сооружений за счет выполнения прослойки, верхней ее части с большей деформативностью.

Во-вторых, в возможности использования в качестве материала прослойки крупнопористых бетонов на основе пористых гранулированных заполнителей, например керамзитобетона, компоненты которых дешевы и широко выпускаются промышленностью и используются в строительстве.

В-третьих, в обеспечении возведения прослойки эффективным монолитным способом.

В-четвертых, в снижении стоимости прослойки: за счет меньшего расхода цемента в верхней ее части, выполняемой с меньшей прочностью; ввиду большей деформативности прослойки требуется ее возведение с меньшей толщиной, что также снижает стоимость прослойки и сооружения в целом.

Изобретение относится к области строительства подземных сооружений, обеспечивающих защиту различных объектов, например атомных электростанций, от внешних взрывных механических воздействий. Прослойка подземного сооружения исполнена комбинированной из двух частей: нижней лотковой части, ограниченной сектором с центральным углом до 180^o, и верхней части с меньшей прочностью. Новым в способе возведения прослойки является то, что он содержит приготовление бетонной смеси на основе пористого гранулированного заполнителя, причем при возведении лотковой части прослойки смесь приготавливают преимущественно при расходе цемента не менее 70 кг/м³ и воды не менее 35 л/м³ и укладывают непосредственно из бетоносмесителя или методом выгружения смеси из смесителя в бадью, а при возведении верхней части прослойки смешивание и транспортирование по бетоноводу смеси производят с использованием водовоздушной пены, при этом приготавливают смесь преимущественно при расходе цемента не более 60 кг/м³. Технический результат состоит в повышении защитных свойств подземного сооружения, обеспечении возведения прослойки из крупнопористого легкого бетона с требуемыми характеристиками эффективным монолитным способом, а также снижении стоимости прослойки и сооружения в целом. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Прослойка подземного сооружения, выполненная из деформируемого материала в виде пространственной оболочки между контуром горной выработки и несущей обделкой, отличающаяся тем, что она исполнена комбинированной из двух частей: нижней лотковой части, ограниченной сектором с центральным углом до 180^o, и верхней части с меньшей прочностью. 2. Способ возведения прослойки по п. 1, характеризующийся тем, что он содержит приготовление бетонной смеси на основе пористого гранулированного заполнителя путем дозирования и смешивания компонентов, транспортирование и укладку ее между контуром горной выработки и обделкой при использовании пневмобетононасоса, причем при возведении лотковой части прослойки смесь приготавливают преимущественно при расходе цемента не менее 70 кг/м³ и воды не менее 35 л/м³ и укладывают непосредственно из бетоносмесителя или методом выгружения смеси из смесителя в бадью, перемещения последней краном к месту укладки и выгружения из бадьи, а при возведении верхней части прослойки смешивание и транспортирование по бетоноводу смеси производят с использованием водовоздушной пены, при этом приготавливают смесь преимущественно при расходе цемента не более 60 кг/м³.