Всплытие подземной ёмкости:
как рассчитать и чем удержать.
Всплытие подземной ёмкости — прямое следствие закона Архимеда: пустой корпус в водонасыщенном грунте выталкивается вверх с силой, равной весу вытесненной им воды. Разбираем, как эту силу посчитать, что на самом деле удерживает корпус и в какие моменты ёмкости всплывают чаще всего.
Почему подземная ёмкость всплывает
На тело в воде действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной воды. Кубометр воды весит около тонны, поэтому каждый кубометр наружного объёма корпуса ниже уровня грунтовых вод толкает его вверх примерно на 1 т — около 9,81 кН. Считается весь погружённый объём, с рёбрами жёсткости и горловинами. Минерализованная грунтовая вода немного тяжелее пресной и выталкивает чуть сильнее.
Пока ёмкость заполнена, вода внутри уравновешивает большую часть этой силы. Опасность появляется, когда уровень внутри опускается ниже уровня снаружи: чем больше разница, тем сильнее подъём. Поэтому расчётный случай один — ёмкость пуста, а грунтовые воды стоят на сезонном максимуме.
На практике таких моментов два. В эксплуатации — сразу после откачки: при чистке, вывозе осадка, опорожнении для ремонта. При монтаже — когда корпус уже в котловане, но ещё не закреплён и не засыпан, а котлован заливает грунтовая или дождевая вода.
Как посчитать выталкивающую силу: пример на цифрах
Проверка сравнивает две величины. Выталкивающая сила — объём корпуса ниже расчётного уровня воды, умноженный на вес кубометра воды. Удерживающие силы — вес корпуса, грунт над ним, плита и грунт над её выступами, причём всё, что ниже воды, — за вычетом вытесненной воды. Они должны превышать выталкивающую силу с коэффициентом запаса, который задаёт расчёт по нормам.
Пример для порядка величин, не проектный расчёт. Резервуар РЕЗ-20: цилиндр ⌀2000 × 6400 мм, объём 20,11 м³, масса корпуса 745 кг. Если грунтовые воды поднялись выше его верха, вода выталкивает его с силой не меньше 20 т — около 200 кН: наружный объём с рёбрами чуть больше внутреннего. Собственный вес корпуса закрывает меньше 4 % этой силы, остальное должны дать грунт и анкеровка.
Теперь пригруз. Кубометр железобетона весит около 2,5 т — ориентир для тяжёлого бетона, — но под водой он вытесняет тонну воды и удерживает только около 1,5 т. Чтобы уравновесить недостающие 19 т одним бетоном, нужно около 13 м³ под водой, а не 8 м³, как выходит без поправки на Архимеда, — и это ещё без коэффициента запаса. Поэтому выгоднее, чтобы плита работала вместе с грунтом над ней.
Что на самом деле удерживает корпус
Собственный вес. У стеклопластика он мал — плюс при перевозке и монтаже, но при высокой воде почти не помогает.
Грунт над корпусом. Учитывается только тот, что действительно лежит на корпусе: над горизонтальным цилиндром — полоса шириной с его диаметр, от уровня оси до поверхности, за вычетом самого корпуса. Ниже уровня воды грунт «взвешен» и легче на вес вытесненной воды — на тонну с каждого кубометра. Засыпку, которую будут вскрывать, и трение засыпки по стенкам разумно не учитывать: засыпки в опасный момент может не оказаться, а трение зависит от уплотнения и на месте не проверяется.
Плита основания и анкеровка. Корпус притягивают к железобетонной плите лентами или хомутами через закладные петли или анкеры — по схеме установки, а не «по месту». Выталкивающая сила уходит в плиту, а плиту держат её вес под водой и грунт над её выступами. Поэтому плиту обычно делают шире корпуса: грунт на выступах работает как пригруз.
Тяжёлый пригруз — толще плита или обетонирование корпуса — остаётся, когда грунт сверху засчитать нельзя: при мелком заложении или покрытии, которое будут вскрывать. Бетона при этом уходит много.
Монтаж и эксплуатация: как не дать ёмкости всплыть
- Уровень грунтовых вод берут из инженерно-геологических изысканий — сезонный максимум, а не отметку на день бурения. В орошаемых районах вода поднимается в сезон поливов и промывок полей. Нет изысканий — нет и расчёта на всплытие.
- В глинистом грунте песчаная засыпка собирает дождевую и поливную воду, как ванна: ёмкость может всплыть, даже если грунтовые воды по изысканиям ниже её дна. Воду из пазух либо отводят, либо учитывают в расчёте.
- Плиту бетонируют до установки корпуса, а котлован осушают водоотливом или водопонижением, пока корпус не закреплён и не засыпан.
- Пустой незакреплённый корпус в мокром котловане не оставляют даже на ночь: дождь или подъём воды поднимут его раньше, чем вернётся бригада.
- Засыпку ведут послойно, песком без камней, с уплотнением по периметру и при заполненной водой ёмкости: вода внутри заодно пригружает корпус.
- Если полное опорожнение допустимо только при низкой воде, это записывают в регламент обслуживания и перед откачкой проверяют уровень грунтовых вод.
Что из этого делаем мы
Корпуса из стеклопластика — резервуары и усреднители, КНС, ЛОС, жироуловители, нефтеуловители, песколовки — наше производство. С каждым подземным корпусом выдаём расчёт на грунтовые нагрузки и всплытие под ваш уровень грунтовых вод и схему установки: размеры плиты, места крепления корпуса, порядок засыпки.
Котлован, водопонижение, плиту и анкеровку выполняет строительная организация по нашему заданию и чертежам строительной части. Если вода на площадке оказалась выше принятой, пересчитываем до засыпки, а не после.
Что удерживает корпус и как это учитывать
| Сила | Как учитывать | Оговорка |
|---|---|---|
| Грунт над корпусом | полоса шириной с корпус над его осью; под водой — на 1 т/м³ легче | не учитывать, если засыпку будут вскрывать |
| Плита основания | вес бетона минус вытесненная вода: под водой около 1,5 т/м³ | работает только через крепление к корпусу |
| Грунт над выступами плиты | столб над выступами; под водой — взвешенный | размер выступов — по схеме установки |
| Вода внутри ёмкости | не учитывать | расчётный случай — ёмкость пуста |
Таблица показывает логику проверки и не заменяет расчёт: коэффициент запаса, плотность грунтов и размеры плиты принимаются по нормам и изысканиям площадки.
Подземные корпуса, которые мы считаем на всплытие
Особенно важна проверка для корпусов, которые регулярно опорожняют. Все они — нашего производства, расчёт и схема установки идут с изделием.
Типоразмерные ряды с полными характеристиками — на страницах линеек.
Частые вопросы о всплытии ёмкостей
Может ли всплыть заполненная ёмкость?
Полностью заполненная — как правило, нет: вода внутри уравновешивает почти всю выталкивающую силу. Опасна разница уровней, когда воды внутри меньше, чем снаружи, — поэтому ёмкости, которые регулярно опорожняют, проверяют в пустом состоянии.
Нужна ли анкеровка, если грунтовые воды глубоко?
Если сезонный максимум по изысканиям ниже дна ёмкости и грунт хорошо пропускает воду, всплытие не грозит и анкеровка не нужна. В глинистом грунте проверяют ещё воду, которая собирается в засыпке котлована. Решает расчёт по изысканиям, а не опыт соседнего участка.
Можно ли вместо анкеровки просто заглубить ёмкость?
Грунт сверху удерживает, но ниже уровня воды он легче на тонну с каждого кубометра, а с глубиной растут внешнее давление на оболочку и длина горловин. Устойчивость оболочки — отдельная проверка: у наших резервуаров критическое давление указано в характеристиках каждой модели. Глубину, пригруз и анкеровку подбирают одним расчётом.
Всплывают ли бетонные ёмкости?
Да. Бетон тяжелее стеклопластика, но с размером объём ёмкости растёт быстрее, чем вес её стен и днища, и у крупного пустого резервуара запаса может не хватить. Проверка та же, и под водой бетон так же легче на тонну с каждого кубометра.
Что делать, если ёмкость уже всплыла?
Если корпус начал подниматься при откачке, откачку прекращают. Дальше котлован осушают, корпус, горловины и патрубки осматривают и устанавливают заново по схеме, с анкеровкой под фактический уровень воды. Вдавливать всплывший корпус ковшом нельзя: так ломают ламинат и патрубки.
Смежные страницы
Пришлите уровень грунтовых вод —
посчитаем анкеровку.
Модель или размеры ёмкости, глубина заложения, уровень грунтовых вод по изысканиям, тип грунта и есть ли сверху проезд. Вернём расчёт на всплытие и схему установки для строителей.
ПОСЧИТАТЬ АНКЕРОВКУ