Вестник отделения строительных наук РААСН 2011 №15

Подождите немного. Документ загружается.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

290

_________________________________________________________________________________________________________________

ресурсов в стране, по возможности без потерь экологической и санитарно-эпидемиологической

безопасности, начинается массовая смена нормативов и удельных показателей.

Стандартам с экологической ориентацией в России в 2010 году уделяется серьезное

внимание и на правительственном уровне. В соответствии с Распоряжением Министерства

природных ресурсов и экологии Российской Федерации №19-р от 24 мая 2010 года разрабо-

тана рейтинговая оценка соблюдения критериев соответствия системы добровольной эколо-

гической сертификации объектов недвижимости. В Ростехрегулирование Минприроды РФ

направило уведомление о начале разработки национального стандарта «Оценка соответст-

вия. Экологические требования к объектам недвижимости».

Первый российский Олимпийский «зеленый» стандарт [3] представляется весьма про-

грессивным на данном этапе интенсивного развития методик и норм:

- экологические и санитарно-эпидемиологические требования аккуратно и профес-

сионально разделены, поэтому противоречия с российскими нормами отсутствуют, что по-

зволяет при желании все оценить и доказать методически обоснованными расчетами и оцен-

ками, результаты которых поддаются приборному и количественному аудиту;

- вообще все требования предметно и рационально разделены, а в совокупности обра-

зуют логичный комплекс детальных экспертных требований и рекомендаций, близкий и к

российскому менталитету, и к устоявшейся системе нормирования, экспертизы и надзора, и к

системам проектирования, строительства.

Вместе с тем, олимпийский «зеленый» стандарт ориентирован, в первую очередь, на

градостроительный аспект проблемы, на сеть спортивно-оздоровительных комплексов, а не

на здания в крупном городе. Поэтому в нем много должного внимания уделяется генерации,

транспортировке энергоносителей, возобновляемым источникам и затем уже – количествен-

ным строгим оценкам, энергетическим балансам и т.д. Уклон стандарта, в основном, к эко-

логической стороне сертификации весьма очевиден, что затрудняет наладку энергетического

аудита по конкретному зданию в городской застройке.

Как показывают тенденции развития российского энергетического нормирования, в

самом ближайшем будущем мы вообще откажемся от не числовых оценок экологических и

санитарно-эпидемиологических параметров энергоэффективного объекта, а использование

тестового принципа, в качестве основной оценочной методики, оставим зарубежным «зеле-

ным» стандартам или на усмотрение инвесторов и российских исполнителей проектов для

определения их взаимных интересов на прединвестиционной стадии.

Данная логика нашла свое частичное воплощение в предложении творческого коллек-

тива (В.В. Гранев, А.Л. Наумов, Ю.А. Табунщиков) [8], создавшего российский вариант рей-

тинговой системы оценки качества зданий (таблица 1).

В этой системе 11 из 38 признаков, т.е. 29 % от общего числа – представлены уже в

количественном выражении, что авторам удалось сделать при определенном понимании и

учете возможностей российского менталитета, нормативно-технической и проектной прак-

тики, высочайшего профессионального уровня проектировщиков, при необходимости

умеющих и любящих точные расчеты и недвусмысленные оценки. Однако отдельные поло-

жения этой системы, на наш взгляд, требуют дальнейшего развития.

В частности, целесообразно систематизировать признаки в логической последова-

тельности на достижение потребителем цели, к которой надо двигаться, применяя рейтинго-

вые оценки – энергетическую эффективность, экологическую и санитарно-эпидемиоло-

гическую безопасность.

Ряд показателей требует количественных характеристик, например загрязнения при-

земного слоя атмосферы, верхних слоев атмосферы выбросами СО

и другими веществами, за-

трат первичных энергоресурсов на проектируемом, строящемся и эксплуатируемом здании.

Некоторые количественные оценки требуют уточнения на соответствие с отечествен-

ными нормами в части экологических и санитарно-эпидемиологических требований.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

291

Так что, несмотря на существенную долю количественных признаков, анализируемый

вариант рейтинговой оценки ближе пока к зарубежным «зеленым» стандартам, чем к отече-

ственной проектной практике.

Таблица 1 – Рейтинговая система оценки качества зданий

Группа требований

Число

критериев

Количество

баллов

1. Генеральный план и ландшафт 7 41

2. Архитектура и планировочные решения 10 63

3. Рациональное водопользование 3 20

4. Энергоэффективность 3 120

5. Материалы, ресурсы, оборудование 3 30

6. Качество и комфорт среды обитания 4 60

7. Отходы и опасные материалы 3 15

8. Нетрадиционные и альтернативные энергоисточники 2 60

9. Дополнительные требования и мероприятия 3 55

Итого 38 464

На наш взгляд систему рейтинговой оценки качества зданий можно уточнить – с це-

лью формирования крайне необходимой, на современном этапе развития энергосбережения,

комплексной оценки энергетической эффективности, экологической и санитарно-

эпидемиологической безопасности – и составить ее из трех взаимосвязанных основных ук-

рупненных категорий (энергетическая, экологическая и санитарно-эпидемиологическая). В

основные категории включить отдельные регистры требований и рекомендаций с современ-

ной количественной оценкой энергетической эффективности, а также на основе российской

системы нормативного обеспечения экологической и санитарно-эпидемиологической безо-

пасности зданий (таблица 2).

Три уровня рейтинга – проект, строительство и эксплуатация по-прежнему остаются

базовыми уровнями.

Требования и рекомендации в категориях и регистрах формируются исходя из рос-

сийских легитимных нормативных документов по водо-, тепло- и электроснабжению, по во-

доотведению, природоохранных документов, проектов застройки и землепользования, сани-

тарных норм и правил, соответствующих государственных стандартов по инженерным сис-

темам и т.д., целевых региональных программ энергосбережения, Приказа Минрегионразви-

тия № 262, Приказа Минэнерго №182 в части энергопотребления, Эти главные требования в

части экологической и санитарно-эпидемиологическая безопасности человека в большинстве

имеют численное выражение и практически каждое из них можно определить по соответст-

вующему методу на основе российских норм.

Требования 2-ой основной категории «Рациональное природопользование и экологи-

ческая безопасность», требования 3-ей основной категории «Санитарно-эпидемиологическая

безопасность человека» так же, как требования и рекомендации 1-й категории «Энергетиче-

ская эффективность» имеют численные векторные оценки.

В пятнадцати регистрах основных трех категорий рейтинговой системы включено 178

требований и рекомендаций. Для примера приведем только некоторые из них в таблице 3.

По опыту проектирования большого числа объектов различного назначения становит-

ся понятно, что при всех равных прочих условиях (при наличии эффективных инженерных

систем, экологических, санитарно-эпидемиологических, утилизационных и прочих призна-

ков) зачастую варианты без расчетов энергетических балансов нельзя различить. Отличие

может быть обнаружено только при количественной оценке в физических единицах энергии

в сравнении не с прототипом – проектным вариантом одного и того же объекта, а в сравне-

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

292

_________________________________________________________________________________________________________________

нии с предельными нормативными затратами энергоресурсов на отопление, горячее водо-

снабжение, вентиляцию и вспомогательное оборудование зданий при движении по числово-

му вектору энергоиндексации.

Таблица 2 – Перечень категорий и регистров энергетической эффективности, эколо-

гической и санитарно-эпидемиологической безопасности зданий

Категория

Регистр

Характеристика

Основные и обязательные категории

Энергетическая эффективность

(177

баллов

, 75

требований

рекомендаций

)

Использование

эффективного

оборудования

технологий

устройств

системах

ото

пления

вентиляции

горячего

водоснабжения

охлаждения

кондиционирования

(40

требований

рекомендаций

)

Количественные

отчетные

показатели

обязательной

энергетической

эффективности

–

числовая

энергоиндексация

(

векторы

энергоиндек

сации

физических

единицах

затрат

тепловой

энергии

замещения

невозобновляемых

источников

параметров

ограждающих

конструкций

)

Использование

эффективного

оборудования

технологий

устройств

системах

хо

лодного

водоснабжения

водоотведения

включая

канализацию

(12

требований

)

Архитектурно

планировочные

конструктивные

параметры

компактность

строения

долговечность

всего

здания

его

элементов

пассивные

гелиосистемы

(13

требований

рекомендаций

)

Организационные

энергосберегающие

мероприятия

рекомендации

)

Рациональное природопользование и экологическая безопасность

(55

баллов

, 38

требований

)

Выбор

планировочной

схемы

земельного

участка

размещение

здания

охрана

зеле

ных

насаждений

требований

)

Ландшафтное

благоустройство

требований

)

Охрана

почв

вод

при

строительстве

эксплуатации

объекта

требований

)

Охрана

верхних

слоев

атмосферы

при

строительстве

эксплуатации

объекта

требо

ваний

)

Безопасное

обращение

строительных

отходов

требований

)

Количественные

отчетные

показатели

обязательной

экологической

безопасности

–

чи

словая

энергоиндексация

вектора

энергоиндексации

физических

единицах

затрат

первичного

топлива

выбросов

углекислого

газа

)

Санитарно-эпидемиологическая безопасность человека

(69

баллов

, 49

требований

)

Обеспечение

нормативных

комфортных

санитарно

эпидемиологических

условий

для

жизнедеятельности

людей

вне

внутри

зданий

(26

требований

)

Охрана

атмосферы

приземном

слое

при

строительстве

эксплуатации

объекта

требований

)

Требования

по

выбору

безопасных

конструктивных

элементов

строительных

отде

лочных

иных

материалов

требований

)

Требования

по

недопущению

конденсата

протечек

внутри

помещений

во

избежание

грибковых

поражений

ограждающих

элементов

здания

требование

)

Автоматическое

индивидуальное

регулирование

микроклимата

требований

)

Дополнительная категория

Чрезвычайные ситуации, инновации, сертификация, аудит

(17

рекомендаций

)

Рекомендации

по

выбору

наилучших

решений

технологий

для

чрезвычайных

ситуа

ций

катастроф

рекомендаций

)

Инновационные

технологии

энергосбережении

обеспечении

экологической

са

нитарно

эпидемиологической

безопасности

рекомендаций

)

Углубленный

энергетический

экологический

санитарно

эпидемиологический

над

зор

рекомендации

)

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

293

Таблица 3 – Некоторые примеры численных векторов и балльных рейтингов требова-

ний и рекомендаций по 1-й, 2-й и 3-й категориям

Категория

Требования

или

рекомендация

Численное

зн

чение

векторе

Балльный

рейтинг

Показатель

компактности

здания

1,1

1,2

Для

уменьшения

выбросов

СО

верхние

слои

атмосферы

при

транспортировке

объем

использования

местных

строительных

материалов

по

отношению

ко

всему

объему

используемых

материалов

на

объекте

составляет

< 30%

50%

80%

100%

При

реконструкции

здания

сохраняются

используются

элементы

его

стен

перекрытий

покрытия

том

числе

–

на

других

объектах

объеме

не

менее

20%

50%

75%

100%

Объем

внутренних

пространств

обеспеченных

норматив

ным

уровнем

естественной

освещенности

по

отношению

суммарному

объему

здания

составляет

50%

70%

100%

При

воздействии

внешних

источников

шума

результате

принятых

мероприятий

помещениях

здания

достигнуты

максимальные

эквивалентные

уровни

звука

ниже

допус

тимых

по

категории

(

СНиП

23-03-2003)

ночное

днев

ное

время

суток

на

дБА

более

дБА

При

технологических

операциях

работе

энергоустано

вок

период

строительстве

объекта

за

счет

мероприятий

обеспечивается

(

при

необходимости

)

достижение

концен

траций

пыли

оксидов

азота

углерода

также

легких

ор

ганических

соединений

приземном

слое

атмосферы

по

каждому

из

веществ

учетом

фона

на

уровне

ВСВ

(

временно

согласованный

выброс

)

ПДК

0,8

ПДК

0,6

ПДК

В настоящее время в Российской Федерации в нормативном порядке энергоэффектив-

ность зданий оценивается по годовому расходу тепловой энергии на отопление (и вентиля-

цию). Пока только рассматриваются вопросы включения в нормативную оценку эффектив-

ности расходов энергии на обеспечение горячего водоснабжения, пищеприготовление, элек-

тропотребление. В соответствии с требованиями СНиП 23-02 для зданий предлагается 5

классов энергоэффективности. Класс С предусматривает энергопотребление зданий на нуж-

ды отопления (вентиляции) в соответствии с требованиями СНиП 23-02. С 2011 года в соот-

ветствии с Приказом №262 в задании на проектирование следует указывать класс энергети-

ческой эффективности В ("высокий") и процент снижения нормируемого удельного расхода

энергии на цели отопления и вентиляции по отношению к базовому уровню (рисунок 2).

Применяемый в нашей стране подход к оценке класса энергоэффективности зданий

только по нагрузке отопления (вентиляции) оправдан для зданий старой застройки, где доля

расхода энергии на нужды отопления (вентиляции) в общем балансе энергопотребления дос-

тигает 60-70%. С введением норм СНиП 23-02 (продублированных региональными нормами,

например, ТСН 23-340-2003 и др.), а тем более, Приказа №262, доля отопительной нагрузки

в общем балансе энергопотребления энергоэффективного здания резко сокращается (рисунок

3). Насущным при определения уровня энергоэффективности здания, стал вопрос учета рас-

хода энергии на другие системы.

Учитывая многообразие категорий зданий и различие нормативных требований к их

энергопотреблению внутри каждой категории, наиболее целесообразно систему оценки энер-

гоэффективности строить на основе бальных эквивалентов, основанных на рейтинговой оцен-

ке вклада каждой инженерной системы в общее повышение энергоэффективности.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

294

_________________________________________________________________________________________________________________

Рисунок 2 – Уровень требований к энергопотреблению зданий на отопление и вентиляцию:

A, B, C, D и E – зоны классов энергоэффективности зданий в соответствии с положениями

СНиП 23-02; % – Величина отклонения расчетного (фактического) значения удельного расхода

тепловой энергии на отопление здания q

des

от нормативного (базового уровня «0»); 1, 2, 3 –

требования приказа № 262 к энергопотреблению зданий на отопление и вентиляцию по

отношению к базовому уровню: 1 – уровень минимального потребления вновь возводимых зданий

с 2011 г.; 2- тоже с 2016 г.; 3 – тоже с 2020 г.

В основу рейтинговой оценки, прежде всего, закладывается подход:

– сопоставимость потребляемых различными инженерными системами энергоресурсов;

– тождественность количества баллов за одинаковый вклад в общее снижение потреб-

ления традиционного топлива (энергоресурса);

– зависимость экологических и санитарно–эпидемиологических критериев от потреб-

ляемых различными инженерными системами энергоресурсов в виде того или иного измене-

ния выбросов загрязняющих веществ в верхние и приземные слои атмосферы. Это относится

и к акустическим санитарно-эпидемиологическим критериям в связи с выбором инженерных,

конструктивных систем, технологического оборудования, машин и механизмов определен-

ных классов энергоэффективности и безопасности.

Рисунок 3 – Структура энергопотребления в российских жилых зданиях

При разработке шкалы баллов, также может быть учтена значимость отдельных на-

правлений энергосбережения (например, использование ВИЭ) (рисунок 4).

Например, предлагается следующее распределение баллов при оценке энергетической

эффективности зданий жилых и детских дошкольных учреждений (таблицы 4 и 5).

Система рейтинговой оценки качества зданий (таблица 2) в основной – энергетиче-

ской категории – в данной статье уточняется путем введения векторной энергоиндексации

затрат конечных энергоносителей инженерными системами, зданием в целом и затрат пер-

вичной энергии.

Выраженные в баллах требования по экологическим, санитарно-эпидемиологичским и

др. требованиям (категории 2, 3 и 4 таблицы 2) могут быть сопоставлены в соответствие с

требованиями по классам и этапам энергоэффективности (таблица 6).

40%

35%

13%

12%

Отопление (вентиляция)

ГВС

Приготовление пищи

Электропотребление

58%

25%

10%

Фактическое распределение энергопотребления

в существующих жилых домах

Нормативное распределение энергопотребления

в проектируемых жилых домах

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

295

Рисунок 4

Таблица 4 – Здания жилые 6 и 7-этажные

Сокращение

показателя

относи

тельно

базового

значения

класс

0 0÷9% 10% 15% 20% 30% 40% 50%

60%

более

базовое

этап

2011

этап

2016

этап

2020

количество

баллов

Отопление

(

вентиляция

)

ГВС

Значение

показателя

Удельный

расход

энергоресурсов

на

отопление

(

вентиляцию

кДж

сут

)

0 2 7,2 4 6 8 0 32

Удельный

расход

энергоресурсов

на

ГВС

МДж

год

)

370 333 310,8 296 259 222 185 148

Таблица 5 – Детские дошкольные учреждения с круглосуточным пребыванием детей

Сокращение

показателя

относи

тельно

базового

значения

класс

0 0÷9% 10% 15% 20% 30% 40% 50%

60%

более

базовое

этап

2011

этап

2016

этап

2020

количество

баллов

Отопление

(

вентиляция

)

ГВС

Значение

показателя

Удельный

расход

энергоресурсов

на

отопление

(

вентиляцию

кДж

сут

)

124 111,6 105,4 99,2 86,8 74,4 62 49,6

Удельный

расход

энергоресурсов

на

ГВС

МДж

год

)

200 180 170 160 140 120 100 80

Таблица 6 – Рейтинги энергетической эффективности, экологической и санитарно-

эпидемиологичской безопасности зданий

Сокращение

энергопотребления

показа

теля

относительно

базового

значения

Классы

этапы

энергоэффективности

по

Приказу

Минрегионра

вития

РФ

№

262

класс

базовое

этап

2011

этап

2016

этап

2020

0 0÷9% 10% 15% 20% 30% 40%

Более

50%

Суммарное количество баллов по кате-

гориям 1, 2, 3 и 4 (таблица 1)

≤30

1 ÷ 120

≤121

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

296

_________________________________________________________________________________________________________________

В таком виде рейтинговая система с преимущественно количественным выражением

требований не только энергетических, но экологических и санитарно-эпидемиологических

характеристик естественным образом пригодна для легитимизации ее в качестве государст-

венного нормативного документа под общим названием – «Энергетическая эффективность,

экологическая и санитарно-эпидемиологическая безопасность зданий». Конечно, в подобный

нормативный документ могут входить только те экологические и санитарно-

эпидемиологические требования или рекомендации, которые прямо или косвенно имеют от-

ношение к энергосбережению и энергетической эффективности зданий.

Библиографический список

1. Гуткин, А. LEED – рейтинговая система для энергоэффективных и экологически

чистых зданий [Текст] / А. Гуткин //АВОК. – №6. – 2008.

2. Бродач, М.М. Энергоэффективные здания [Текст] / М.М. Богдач, Ю.А. Табунщи-

ков, Н.В. Шилкин. – Москва: АВОК-Пресс, 2003.

3. Корпоративный олимпийский «зеленый» стандарт. Требования по обеспечению

экологической и энергетической эффективности, ресурсосбережения, устойчивого природо-

пользования при проектировании, строительстве, реконструкции и эксплуатации олимпий-

ских объектов. – Москва: ГК ОЛИМПСТРОЙ, 2010.

4. Распоряжение Минприроды России от 30 декабря 2009 г. №75-р «О добровольной

экологической сертификации объектов недвижимости с учетом международного опыта при-

менения «зеленых» стандартов» [Текст].

5. СКР.09. Система концептуальных рекомендаций по повышению энергоэффектив-

ности и экологичности зданий жилого, общественного и административного назначения

[Текст]. – Санкт-Петербург, 2009.

6. СКР.ЖЗ. Система концептуальных рекомендаций по повышению энергоэффектив-

ности и экологичности зданий жилого назначения квартальной застройки [Текст]. – Санкт-

Петербург, 2009.

7. Стивен Маст. Энергетические и экологические характеристики зданий: исследова-

ние REHVA* [Текст] // Энергосбережение, 2009. – №5.

8. Табунщиков, Ю.А., Гранев, В.В., Наумов, А.Л. Рейтинговая система оценки каче-

ства зданий [Текст] / Ю.А. Табунщиков, В.В. Гранев, А.Л. Наумов // АВОК. – 2010 – №6.

9. Табунщиков, Ю.А. «Зеленые здания» – нужны ли архитектору и инженеру новые

знания [Текст] / Ю.А. Табунщиков // AВОК. – 2009. – №7.

10. Цай Нонна. LEED: петербургская версия // Строительство и городское хозяйство. –

2010. – №119.

11. Stephania Kambouris. «Зеленое» строительство: рейтинговые системы оценки //

AВОК. – 2010. – №7.

12. Klaus Ruckert, prof. dr.-eng., Berlin university of technology. Sustainable, energy effi-

cient residential buildings in regard to European requirements and innovation technologies in the

Baltic Sea Region. Доклад на международной конференции Longlife 2010.

13. Приказ Минэнерго РФ от 19 апреля 2010 г. № 182 «Об утверждении требований к

энергетическому паспорту, составленному по результатам обязательного энергетического

обследования, и энергетическому паспорту, составленному на основании проектной доку-

ментации, и правил направления копии энергетического паспорта, составленного по резуль-

татам обязательного энергетического обследования».

14. ПРИКАЗ Минрегионразвития РФ от 28 мая 2010 года № 262 «О требованиях

энергетической эффективности зданий, строений, сооружений».

15. Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Тех-

нический регламент о безопасности зданий и сооружений».

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

297

УДК 624.131

БОГОМОЛОВ А.Н., ШИЯН С.И., СОЛОВЬЕВ А.В.

(ВолгГАСУ, г. Волгоград)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

МНОГОЯРУСНЫХ ГРУНТОВЫХ ОТВ АЛОВ

В предлагаемой работе представлены результаты теоретических исследований, вы-

полненных на основе анализа напряженного состояния грунтовых массивов и посвященных

нахождению рациональных параметров грунтовых отвалов, образующихся в процессе от-

крытой разработки полезных ископаемых или возведения грунтовых сооружений. При этом

авторы руководствовались тем, что при отсыпке отвалов и возведении грунтовых сооруже-

ний следует максимально минимизировать площадь занимаемой при этом земной поверхно-

сти и одновременно обеспечить их многолетнюю надежную и безопасную эксплуатации.

Анализ напряженного состояния проводится с использованием методов теории функций

комплексного переменного для случая однородных грунтов и конечных элементов – для не-

однородных. Построение наиболее вероятной линии скольжения проводится, исходя из ус-

ловия минимальности величины коэффициента запаса устойчивости в каждой ее точке. В ре-

зультате для восемнадцати расчетных схем получены простые формулы и графики, позво-

ляющие определять рациональные параметры отвалов, отсыпаемых по веерной и ярусной

схемам отвалообразования.

Анализ напряженного состояния, построение линии скольжения и вычисление

величины коэффициента запаса устойчивости.

При определении напряжений в однородной и изотропной полуплоскости методами

теории функций комплексного переменного используется отображающая функция [1], со-

вершающая конформное отображение нижней полуплоскости ImZ<0 на полуплоскость с

криволинейной границей, имитирующей контуры откосов, склонов, отвалов, выемок и насы-

пей различной конфигурации с различными геометрическими параметрами:

( )

∑

−+

−+==

bia

CCz

ζζω

, (1)

где z = х+iy;

; С

; С; С

2k+1

– любые, в том числе и комплексные, коэффициенты, а и b –

действительные числа, b > 0.

Используя функцию (1), методами теории функций комплексного переменного [2] по-

лучено аналитическое решение первой основной задачи теории упругости для весомой полу-

плоскости с криволинейной границей [2].

Функции, входящие в известные соотношения [2] и определяющие численные значе-

ния напряжений в точках исследуемой области, получены в виде [1]

( )

































∑

−+

−−Φ

′

−

∑

−+

−−Φ

∑













∑

−+

=Φ

−

sms

bia

biaA

bia

biaA

bia

ζζ

; (2)

( )

0 !2





































































∑

−

−−

−+

∑

−

−−

−

∑

−

−Φ′

∑

−++Φ

∑

−+

=Ψ

bia

sms

bia

sms

k k

kС

bia

СС

bia

СJ

bia

ζζ

(3)

Если исследуемая область неоднородна или границу грунтового массива невозможно опи-

сать при помощи конформного отображения, то для анализа напряженного состояния можно

использовать методы конечных или граничных элементов.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

298

_________________________________________________________________________________________________________________

Отметим, что все расчеты проведены при помощи компьютерных программ, разрабо-

танных авторами [3, 4].

Таким образом, поля напряжений

для условий рассматриваемой задачи мо-

гут быть легко нами определены, что дает возможность считать их известными.

Величина коэффициента запаса устойчивости в любой точке грунтового массива оп-

ределяется [5] выражением:

( ) ( )

( )

ατασσ

ϕσατσσασσ

2cos2sin

2sin

2cos

xzzx

свxzzxxz

+−













++++−

, (5)

где

(

)

св

−

ϕγσ

tghС

– приведенное давление связности; С;

;

и h – соответственно удель-

ное сцепление, угол внутреннего трения, объемный вес грунта и высота грунтового соору-

жения. Отметим, что выражения, аналогичные (5), приведены в работах [1, 7].

Угол наклона площадки сдвига, при котором значение K принимает минимальное

значение, определяется из условий (6) по формуле (7) [5]:











∂

; (6)

( )

2;1

2sin

−

−±−=

σσ

, (7)

где

(

)

(

)

св

4;2

σστσσσ

−+=++=

Глобальный коэффициент устойчивости откоса по наиболее вероятной линии сколь-

жения определяется по формуле:

∫

dsSF

cд

уд

)(

, (8)

где F

уд

и F

сд

– удерживающие и сдвигающие силы в точках НВЛР, определяемые, соответст-

венно, числителем и знаменателем формулы (5); S – дуговая координата точки НВЛР.

Используемая методика построения наиболее опасной (наиболее вероятной или экс-

тремальной) линий скольжения позволяет сразу, без проведения дополнительных расчетов и

построений, отыскать такую из них, которая отвечает условию K=K

min

Физико-механические свойства отвалообразующих пород, расчетные параметры

отвалов.

Практически невозможно рассмотреть все имеющееся многообразие физико-

механических свойств грунтов и горных пород, геометрии отвалов и способов их отсыпки,

поэтому в качестве отвальных и предотвальных пород приняты наиболее часто встречаю-

щиеся в практике: песчаники, аргеллиты, алевролиты, супеси и суглинки, расчетные харак-

теристики которых приведены в таблице 1.

Отвалы отсыпаются по веерной и ярусной схемам отвалообразования. При расчетах

их генеральному углу β и высоте h присваиваются по три значения: 15, 25, 35° и 20, 50, 70м.

Вертикальное сечение предотвала представляет собой равнобедренный треугольник с углом

при основании β

= 35° (это усредненное значение угла естественного откоса отвалообра-

зующих пород) и высотой h = 16м, которая установлена специальным расчетом при условии,

что величина коэффициента запаса устойчивости предотвала К

=1,3.

Таким образом, для оценки устойчивости отвала необходимо знать его напряженное

состояние, положение и форму наиболее опасной линии скольжения и параметр

св

(см.

формулу 5).

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

299

Таблица 1 – Физико-механические свойства отвалообразующих грунтов

Породы

Плотность

кг

Удельное

цепление

МПа

Угол

внутрен

него

трения

град

Коэффициент

бокового

давле

ния

, ξ

Модуль

общей

деформации

МПа

Предотвальные

Песчано

галечные

Аргеллиты

песча

ники

алевролиты

2000

107

−

106,2

−

0,43

0,33

–

100

Отвальные

Суглинки

супеси

Переотложенные

Усредненные

рыхлые

Рыхлые

2000

1900

108

−

105,7

−

105,3

−

105,2

−

0,54

–

0,43

–

Расчет устойчивости отвалов

Расчет устойчивости грунтовых отвалов проведен в следующей последовательности.

На первом этапе для 18 расчетных схем (два способа отвалообразования, при трех значениях

генерального угла отвала β и приведенного давления связности

св

=0,33, 0,13 и 0,095, опре-

деляемого тремя значениями h) построены наиболее опасные линии скольжения и определе-

ны коэффициенты запаса устойчивости аналогично тому, как это уже было сделано нами ра-

нее [6]. При помощи величины

св

учтено отличие значений физико-механических свойств

отвальных и предотвальных пород, которое в пересчете

св

не превышает 5%.

На рисунке 1 в качестве примера изображена расчетная схема отвала при β=25°,

св

=0,13, h=20м и веерном способе отвалообразования. Здесь же показаны наиболее опасная

линия скольжения, эпюры удерживающих и сдвигающих сил, действующих вдоль нее, и

контур грунтового массива, определяемый отображающей функцией (1).

Коэффициент запаса устойчивости откоса однородного отвала определяется как от-

ношение площадей соответствующих эпюр. Выражение для его вычисления имеет вид:

.)2()2(

ϕσαϕσα

tgbtgbK

свсв

+++=

(9)

Здесь

;

свсв

σσ

– приведенные давления связности для предотвальных и отвальных

грунтов;

= S

/5, b

= S

/S, a

= S

/5, b

= S

/S (S = S

+ S

); S

, S

– площади, заключенные

между безразмерными эпюрами сдвигающих сил, действующих вдоль участка линии АВ

(расположенной в предотвале) и ВС, этой линией и вертикалями, проведенными через точки

А, В, С; S

, S

– аналогичные площади, определяемые эпюрами безразмерных деленных на

1,2

удерживающих сил при

свсв

σσ

; S

, S

– аналогичные площади, определяемые

эпюрами единичных сил.

На втором этапе методом конечных элементов изучалось влияние на устойчивость от-

валов следующих факторов: отличие модулей деформации Е

и бокового давления ξ

отваль-

ных и предотвальных грунтов; количество предотвалов; угла наклона основания отвала и спо-

соб отсыпки последнего.

Расчетная схема МКЭ, основная часть которой приведена на рисунке 2, имеет размеры

9,4h

4h, состоит из 28000 треугольных элементов, сопряженных в 562 узлах. На этом же ри-

сунке показаны контуры отвалов при различных способах их отсыпки (пунктир соответствует

ярусному способу отвалообразования), наиболее вероятная поверхность разрушения и предот-

валы. Отметим, что граничные условия, накладываемые на расчетную конечно-элементную

схему, отрабатывались путем сравнения напряжений в точках расчетной схемы, полученных

МКЭ [3], с напряжениями, найденными в соответствующих точках на основе решения первой

основной граничной задачи теории упругости [1].