Степаненко_диссертация
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» На правах рукописи СТЕПАНЕНКО Сергей Владимирович ПРОГНОЗ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ» Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., профессор А.Г. Протосеня Санкт-Петербург – 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 5 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ............................... 9 1.1 Общие сведения о строительстве ограждающих конструкций способом«стена в грунте» .......................................................................................... 9 1.1.1 Современные способы ограждения глубоких котлованов .................... 9 1.1.2 Технология строительства стены в грунте ............................................ 12 1.1.3 Буронабивные сваи .................................................................................. 13 1.1.4 Буросекущиеся сваи ................................................................................. 16 1.1.5 Траншейный метод .................................................................................. 18 1.2 Анализ методов прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений и задачи исследований ........................................................................ 22 1.2.1 Полуэмпирические методы прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений ....................................................................... 22 1.2.2 Численные методы расчета осадок земной поверхности .................... 32 Выводы по главе 1............................................................................................. 34 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ ................................................................ 35 2.1 Основные тенденции деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений ............................................................................... 35 2.1.1 Анализ деформаций грунтового массива, вызванных строительством «стены в грунте»................................................................................................ 36 2.1.2 Анализ деформаций полузаглубленного грунтового сооружения, вызванных массива в строительством окрестности глубокого котлована............................................................................................................ 38 3 2.1.3 Анализ деформаций грунтового массива на уровне дна полузаглубленного сооружения, вызванных строительством котлована ... 46 2.2 Анализ результатов натурных наблюдений за деформированием грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений ....................................... 47 2.3 Результаты геотехнического мониторинга при строительстве подземного паркинга способом «стена в грунте» ..................................................................... 56 2.3.1 Общие сведения об объекте строительства и реконструкции ............. 56 2.3.2 Инженерно-геологические условия ....................................................... 57 2.3.3 Методика проведения мониторинга ....................................................... 59 2.3.4 Результаты наблюдений за ограждающей конструкцией .................... 62 2.4 Мониторинг за стенами котлована при строительстве главной насосной станции г. Санкт-Петербурга способом «стена в грунте» .................................... 73 2.4.1 Результаты мониторинга ......................................................................... 76 Выводы по главе 2 ......................................................................................................... 82 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КОТЛОВАНА ПОД ЗАЩИТОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ........................................................................................................... 83 3.1 Методика проведения теоретических исследований ...................................... 83 3.2 Напряженно-деформированное состояние конструкций полузаглубленного сооружения................................................................................................................. 85 3.2.1 Постановка задачи и исходные данные ................................................. 85 3.2.2 Результаты численного моделирования ................................................ 87 Выводы по главе 3........................................................................................... 101 4 СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ...................... 102 4 4.1. Методика расчета нагрузок на обделку полузаглубленного подземного сооружения насосной станции ............................................................................... 105 4.1.1 Исходные данные ................................................................................... 105 4.1.2 Постановка задачи.................................................................................. 106 4.1.3 Результаты численного моделирования. ............................................. 112 4.1.4 Оценка прочности и устойчивости расстрела ..................................... 124 4.2. Определение рациональной области и направлений применения технологии «стена в грунте» ...................................................................................................... 124 Выводы по главе 4........................................................................................... 128 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 129 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 131 5 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. Строительство полузаглубленных подземных сооружений в рыхлых, слабосвязных или трещиноватых водонасыщенных грунтах невозможно без применения специальных способов строительства. Постоянные несущие конструкции сооружений, возведенные способом «стена в грунте», обладают значительной жесткостью и вступают в работу до момента разработки грунта в котловане, что позволяет их эффективно использовать в условиях плотной городской застройки. Оптимальные параметры ограждающей конструкции (несущих стен) и поддерживающих элементов (расстрелов, анкерного крепления и др.) ограничивают деформации грунтового массива в допустимых пределах. Деформации грунтового массива и параметры несущих конструкций (стены, расстрелы, анкеры) зависят от инженерно-геологических условий строительства, принятой последовательности разработки грунта в котловане и возведения конструкции сооружения, наличия зданий на поверхности и подземных объектов. При недостаточно обоснованном использовании способа «стена в грунте» в России и за рубежом, в отдельных случаях, имели место значительные деформации грунтового массива и земной поверхности, сопровождающиеся большими осадками и разрушениями фундаментов зданий и экономическими потерями. Разработкой технологий и методов прогноза деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных сооружений занимались отечественные и зарубежные исследователи Маковский Л.В., Меркин В.Е., Ильичев В.А., Колыбин И.В., Малинин А.Г., Мангушев Р.А., Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Парамонов В.Н., Пекк, Сугимото, Боулес и др. Повышение достоверности прогноза напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива и обоснование рациональных параметров конструктивных элементов способа «стена в грунте», учитывающих технологию строительства полузаглубленных сооружений в условиях плотной городской застройки остается актуальной научной и инженерной задачей. 6 Цель диссертационной работы: обеспечение минимальных осадков земной поверхности и сохранности зданий и сооружений при строительстве полузаглубленных сооружений способом «стена в грунте» в условиях плотной городской застройки. Идея работы: заключается в разработке геомеханических моделей и методов прогноза напряженно-деформированного состояния грунтового массива и использованием их при проектировании и строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте». Основные задачи исследования: • выбор методики геотехнического мониторинга при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте»; • проведение натурных исследований деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте»; • разработка геомеханической модели прогноза деформаций при строительстве полузаглубленных подземных сооружений; • проведение численных экспериментов с геомеханической моделью; • выбор параметров несущих конструкций сооружений. Методы исследований. Обоснование методики геотехнического мониторинга; натурные инструментальные исследования деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений; математическое моделирование геомеханических процессов в грунтовом массиве при ведении горностроительных работ; сравнительный анализ расчетных значений деформаций грунтового массива с данными натурных измерений. Научная новизна работы: • закономерности деформирования ограждающих конструкций при взаимодействии с грунтовым массивом, учитывающие параметры и силовые характеристики конструкций и этапы проведения горностроительных работ; • закономерности подъема дна котлована в зависимости от его размеров и глубины, деформационных характеристик и этапов выемки котлована. 7 Основные защищаемые положения: • деформирование грунтового массива при строительстве полузаглубленного подземного сооружения, в основном, зависит от инженерно-геологических условий строительства, геометрических параметров ограждающей конструкции, прочностных и деформационных характеристик грунтов и несущей стены, схемы их взаимодействия, типов и параметров поддерживающих элементов; • прогноз деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений следует производить по методике, учитывающей прочностные и деформационные характеристики грунтов и несущих стен, параметры сооружения и ограждающих конструкций; • расчет параметров несущих стен полузаглубленных подземных сооружений нужно выполнять на основе пространственной упруго-пластической модели, учитывающей совместную работу системы «конструкция - грунтовый массив» с учетом основных этапов технологии строительства. Практическая значимость работы: • разработан метод расчета вертикальных и горизонтальных смещений грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте»; • разработана методика расчета параметров несущих конструкций полузаглубленного сооружения с учетом его взаимодействия с грунтовым массивом и технологии строительства. Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных натурных измерений деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений; моделированием деформирования грунтового массива на основе плоских и пространственных конечно-элементных моделей при линейных и нелинейных средах; согласованностью расчетных величин смещений с данными натурных измерений. Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конферен- 8 ции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркутинский горный институт, Воркута, 2012 г.), на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2011-2014 годах в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный»; на заседаниях кафедры «Строительство горных предприятий и подземных сооружений» Горного университета и получили одобрение. Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований, участии в проведении натурных исследований деформаций грунтового массива, обработке и анализе результатов, создании конечно-элементных моделей, разработке методик расчета деформации грунтового массива, параметров несущих конструкций подземных сооружений и практических рекомендаций. Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, из них три работы в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России. Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 97 наименований, 78 рисунков и 10 таблиц. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе 1 выполнен анализ технологий строительства полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте», методов прогноза осадок земной поверхности и деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных сооружений. Сформулированы цель и задачи исследований. В главе 2 приведена методика геотехнического мониторинга и результаты экспериментальных натурных исследований деформирования грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений и их анализ. В главе 3 представлены конечно-элементные модели и результаты моделирования геомеханических процессов при строительстве полузаглубленных сооружений способом «стена в грунте». В главе 4 приведены результаты сопоставления расчетных значений вертикальных и горизонтальных смещений с данными натурных исследований и представлена методика расчета параметров несущих конструкций обделок полузаглубленных подземных сооружений. 9 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СПОСОБОМ«СТЕНА В ГРУНТЕ» Освоение подземного пространства мегаполисов является комплексной научно-технической проблемой, находящейся на стыке различных наук, и требующей для решения своих задач привлечение методов инженерной геологии и гидрогеологии [1-5], механики грунтов [6-13] и горных пород, геомеханики и механики подземных сооружений [14], строительной геотехнологии и геотехники [1925], современных технологий строительства подземных сооружений [26-28], а также специальных способов строительства [29]. Одним из эффективных способов освоения приповерхностного слоя подземного пространства является способ «стена в грунте». 1.1.1 Современные способы ограждения глубоких котлованов Технические решения по технологии строительства подземных сооружений открытым способом должны быть комплексными и включать технологии крепления котлована, разработки грунта в нем и устройства конструкций сооружения, инженерные мероприятия по защите котлована и подземного сооружения от подземных вод, инженерные мероприятия по обеспечению сохранности близрасположенной существующей застройки, а также обеспечивать выполнение экологических требований по охране окружающей среды [30-33]. Обоснование этих технических решений должно обеспечиваться проектными расчетами напряженно-деформированного состояния ограждающих конструкций и вмещающего массива грунтов вместе с примыкающими к котловану зданиями и сооружениями, гидрогеологического режима подземных вод и фильтрационного притока в котлован [34-38]. На выбор технологии возводимого открытым способом подземного сооружения решающее значение оказывают следующие факторы: 10 габариты подземного сооружения в плане и по глубине, месторасположение подземного сооружения (строительство на свободной территории или в условиях тесной существующей застройки); инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка строительства; необходимость соблюдения экологических требований по охране окружающей среды; экономические соображения; возможности строительной организации. При проектировании подземных сооружений в районах существующей застройки следует выполнять геотехнический прогноз влияния строительства на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и деформации существующих зданий и сооружений [39-42]. Выбранная технология возведения подземного сооружения должна обеспечивать не превышение допустимых дополнительных деформаций эксплуатируемых зданий, попадающих в зону влияния нового строительства, с учетом их технического состояния. Также технология должна учитывать наличие линий метрополитена и насыщенность подземного пространства существующими коммуникациями. При проектировании подземных сооружений, перекрывающих частично или полностью естественные фильтрационные потоки в грунтовом массиве, а также изменяющих условия и пути фильтрации подземных вод, следует выполнять прогноз изменений гидрогеологического режима площадки строительства. В процессе строительства и в начальный период эксплуатации подземных сооружений следует выполнять натурные наблюдения (мониторинг) на строительной площадке для оценки надежности системы «сооружение-основание», своевременного выявления дефектов конструкций, предотвращения аварийных ситуаций [43-46], а также для оценки правильности результатов прогноза, принятых методов расчета и проектных решений. Состав, объем и методы мониторинга 11 должны назначаться в зависимости от уровня ответственности подземных сооружений, их конструктивных особенностей, геологических и гидрогеологических условий площадки, способа возведения, плотности окружающей существующей застройки, требований эксплуатации и в соответствии с результатами геотехнического прогноза [47,48]. Конструкция и технология устройства ограждения при строительстве подземного сооружения открытым способом должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать устойчивость стен котлована в процессе и после полной разработки грунта; воспринимать нагрузку от сооружения, если ограждение входит в состав конструкции подземного сооружения; обеспечивать водонепроницаемость, если невозможно или экономически нецелесообразно водопонижение; должна быть предусмотрена многократная оборачиваемость элементов крепи, если ограждение является временным; крепление не должно загромождать котлован, мешать выемке и обратной засыпке грунта и монтажу основных конструкций; обеспечивать сокращение материалоемкости, трудоемкости и сроков строительства; обеспечивать сохранность эксплуатируемых наземных и подземных объектов, попадающих в зону влияния строящегося подземного сооружения; обеспечивать соблюдение экологических требований (соблюдение допустимых норм по шуму, вибрации, защите окружающей среды). Классификация современных методов крепления котлована строительстве полузаглубленных сооружений приведена ниже (рисунок 1.1). при 12 Крепление котлованов Ограждающие конструкции Укрепление грунта Инъекционное закрепление Стена в грунте Ограждение из свай Буронабивные (буросекущиеся) сваи Искусственное замораживание Шпунтовое ограждение Бурозавинчивающиеся сваи Нагельное укрепление Балочное ограждение Вдавливаемые сваи Буроинъекционные сваи Рисунок 1.1 – Классификация способов крепления глубоких котлованов 1.1.2 Технология строительства стены в грунте Способ «стена в грунте» является одним из наиболее прогрессивных и универсальных для устройства подземных сооружений, возводимых в открытых котлованах [49-53]. По назначению различают три типа стен: несущие, ограждающие и противофильтрационные; по материалам - монолитные, сборные и сборно-монолитные. Способ «стена в грунте» позволяет осуществлять строительство: в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений; при значительной глубине сооружения (до 50 м); при больших размерах в плане и сложной форме сооружения; при высоком уровне подземных вод. По грунтовым условиям «стена в грунте» может применяться в любых дисперсных грунтах за исключением: текучих глинистых грунтов, илов и плывунов; при наличии подземных вод с большими скоростями фильтрации. 13 1.1.3 Буронабивные сваи Ограждение из буронабивных свай относится к малодеформирующимся видам крепления и его целесообразно применять в случае больших нагрузок на бровке котлована, а также на сами сваи при использовании их в качестве несущего элемента строящегося сооружения. В качестве ограждения котлованов из буронабивных свай применяют три группы свайных стен: с прерывистым расположением свай, с касательным их сопряжением и секущиеся сваи (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Типы ограждений котлована из буронабивных свай: а и б - сваи, установленные с определенным шагом и затяжкой; в - бурокасающиеся сваи Стены с прерывистым расположением свай устраиваются в сухих связных грунтах, способных держать вертикальный откос 1-2 м. Промежуток между сваями для предотвращения местных вывалов защищается затяжками из досок, тонких железобетонных плит, гофрированных стальных листов или бетонной затяжкой. Расстояние между осями а свай должно находиться в пределах D + 50 мм < а 3D, где D - диаметр скважины. Стены с касательным сопряжением свай используются в несвязных грунтах, чтобы избежать осыпания грунта между сваями при раскрытии котлована, а следовательно и осадок поверхности. К преимуществам ограждений из буронабивных свай следует отнести: 14 возможность использования в качестве основания прочных грунтов, залегающих на большой глубине; возможность устройства свай разной длины, опирающихся на необходимой отметке при резко пересеченном рельефе кровли прочных грунтов, принятых за основание свай; возможность устройства ограждений стен котлованов, когда уровень подземных вод залегает выше уровня дна котлована; возможность передачи на одну сваю большого диапазона нагрузок (100010000 кН); возможность устройства свай большого диаметра (по сравнению с забивными сваями), что значительно улучшает работу свай на горизонтальную нагрузку; повышение надежности сооружений за счет уменьшения общих и неравномерных осадок; исключение подвижки и деформации грунтового массива и расположенных поблизости зданий за счет повышенной жесткости свай; возможность устройства свай без армирования в нижней ее части, где отсутствует передача моментов и горизонтальных сил; отсутствие существенных вибраций и сотрясений в процессе производства работ; сокращение потребности в механизмах и транспорте. В зависимости от грунтовых условий применяют следующие способы бурения скважин для устройства буронабивных свай: грейферный способ - в песчаных, крупнообломочных, скальных и глинистых грунтах; способ бурения желонкой - в водонасыщенных пылеватых песках, текучих супесях и илах; вращательный (роторный) способ - в глинистых грунтах от мягкопластичной до твердой консистенции, песках средней крупности и крупных. 15 Для предотвращения обрушения стенок скважин при бурении применяют инвентарные обсадные трубы или избыточное давление воды или глинистого раствора. Применение обсадных труб является наиболее эффективной мерой обеспечения качества изготовления свай в неустойчивых обводненных грунтах. Устройство буронабивных свай предъявляет жесткие требования к технологическому процессу производства работ. Особенно это важно при устройстве буросекущихся свай. Изготовление таких свай требует обеспечения непрерывности процесса производства работ, т.к. устройство секущихся армированных свай должно быть произведено в относительно строго регламентированный период (1,5-2 суток), начиная с момента выполнения бетонных неармированных свай. Во избежание возможного излишнего отбора и разуплотнения грунта за счет его текучего состояния и выдавливания внутрь обсадных труб при проходке скважин, что может вызвать деформации оснований близко расположенных эксплуатируемых зданий, следует обеспечивать опережающую обсадку трубами забоя скважины (сохранение пробок), а при необходимости дополнительно осуществлять пригрузку забоя глинистым раствором или водой. Буронабивные сваи изготавливаются по одной технологической схеме: вначале бурят скважину, устанавливают арматуру, затем скважину заполняют бетонной смесью. Более совершенной и рациональной технологией является технология, когда через отверстия в полом шнеке скважина заполняется бетоном в процессе бурения, а каркас погружается в литой бетон при помощи виброзадавливания. При бурении скважин для устройства буронабивных свай под защитой глинистого раствора требуется бентонитовая глина. Бентонитовый раствор может быть заменен специальным полимерным раствором, изготовленным с использованием сертифицированных загустителей на основе полиакриламида с обязательным соблюдением условия обеспечения вязкости раствора в пределах 3580 сек/литр по вискозиметру Марша (меньшее значение для глинистых грунтов, большее для песков). 16 1.1.4 Буросекущиеся сваи В условиях, когда потери бентонитового раствора в грунтах возможны, а также при сложной форме конфигурации подземного сооружения в плане все более широкое применятся ограждение котлована из буросекущихся свай [54]. Стены из буросекущихся свай сооружают, когда дно котлована ниже уровня подземных вод. На первом этапе изготавливаются через одну сваи без армирования, на втором - между ними устраиваются сваи таким образом, чтобы бетон соседних свай частично подрезался. Сваи второго этапа армируются. Благодаря полученному сцеплению образуется сплошная прочная стена с повышенной водонепроницаемостью. Врезка в бетон соседних свай составляет 80-150 мм в зависимости от диаметра свай, который составляет от 600 до 1300 мм. Если уровень подземных вод расположен ниже дна котлована или предполагается строительное водопонижение, ограждающая конструкция может быть выполнена из отдельно стоящих или касательных буровых свай (рисунок 1.3,а). Рисунок 1.3 – Устройство ограждений из буровых свай: а - схемы расположения свай, 1 - 7 – последовательность сооружения свай; б - схема сооружения свай; в - общий вид ограждения из свай 17 Параметры ограждений определяются глубиной котлована, устойчивостью грунтов, уровнем грунтовых вод, а также ответственностью объекта. Для неглубоких котлованов в связных грунтах ограждение может быть выполнено из отдельно стоящих свай. Ограждение из касательных свай целесообразно использовать при разработке котлована в несвязных грунтах. Если прочность касательных свай недостаточна, а также когда котлован разрабатывается в обводнённых условиях, ограждение выполняют из взаимносекущихся свай. Для ответственных конструкций возможно возведение двухрядной стены или расположение взаимносекущихся свай в шахматном порядке. Наиболее распространенной технологией устройства тела свай является бурение грунта под защитой инвентарной обсадной трубы, бетонирование скважины с помощью поднимаемой бетонолитной трубы и погружение в бетонную смесь арматурного каркаса (рисунок 1.3,б). Для устройства ограждений котлованов, как правило, применяют секущиеся сваи диаметром 0,6-1,2 м. При отсутствии подземных вод применяют сваи меньших диаметров. Достаточно высокая прочность и жесткость свай позволяет разрабатывать под их защитой котлованы глубиной до 20-25 м (рисунок 1.3,в). К недостаткам таких ограждающих конструкций можно отнести худшую гидроизоляцию, чем у траншейных «стен в грунте», а также достаточно высокую стоимость. При некачественном выполнении свай возможны прорывы грунтовой массы в котлован через дефектные стыки. Сравнение экономических показателей методов ограждения котлованов показывает, что производительность работ по устройству стен из буросекущихся свай примерно в 5 раз ниже производительности по устройству траншейных стен в грунте. Однако, в тех случаях, когда «стена в грунте» по каким-либо причинам невыполнима, например, из-за опасности выпуска глинистого раствора, стена из буросекущихся свай остается наиболее надежным видом ограждения котлованов. 18 1.1.5 Траншейный метод Технология строительства состоит из пяти основных технологических этапов: разработка траншеи под защитой глинистого раствора; установка арматурного каркаса; заполнение траншеи монолитным или сборным железобетоном; разработка грунта в ядре сооружения с замоноличиванием стыков и устройством распорных конструкций; устройство днища внутренних конструкций. При наличии грунтов, содержащих твердые включения природного или техногенного происхождения (крупные валуны, обломки бетонных конструкций, каменной кладки и др.) при проходке траншеи необходимо использовать технику, оснащенную фрезерным оборудованием, например фирм «Касагранде», «Бауэр», TONEBoring. Использование грейферного оборудования, которым крупные включения извлекаются, может привести к деформированию стенки траншеи, падению уровня тиксотропного раствора и деформациям окружающего массива и близрасположенных зданий. При наличии трещиноватых скальных грунтов или прослоев из них и закарстованных пород, когда тиксотропный раствор может вытекать в грунт, необходимо применять опережающий тампонаж этих прослоев цементно-глинистыми растворами. При устройстве «стены в грунте» жесткие требования должны предъявляться к глинистому раствору, приготовление которого, как правило, должно осуществляться с использованием бентонитового глинопорошка. Плотность раствора должна составлять при приготовлении его с использованием бентонитового глинопорошка 1,03-1,10 г/см3, а из глин других видов - 1,10-1,25 г/см3. При разработке траншей в неустойчивых грунтах (водонасыщенные пески, глинистые грунты текучей консистенции) с напорными водами необходимо ис- 19 пользовать глинистые растворы повышенной плотности, для чего допускается применять барит, магнетит и другие утяжелители раствора, но не более 7% массы глины. Для снижения водоотдачи и потерь глинистого раствора в него можно добавлять жидкое стекло (силикат натрия) в пределах 2-6% массы глины. При устройстве монолитных стен в грунте методом вертикально перемещающейся трубы необходимо применять более совершенную технологию бетонирования с использованием вибрирования. Если бетон литых смесей, укладываемый без вибрирования, должен иметь осадку конуса 18-20 см, то при бетонировании полужесткими смесями с применением вибраторов осадка конуса должна быть не более 8 см, а подвижность бетонной смеси сохраняться на период транспортировки и укладки - не менее 40 мин. При закреплении глубинных вибраторов на нижней части бетонолитной трубы при применении жестких смесей с осадкой конуса 3-6 см значительно повышается однородность бетона, а его средняя прочность на 35-40% выше, чем при укладке литых смесей. При регулировании процесса подачи бетона путем включения и выключения вибратора достигается повышенная плотность, прочность и водонепроницаемость стены. Вместо литых бетонов с высоким содержанием цемента (до 500600 кг/м3) можно использовать малоподвижные смеси с осадкой конуса 3-4 см. Экономия цемента по сравнению с литыми смесями составляет 150-200 кг/м3. Метод применим и при температуре до -30 С. Для повышения индустриальности ведения работ и качества стен рекомендуется применять сборный или сборно-монолитный вариант. Сборная или сборномонолитная «стена в грунте» позволяет увеличить скорость возведения конструкции и снизить ее трудоемкость, а также снизить расход бетона. Применение для ограждения котлованов технологии «стена в грунте» в виде сборной или сборно-монолитной конструкции позволяет получить: гарантированную марку бетона стен по прочности и водонепроницаемости; гарантированную геометрию и чистую поверхность стен; 20 снижение расхода бетона на 15-20%; возможность установки в заводских условиях закладных деталей и сальников для подводки коммуникаций; исключение необходимости регулярной поставки расчетного количества товарного бетона в нормативные сроки; увеличение скорости возведения конструкции на 15-20%; снижение трудоемкости работ; возможность передачи нагрузки на стену сразу после ее возведения. Последовательность работ при устройстве монолитных конструкций по способу «стена в грунте» (рисунок 1.2, рисунок 1.3). Технологические приемы, применяемые для омоноличивания (тампонажа) стыков при устройстве «стен в грунте», должны обеспечивать достаточную прочность и водонепроницаемость стыков. Опыт строительства показывает, что более рационально увеличить ширину стыка (и расстояние между панелями) с обычных 20 мм до 200-300 мм и перейти на тампонаж его бетонным раствором с классом не ниже В25. Применение этой рекомендации полностью исключает фильтрацию подземных вод и позволяет отказаться от заварки стыков металлическими накладками. Эффективно технологическое решение стыков из монолитного и сборного железобетона вибронабивным способом. Оборудование для омоноличивания бетонной смесью стыков ограждающих конструкций под глинистым раствором включает: инвентарную трубу, вибратор (например, В-401), приемный бункер с площадкой для обслуживания вибратора и заполнения бункера бетонной смесью. Применение этой технологии обеспечивает высокое качество работ по прочности стыка (40-50 МПа) и водонепроницаемости (на контакте с бетоном испытаны на 2 атм.). Технология устройства «стены в грунте» отдельными захватками (опережающими и соединительными) предусматривает установку арматурных каркасов и бетонирование в опережающих захватках и последующую разработку соедини- 21 тельных захваток со срезкой бетона толщиной 0,15 м с торцевых кромок опережающих захваток с последующей установкой каркасов и бетонированием. Такая технология обеспечивает монолитность «стены в грунте» и отсутствие холодных и грязевых швов в стыках. Для надежного уплотнения проблемных стыков между, панелями траншейных стен, как показал опыт строительства, успешно может быть применена технология струйной цементации «jet-grouting» [55-63]. При этом цементационные работы могут выполняться как снаружи ограждающих котлован стен, так и изнутри котлована до его разработки. С этой целью в зависимости от прогнозируемой величины раскрытия стыков с глубиной могут быть применены неармируемые или армируемые металлическими трубами грунтоцементные колонны диаметром 60 или 80 см. Для разработки грунтового ядра внутри подземного сооружения, возводимого способом «стена в грунте», рекомендуется применять технологию, которая предусматривает разработку вначале центральной части грунтового массива внутри сооружения на глубину одного яруса с сохранением по периферии неразработанных участков. Такой прием облегчает работу ограждающей конструкции. Затем монтируются распорные конструкции и разрабатывается оставшаяся часть грунта. На следующей заходке цикл повторяется. Новым и прогрессивным является также способ разработки грунта в котловане через перекрытия в многоуровневых подземных сооружениях. В этом случае дополнительная крепь ограждающих стен не применяется. Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией является образование траншеи шириной 0,4-1,2 м на глубину до 50 м. Для разработки траншей используется различное траншеепроходческое оборудование: оборудование вращательного действия с погружным приводом породоразрушающего инструмента; оборудование вращательного действия с расположенным на поверхности приводом породоразрушающего инструмента; оборудование ударного и ударно-вращательного действия; 22 оборудование с породоразрушающим инструментом скребкового типа (экскаваторы-драглайны, скребковые траншеекопатели, экскаваторы с обратной лопатой, грейферные установки). 1.2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИЙ В ОКРЕСТНОСТИ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ Строительство полузаглубленных сооружений связано с такими понятиями как устойчивость и деформации. Полузаглубленные сооружения должны быть выполнены таким образом, чтобы быть устойчивыми на этапе строительства и последующей эксплуатации, а также ограничить величину деформаций в окружающем грунтовом массиве на допустимом уровне. Смещения грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения может вызвать повреждения зданий, дорожного покрытия, городской объектов инфраструктуры. Степень повреждения сооружений расположенных в зоне влияния полузаглубленного сооружения зависит от характера и величины деформаций в его окрестности [64-70]. Прогноз устойчивости полузаглубленного сооружения можно выполнить с достаточной степенью достоверности воспользовавшись методом предельного состояния, который широко распространен и хорошо зарекомендовал себя в инженерной практике анализа подобных объектов. Однако, деформации в окрестности полузаглублённого сооружения, намного сложнее предсказать, и обычно такие расчеты выполняются с применением метода конечных элементов или метода конечных разностей. 1.2.1 Полуэмпирические методы прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений Пекк [71] был одним из тех, кто предложил методику прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений, основанную на результатах натурных наблюдений. Метод подразделяют грунты на три категории, согласно их составу (рисунок 1.4). 23 Рисунок 1.4 – Метод Пекка для оценки величины осадки земной поверхности при строительстве полузаглубленных сооружений: I зона – пески и глинистые породы от слабых до весьма твердых; II зона –весьма слабые или слабые глинистые грунты, расположенные выше дна котлована; III зона – весьма слабые или слабые глинистые грунты, расположенные выше и ниже дна котлована. Все данные получены по результатам наблюдения, за глубокими котлованами закрепленными интервальными или сплошным шпунтовым ограждением и усиленные расстрелами или распорками I категория: пески и глинистые породы от слабых до весьма плотных. II категория: очень слабые глинистые породы: ограниченная мощность слабых глинистых грунтов ниже дна котлована; значительная мощность слабых глинистых грунтов ниже дна котлована, но . III категория: очень слабые глинистые породы - значительная мощность слабых глинистых грунтов ниже дна котлована, но Здесь – показатель устойчивости грунтового массива, определяется как , – объемный вес грунта; лована; . – глубина от поверхности земли до дна кот- – недренированная прочность грунта сдвигу. – критическое значе- ние показателя устойчивости подъему дна котлована. Метод Пекка основан на обобщении натурных данных, полученных при строительстве полузаглубленных сооружений с применением шпунтового ограждения или интервального шпунтового ограждения, поэтому его применения для 24 современных способов обеспечения устойчивости котлована (метод «стена в грунте», жесткость стены которого значительно выше) имеет ряд ограничений. Сугимото (1986) [72] предложил эмпирический метод прогноза осадки земной поверхности, основанный на обработке результатов натурных наблюдений за максимальной величиной осадки земной поверхности при строительстве полузаглубленных сооружений. Эмпирическая взаимосвязь между максимальной величиной осадки земной поверхности и предложенным коэффициентам была установлена для различных грунтовых условий на основании 84 результатов натурных наблюдений (рисунок 1.5). Песок Ма кси ма ль ная Песок и глина оса дка зем но й по Глина вер хн ост и, мм Коэффициент вскрыши ,м2 Рисунок 1.5 – Взаимосвязь между величиной максимальных смещений земной поверхности и коэффициентом вскрыши 25 Согласно предложенной классификации условия строительства подразделяются на три группы: 1 – строительство котлована в песках; 2 – строительство котлована в глинах; 3 – строительство котлована в смешанных грунтах. Сугимото ввел понятие коэффициента вскрыши , который можно опреде- лить по следующей зависимости (1.1) где – ширина котлована; на; – глубина защемления; – расстояние от поверхности земли до дна котлова– коэффициент защемления. ( где ) (1.2) – усредненный модуль деформации грунта ниже дна котлована до оконча- ния заделки подпорной стены; – модуль упругости материала подпорной стены; – момент инерции подпорной стены. Таким образом, получив значение коэффициента и воспользовавшись диаграммами (рисунок 1.5), можно оценить верхнюю границу максимальных вертикальных смещений земной поверхности. Несмотря на то, что данный метод может оказаться полезным при выполнении предварительного прогноза величины максимальной осадки земной поверхности, область его применения ограничивается котлованами глубиной до 15 м (данные натурных наблюдений были получены только для глубин не выше этой величины). Боулес [73] предложил метод для прогноза осадки земной поверхности, который сводится к: расчету горизонтальных смещений стены котлована, расчету площади эпюры горизонтальных смещений и определению зоны влияния строительства полузаглубленного сооружения ) где лована; если и – угол внутреннего трения. ( рисунок 1.6). ) (1.3) ) если ; – ширина кот- 26 Предположив, что максимальная величина осадки расположена на пересечении стены котлована с поверхностью земли, тогда (1.4) Рисунок 1.6 – Метод Боулеса для оценки величины осадки земной поверхности при строительстве полузаглубленных сооружений Предположив, что форма мульды оседания земной поверхности имеет параболический характер, осадка на расстоянии ( ) от края границы влияния котлована (1.5) Рассмотренный метод определения осадки земной поверхности по Боулесу предполагает, что величина горизонтальных смещений известна или определена на основании одного из численных методов анализа. Но, при выполнении численного моделирования предполагается комплексное рассмотрение напряженнодеформированного состояния грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения, то есть величины горизонтальных смещений стенки котлована и величины осадки земной поверхности. 27 Clough и O’Rourke [74] обобщили данные натурных наблюдений за величиной горизонтальных смещений подпорной стены и вертикальных смещений поверхности земли. Как видно из представленных результатов геотехнического мониторинга за деформациями в окрестности полузаглублённых сооружений (рисунок 1.7, рисунок 1.8), что величина максимальных горизонтальных смещений подпорной стены и максимальная величина осадки земной поверхности обычно не превышает от . Усредненное значение максимальных горизонтальных смещений стремиться к величине от . Усредненное значение величина максимальной Горизонтальные деформации, м осадки земной поверхности стремиться к величине от . 0,16 0,12 0,08 0,04 0 0 5 10 15 20 25 30 Глубина заложения котлована, м Глинистые грунты Песчаные грунты Рисунок 1.7 – Максимальные горизонтальные смещения подпорной стены при строительстве полузаглубленного сооружения в песках и плотных глинах (данные получены для различных типов подпорных стен – интервальное шпунтовое ограждение, сплошное шпунтовое ограждение, буронабивные и буросекущиеся сваи, стена в грунте, грунтоцементная стена) Cloughи O’Rourke предложили графический метод оценки осадки земной поверхности в зависимости от инженерно-геологических условий и глубины заложения (рисунок 1.9, рисунок 1.10). 28 Горизонтальные деформации, м 0,16 0,12 0,08 0,04 0 0 5 10 15 20 25 30 Глубина заложения котлована, м Глинистые грунты Песчаные грунты Рисунок 1.8 – Максимальная величина осадки земной поверхности при строительстве полузаглубленного сооружения в песках и плотных глинах (данные получены для различных типов подпорных стен – интервальное шпунтовое ограждение, сплошное шпунтовое ограждение, буронабивные и буросекущиеся сваи, стена в грунте) Clough предложил полуэмпирический метод, который позволяет оценить максимальную величину горизонтальных смещений стен котлована, сооружаемого в глинистых грунтах, в зависимости от коэффициента запаса по устойчивости и жесткости системы крепления ST. Жёсткость системы крепления задается следующим выражением (1.6) где – модуль упругости материала ограждающей конструкции; – момент инер- ции сечения ограждающей конструкции; становки поддерживающих элементов. – удельный вес воды; – шаг рас- 29 d/He 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,2 uv/uvmax 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Песчаные грунты Плотные глины Слабые глины Рисунок 1.9 – Метод Cloughи O’Rourke (1990)для оценки деформаций поверхности земли: – оседание земной поверхности в рассматриваемой точке; оседания земной поверхности; – максимальная величина – расстояние от края котлована до рассматриваемой точки; – глубина котлована Рисунок 1.10 – Условные обозначения Коэффициент запаса по устойчивости определяется согласно методике предложенной Терцаги (1943) (рисунок 1.11). 30 а) б) Рисунок 1.11 – Геометрические параметры глубокого котлована: а- Если (√ (√ ) ;б- (√ ) ) (рисунок 1.11,а), коэффициент запаса по устойчивости определяется по следующему выражению (1.7) где ; – соответственно длина площадки и прочность сдвигу грунта, распо- ложенного ниже дна котлована, полученная по недренированным неконсолидированным испытаниями; - прочность сдвигу грунта, расположенного выше дна котлована, полученная по недренированным неконсолидированным испытаниями; –объемный вес насыщенного водой грунта; – ширина котлована; - рас- стояние от дна котлована до основания. Если (√ ) (рисунок 1.11,б), коэффициент запаса по устойчивости определяется по следующему выражению (1.8) √ √ При строительстве полузаглубленных сооружений в слабых и средней плотности глинистых грунтах для оценки величины максимальных горизонтальных смещений можно воспользоваться следующей диаграммой (рисунок 1.12) по- 31 лученной на основании натурных наблюдений. Как видно, максимальные горизонтальные смещения взаимосвязаны с жесткостью подпорной системы и величиной коэффициента устойчивости. Шпунтовое ограждение = 3.5 м Стена в грунте толщиной 1 м, = 3.5 м Коэффициент запаса по устойчивости Жесткость системы ) ) Рисунок 1.12 – Корреляция между величиной максимальных горизонтальных смещений и жесткостью системы при заданном коэффициенте устойчивости Жесткость системы ) )включает в себя усреднённое расстояние между усиливающими элементами жесткость подпорной стены (расстрелы, распорки, анкера) и изгибную . Как видно, максимальная величина горизонталь- ных смещений зависит в 4 степени от шага расстановки усиливающих элементов. Анализ приведенных выше исследований показывает, что полуэмпирические методы анализа деформаций грунтового массива в окрестности подземного сооружений на настоящий момент не сильно развиты. Это связано с тем, что в своем большинстве, данные методы развивались на основании обобщения результатов натурных наблюдений за смещениями стен глубоких котлованов и оседанием земной поверхности. Недостатком такого подхода является, сложность обобщения данных полученных по результатам геотехнического мониторинга. В основном эти данные применимы для данной конкретной площадки, а незначитель- 32 ное изменение одного из параметров может оказать большое влияние на общее поведение системы «грунтовый массив – полузаглубленное сооружение». Таким образом, представленные выше методики прогноза оседания земной поверхности и горизонтальных смещений стен котлована можно использовать для предварительной оценки, а также для оценки корректности результатов полученных на основании более сложных, математически строгих расчетов. Более полную качественную и количественную картину деформирования грунтового массива при сооружении полузаглубленного сооружения можно получить на основании численных методов анализа [69, 75]. 1.2.2 Численные методы расчета осадок земной поверхности В работе [77] рассмотрено численное решение плоской задачи о напряженно-деформированном состоянии котлована, закрепленного ограждающей конструкцией в виде подпорной стенки с анкерной крепью. Для расчета использован программный комплекс PLAXIS. Численное решение задачи об устойчивости траншеи, закрепленной ребристой ограждающей конструкцией приведено в работе [78]. В результате анализа результатов расчета выявлено, что при некотором уровне грунтовых вод, который назван критическим, состояние полузаглубленного подземного сооружения будет неустойчивым. В работе Finno [79] рассматривалось сооружение сплошного шпунтового ограждения. Рассматривалась модель взаимодействия грунтового массива и шпунтового ограждения в плоско-деформационной постановке. В работе применялась анизотропная модель с вложенными поверхностями пластического течения. Результаты численного моделирования показали, что в слабых и средней прочности глинах необходимо учитывать последовательность возведения ограждающей конструкции, так как это оказывает влияние на формирование напряженного состояния в окрестности полузаглубленного сооружения. 33 Ng и др. [80] выполнил численное моделирование возведения стены в грунте траншейным способом в плотных глинах, на основании разработанной конечно-элементной модели в плоско-деформационной постановке. Поведение грунта рассматривалось как недренированное, влияние порового давления на эффективные напряжения не рассматривалось. По результатам численного моделирования было отмечено, чтобы смещения грунтового массива в окрестности траншеи вызвано разницей в начальной величине горизонтальных напряжений в грунтовом массиве, давлением, которое создает глинистый раствор и давлением от мокрого бетона. Смещение стены неравномерно по глубине, что связано с различной жесткостью грунта при разной величине напряжений действующих в конкретной области грунтового массива. Приведенный выше анализ состояния вопроса показывает, что сформулированная во введении задача прогноза деформации грунтового массива при строительстве полузаглубленных сооружений является актуальной и еще на получила своего решения. Основными задачами диссертационной работы являются: • разработка методики геотехнического мониторинга при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте»; • проведение инструментальных натурных исследований деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте»; • разработка геомеханической модели прогноза деформационных процессов при строительстве полузаглубленных подземных сооружений; • проведение численных экспериментов с помощью геомеханической модели; • выбор параметров несущих конструкций сооружений. 34 Выводы по главе 1 1. Важнейшими факторами, оказывающими влияние на деформации в окрестности полузаглубленных сооружений являются: тип грунта и его механическое поведение; способ строительства; последовательность ведения строительных работ; начальное напряженное состояние грунтового массива; гидрогеологические условия; конструкция ограждающей стены; количество и расстановка поддерживающих элементов; качество ведения строительных работ; температурный режим; размеры полузаглубленного сооружения. 2. Роль каждого из приведенных выше факторов и степень их влияния на поведение полузаглубленного сооружения достаточно сложно оценить заранее. Численные методы анализа следует применять для проведения многофакторного анализа, который позволит выявить влияние отдельных факторов на поведение полузаглубленного сооружения, а также определить факторы оказывающее первостепенное влияние. При выполнении геотехнического мониторинга, результаты натурных наблюдений должны являться базой, позволяющей внести корректировки в разработанные численные модели. 3. Роль численных методов при выполнении оценки устойчивости стен и днища полузаглубленных сооружений, а также при выполнении прогноза грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений возрастает. Численные методы позволяют не только решать конкретные практические задачи в области строительства полузаглубленных сооружений, но и получать новые знания о процессах которые происходят в системе «грунтовый массив – полузаглубленное сооружение» на различных стадиях его возведения. 4. Существующие технологии и опыт сооружения полузаглубленных сооружений позволил снизить влияние их строительства на деформацию окружающего грунтового массива. В основном это связано с применением весьма жестких ограждающих конструкций, выполненных по технологии стена в грунте и повышением качества работ на строительной площадке. 35 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ 2.1 ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТИ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ Полузаглубленные сооружения должны быть запроектированы таким образом, чтобы обеспечить его устойчивость, а также снизить деформации грунтового массива до допустимого уровня. Полузаглубленное сооружение считается устойчивым, если его стены остаются в устойчивом состоянии, а деформации грунта (подъем) на уровне его днища поддаются контролю. Деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения могут вызвать повреждения зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния. Тяжесть последствий зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены ниже. Устойчивость полузаглубленного сооружения и деформации грунтового массива в его окрестности взаимосвязаны. Чем выше коэффициент устойчивости, тем менее значительные деформации развиваются в грунтовом массиве. По мере снижения коэффициента запаса по устойчивости стен полузаглубленного сооружения, деформации в грунтовом массиве нарастают вплоть до неконтролируемой величины. Причинами деформаций грунтового массива при сооружении полузаглубленного сооружения являются два фактора. В первую очередь, разработка грунта в котловане, приводит к перераспределению напряжений в слоях грунта расположенных ниже участка его разработки, происходит снижение напряжений, сопровождающееся подъемом дна котлована. Во вторых, разработка грунта в котловане приводит к снижению до нулевого значения бокового отпора по всей поверхности стен полузаглубленного сооружения. Если прочность грунта недостаточна, чтобы обеспечить устойчивость стен, происходит неконтролируемое смещение массы грунта в сторону котлована (смещение призмы по поверхности сдвига). Огражда- 36 ющие конструкции (стена в грунте выполненная траншейным способом, стена из буросекущихся или буронабивных свай, шпунтовое ограждение в сплошном и интервальном исполнении, стена, выполненная по технологии струйной цементации и др.) и поддерживающие конструкции (анкерное крепление, расстрелы, распорки и др.) образуют единую несущую систему, задачей которой является создать такой боковой отпор грунту в окрестности полузаглубленного сооружения, который позволит снизить рост деформаций в грунтовом массиве и обеспечить его общую устойчивость. 2.1.1 Анализ деформаций грунтового массива, вызванных строительством «стены в грунте» Сооружение полузаглубленных сооружений методом стена в грунте (траншейный способ) можно разделить на несколько этапов с точки зрения формования деформаций в окрестности полузаглубленного сооружения. Первый этап заключается в сооружении направляющей траншеи. Второй этап включает в себя сооружении глубокой траншеи под защитой бентонитового раствора. Третий этап включает в себя нагнетание бетонного раствора в траншею. Сооружение направляющей траншеи, глубина которой обычно составляет 23 м, практически не оказывает влияние на общую картину деформаций в окрестности полузаглублённого сооружения и в работе рассматриваться не будет. Строительство основной траншеи выполняется под защитой бентонитового раствора, который позволяет минимизировать потери отпора на поверхности стенок траншеи, вызванные извлечением грунта из нее. В нормальных условиях, при строительстве траншеи под защитой бентонитового раствора произойдет перераспределение напряженного состояния в ее окрестности. Это связано с тем, что отпор, который может создать бентонитовый раствор, оказывается меньше, чем давление, которое передается от грунтового массива и подземных вод. Строительство траншеи приведет к снижению горизонтальных напряжений в грунтовом 37 массиве на определенном расстоянии от ее границы, что и приведет к деформированию грунтового массива. В процессе нагнетания бетонного раствора в траншею, величина бокового распора увеличиться, так как бетонный раствор обладает большей плотностью, чем бентонитовый раствор. Таким образом, горизонтальные смещения, полученные на этапе разработки основной траншеи, будут уменьшены, в то время как вертикальные смещения практически не изменяться и сохраняться на уровне соответствующем окончанию разработки грунта в траншеи. Обобщенные данные натурных наблюдений за величинами вертикального оседания земной поверхности, вызванного строительством основной траншеи представлены ниже (рисунок 2.1). Отношение расстояния от края котлована к его глубине 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Отношение вертикальных смещений к глубине котлована, % 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Одна панель Несколько панелей Вся стена Рисунок 2.1 – Мульды оседания земной поверхности, вызванные строительством основной траншеи: обобщение натурных данных [81] 38 2.1.2 Анализ деформаций грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения, вызванных строительством глубокого котлована Величина горизонтальных смещений стен котлована зависит от множества факторов, таких как ширина котлована, глубина котлована, жесткости ограждающей конструкции и применяемых поддерживающих элементов. Рассмотрим кратко влияние некоторых из них. Влияние коэффициента запаса по устойчивости стен и дна котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Чем меньше значение коэффициента запаса, тем ниже устойчивость полузаглубленного сооружения и тем выше деформации грунтового массива в его окрестности. В работе Cloughи Rourke [74] представлена диаграмма (рисунок 1.8, рисунок 1.9), на которой четко видна взаимосвязь между коэффициентом запаса по устойчивости и горизонтальными смещениями стены котлована. По мере приближения коэффициента запаса по устойчивости к 1.0, наблюдается постепенное нарастание скорости горизонтальных смещений стены котлована. При достижении коэффициентом запаса по устойчивости величины равной 1.0, наблюдается резкий рост деформаций в грунтовом массиве. Влияние ширины котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Cloughи Rourke показали, что чем шире котлован, то тем больше будет и деформация подпорной стены. Это связано с уменьшением отпора, который может оказать грунт, расположенный ниже уровня дна котлована. Влияние глубины котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Результаты исследований Ou [81] наглядно показывают (рисунок 2.2), что при прочих равных условиях, увеличение глубины заложения полузаглубленного сооружения негативно сказывается на величине горизонтальных деформаций в его окрестности. Деформации подпорной стены в слабых глинистых грунтах обычно выше, чем деформации в песчаных грунтах. 39 Приближенно, величина горизонтальных смещений подпорной стены может быть оценена по следующей зависимости ) . (2.1) Верхняя граница горизонтальных смещений соответствует мягким глини) стым грунтам , в то время как нижняя граница лучше описывает ) смещения подпорной стены в песчаных грунтах . Горизонтальные деформации, м 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 5 10 15 20 25 30 Глубина заложения котлована, м Глинистые грунты Песчаные грунты Рисунок 2.2 – Взаимосвязь между глубиной котлована и величиной горизонтальных смещений подпорной стены Влияние глубины защемления ограждающей конструкции на деформации грунтового массива к окрестности полузаглубленного сооружения. На основании проведенного численного моделирования было выявлено, что глубина защемления ограждающей конструкции, при достижении критического значения в значительной степени оказывает влияние на деформации стены. При этом если величина защемления ограждающей конструкции выше критического значения, глубина ее защемления не оказывает влияния на деформирование стены. Очевидно, что глубина критическая глубина защемления зависит от инженерно-геологических 40 условий и геометрических параметров котлована. Ниже представлены результаты численного моделирования строительства полузаглубленного сооружения, глубина заложения дна которого 20 м от поверхности земли (рисунок 2.3). Рассмотрены условия, когда отношение прочности породы сдвигу нагружении и и эффективных вертикальных напряжений при недренированном равны, = 0,36 = 0,28. Величина защемления принималась равной 20, 15, 10 и 4 м. Когда = 0,36, изменение величины защемления от 20 до 10 не приво- дит к значительному росту горизонтальных смещений. То есть стенка котлована находиться в устойчивом состоянии. При величине защемления 4 м, как видно из представленной зависимости, наблюдается резкий рост горизонтальных смещений. Если значение прочности сдвигу грунтового массива меньше, = 0,28, то в этом случае эффект быстрого нарастания горизонтальных смещений наблюдается уже при величине заделки 10 м. Горизонтальные смещения, см Горизонтальные смещения, см Гл Гл уб уб ин ин а, а, м м Рисунок 2.3 – Взаимосвязь между глубиной защемления ограждающей конструкции и горизонтальными смещениями стены полузаглубленного сооружения Влияние жесткости ограждающей конструкции на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Теоретически с повышением жесткости ограждающей конструкции, величина горизонтальных смеще- 41 ний уменьшается. Однако эта зависимость не линейна. Эффективность снижения величины горизонтальных смещений за счет повышения жесткости работает только до определенной глубины . С превышением данной глубины, увеличе- ние толщины подпорной стены не будет оказывать определяющего влияния на ее деформированное состояние. Влияние жесткости поддерживающих элементов на деформацию грунтового массив в окрестности полузаглубленного сооружения. Если рассматривать строительство полузаглубленного сооружения, то на первом этапе разработки грунта в котловане, ограждающая конструкция работает как консоль, так как на данном этапе установка поддерживающих конструкций еще не осуществлена (рисунок 2.4,а). Второй этап разработки грунта в котловане осуществляется после установки первого ряда поддерживающих элементов. Если жесткость поддерживающих элементов весьма высока, их сжатие (уменьшение длины) будет весьма мало, а ограждающая конструкция начнет вращаться вокруг точки контакта поддерживающего элемента и ограждающей конструкции, что в итоге и сформирует картину деформирования ограждающей конструкции. а) б) 3 в) 5 2 4 1 Рисунок 2.4 – Деформации в окрестности полузаглубленного сооружения усиленного расстрелами высокой жесткости: a, б, в – этапы строительства; 1 – ограждающая конструкция; 2 – эпюра деформации ограждающей конструкции; 3 – поддерживающая конструкция; 4 – дно котлована; 5 – поверхность земли 42 Максимальная величина смещений ограждающей конструкции реализуется на уровне поверхности дна котлована (рисунок 2.4,б). На третьем этапе разработки грунта в котловане наблюдается схожая картина, и вращение ограждающей конструкции относительно поддерживающих элементов продолжается (рисунок 2.4,в). Если ниже уровня дна котлована залегают слабые глинистые грунты, то их жесткости будет недостаточно, чтобы сопротивляться смещению стены и в таком случае максимальные горизонтальные смещения сместиться ниже уровня дна котлована. Если же ниже уровня дна котлована расположены плотные или твердые глины или плотные пески, то максимальные горизонтальные смещения сформируются выше уровня поверхности дна котлована. Если жесткость поддерживающих элементов не высокая, их сжатие (уменьшение длины) будет весьма значительным, то есть значительными будут и смещения на участке контакта поддерживающих элементов и ограждающей конструкции (рисунок 2.5). Окончательная картина деформирования ограждающей конструкции будет ближе к консольной схеме. 5 3 2 4 1 Рисунок 2.5 – Деформации в окрестности полузаглубленного сооружения усиленного расстрелами с низкой жесткостью: a, б, в – этапы строительства; 1 – ограждающая конструкция; 2 – эпюра деформации ограждающей конструкции; 3 – поддерживающая конструкция; 4 – дно котлована; 5 – поверхность земли 43 Наблюдения, проведенные Ou и др. [81], за деформацией земной поверхности при строительстве полузаглубленного сооружения методом «Top-Down», показали, что горизонтальные деформации в точке контакта междуэтажного перекрытия со ограждающей конструкцией весьма малы, а максимальные величины горизонтальных смещений наблюдаются на уровне дна котлована (рисунок 2.6). Расстояние от края стены котлована, м Глубина, м Оседание земной поверхности, см Горизонтальные смещения, см Этапы разработки грунта в котловане Рисунок 2.6 – Горизонтальные смещения и оседание поверхности земли при строительстве глубокого котлована по схеме «Top-Down»: а – горизонтальные смещения стены; б – оседание земной поверхности Шаг расстановки усиливающих элементов. Можно выделить два направления расстановки усиливающих элементов, горизонтальное и вертикальное. Уменьшение расстояние между усиливающими элементами в горизонтальном направлении позволит повысить жесткость системы образованной поддерживающими элементами. Изменение расстояния в вертикальном направлении позволит эффективно влиять на горизонтальные смещения ограждающей конструкции. Каждый ряд поддерживающих элементов можно рассматривать как своеобразную податливую опору, и чем меньше расстояние между опорами, тем выше жесткость всей поддерживающей системы (подпорная стена и усиливающие элементы) и тем выше 44 ее способность сопротивляться внешним нагрузкам и тем меньше величина горизонтальных смещений. Предварительное напряжение поддерживающих элементов. В качестве усиливающих элементов подпорной стены часто используются предварительно напряженные расстрелы или грунтовые анкера. При установке предварительно напряженных усиливающих элементов при небольшой глубине котлована, горизонтальные смещения могут быть направлены в сторону от котлована. При значительной глубине котлована, дополнительного распора который создает предварительное напряжение усиливающих элементов уже недостаточно для предотвращения горизонтальных смещений в сторону котлована, в то же время горизонтальные смещения значительно снижаются. Дополнительным положительным эффектом предварительного напряжения усиливающих элементов, является увеличение нормальной составляющей напряжений в грунтовом массиве, что сказывается положительно на устойчивости стены котлована. В то же время, для применения предварительно напряжения анкерной крепи, грунты в окрестности полузаглубленного сооружения должны быть весьма жесткими и прочными, поскольку еще до момента ввода подпорной стены в работу, часть несущей способности анкера по грунту уже реализована. Форма мульды оседания земной поверхности, вызванная строительством полузаглубленных сооружений, может быть как пологой, так и изогнутой (рисунок 2.7). Основными факторами, оказывающими влияние на форму мульды оседания земной поверхности, являются величина и характер смещений поддерживающей конструкции. Так, если на первом этапе разработки грунта в котловане подпорная стена испытывает значительные смещения по сравнению со смещениями на конечном этапе разработки грунта, то наиболее вероятно, что максимальная осадка земли сформируется на контуре котлована, а форма мульды оседания будет пологой. Если же максимальные деформации подпорной стены сконцентрированы на участке дна котлована, то в этом случае максимальная осадка земной поверхности наблюдается на некотором расстоянии от контура котлована, а форма мульды оседания изогнутая. 45 Данные натурных наблюдений показали [74], что при прочих равных условиях, при строительстве полузаглубленного сооружения в слабых глинистых грунтах деформации подпорной стены проявляются более ярко на уровне дна котлована, а форма мульды оседания принимает изогнутый вид. В песках и плотных глинах, деформации подпорной стены меньше, они более равномерно распределены по всей ее высоте, а форма мульды оседания ближе к пологой, чем к изогнутой. Рисунок 2.7 – Форма мульды оседания земной поверхности: 1 – ограждающая конструкция; 2 – пологая форма мульды оседания; 3 – изогнутая форма мульды оседания Зона влияния полузаглубленного сооружения. В работе Пекка [71] отмечается, что зона влияния полузаглубленного сооружения, в рамках которой реализуется оседание дневной поверхности, составляет 2-3 его глубины. Согласно Cloughи O’Rourke [74], зона влияния полузаглубленного сооружения расположенного в песках приближенно составляет 2 глубины котлована. В плотных и твердых глинах, зона влияния распространяется на расстояние 3 глубины котлована. В мягких глинах и средней плотности глинах, зона влияния составляет 2 глубины котлована. Однако, зона влияния полузаглубленного сооружения зависит не только от глубины его заложения, но и от ширины котлована, инженерно-геологических условий и др. 46 2.1.3 Анализ деформаций грунтового массива на уровне дна полузаглубленного сооружения, вызванных строительством котлована Причинами деформации грунта в основании полузаглубленного сооружения являются (рисунок 2.8): упругая разгрузка вследствие уменьшения вертикальных напряжений (разработка грунта в котловане); горизонтальное перемещение ограждающей конструкции в сторону полузаглубленного сооружения; пластические деформации грунта ниже уровня дна котлована. а) б) в) Рисунок 2.8 – Механизм деформирования грунтового массива в основании полузаглубленного сооружения: а – упругая разгрузка; б – горизонтальное перемещение ограждающей конструкции; в – пластические деформации грунта в основании Существует незначительное количество публикаций, в которых отражены натурные наблюдения за поднятием дна котлована. В работе Ou и др. [81] представлены результаты натурных наблюдений за подъемом дна котлована от глубины заложения полузаглублённого сооружения. Как видно из представленных результатов (рисунок 2.9), с увеличением глубины, величина подъем дна котлована также возрастает. Также необходимо отметить, что подъем дна котлована развивается во времени. 47 12 Поднятие дна котлована, см 10 (17) (15) 8 (2) (21) 6 (21) 4 (1) (8) 2 0 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Глубина заложения, м Рисунок 2.9 – Взаимосвязь между глубиной заложения полузаглубленного сооружения и величиной поднятия его дна, цифры обозначают, через какое количество дней после завершения разработки грунта в котловане выполнялись замеры смещений дна котлована 2.2 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ГРУНТОВОГО МАССИВА В ОКРЕСТНОСТИ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ Анализируя научно-исследовательские работы [71, 74, 81-85], посвященные расчету, строительству и натурным наблюдениям за полузаглубленными сооружениями, можно выделить следующие основополагающие аспекты: Грунтовый массив является ключевым фактором, оказывающим влияние на поведение полузаглубленных сооружений. В работе Пекка [71] представлены данные натурных наблюдений за оседанием земной поверхности в непосредственной близости от полузаглубленного сооружения и показано, что ее величина в значительной степени зависит от инженерно-геологических условий. Он подразделил все условия на три зоны в зависимости от инженерно-геологических условий (рисунок 1.4). В первую зону попали глубокие котлованы, сооружаемые в 48 песчаных грунтах и от слабых до твердых глинистых грунтов. Во вторую зону отнесены весьма слабые и слабые глинистые грунты, которые залегают выше уровня дна котлована. К третьей зоне отнесены слабые и весьма слабые глинистые грунты, расположенные выше и ниже дна котлована. Исследования Goldberg [86] показали, что при строительстве полузаглубленного сооружения в песках, гравии и весьма плотных глинах, величина горизонтальных смещений стены составляет 0,4% от глубины котлована. При строительстве котлована в слабых грунтах составляет около 1,0% от его глубины. В работе Clough и O’Rourke [74] представлены безразмерные нормализованные профили оседания земной поверхности в зависимости от инженерногеологических условий (рисунок 1.9). Эффективными способами повышения устойчивости стен глубокого котлована и снижения деформаций грунтового массива, является установка расстрелов, распорок или анкерного крепления. Предварительное напряжение поддерживающих элементов, также позволяет снизить деформации грунтового массива. Данный эффект происходит за счет повышения нормальных напряжений действующих в грунтовом массиве перпендикулярно поверхности сдвига, что повышает жесткость грунта в допредельной стадии его деформирования, а также увеличивает прочность грунта образованию поверхности сдвига. Деформирование грунта в окрестности полузаглубленного сооружения в значительной степени зависит от последовательности разработки грунта в котловане и возведения инженерных сооружений. Грунт является весьма нелинейным материалом, жесткость и прочность которого зависит от действующих напряжений. При различной последовательности строительства полузаглубленного сооружения пути нагружения грунта в каждой рассматриваемой элементарной области грунтового массива также будут различаться, что в итоге скажется на общей картине деформирования грунтового массива и устойчивости полузаглублённого сооружения. На устойчивость полузаглубленного сооружения может оказать влияние температурное воздействие. Особенное внимание необходимо обратить на рас- 49 стрелы, так как даже незначительное изменение температуры может вызвать значительные температурные деформации. В работе Bono [82] приведено описание влияние температуры на поведение стальных расстрелов при строительство глубокого котлована в Бостоне. Строительство котлована началось в марте и продолжалось вплоть до конца мая, что повлекло за собой значительное изменение температурного режима за рассматриваемый период. Напряжения в отдельных расстрелах в результате нагрева превысило расчетное значение. Продольное усилие в расстреле увеличилось на 890 кН за счет термического расширения. Принятые экстренные меры позволили снять проблемы на рассматриваемой строительной площадке. Ниже, представлены результаты геотехнического мониторинга за деформированием грунтового массива, вызванных строительством полузаглубленных сооружений (таблица 2.1) [86]. Таблица 2.1 – Результаты натурных наблюдений за деформациями грунтового массива в Cunningham, Fernandez (1972) Стена в грунте Грунтовые анкера Cole, Burland (1972) Стена в грунте Rakers Tait, Taylor (1974) Стена в грунте Armento (1973) Стена в грунте Cunningham, Fernandez (1972) Стена в грунте Предваритель но напряженные расстрелы Предваритель но напряженные расстрелы Расстрелы Горизонт. смещения , см Усиливающие элементы Верт. смещения , см Тип подпорной стены 7 - 10.2 18.4 3.8 6.3 Мягкие и плотные глины 13.8 - 2.3 Мягкие и плотные глины 21.4 4.3 2.5 9.8 13.9 8.9 Грунтовые условия Ссылка Глубина ,м окрестности полузаглубленного сооружения Мягкие и плотные глины Очень плотные глины Мягкие и плотные глины 50 Продолжение таблицы 2.1 Tan (1973) Стена в грунте Плиты жесткости Стена в грунте Расстрелы Стена в грунте Плиты жесткости Стена в грунте Предваритель но напряженные расстрелы Barla, Mascardi (1974) Буросекущие ся сваи Грунтовые анкера Schwarz (1972), Andra, Kunzt, Rojek (1973) Gorbert, Davies, Langford (1974) Буросекущие ся сваи Грунтовые анкера Стена в грунте распорки Hodgson (1974) Стена в грунте Грунтовые анкера Littlejohn, Macfarlane (1974) Стена в грунте Грунтовые анкера Saxena (1974) Стена в грунте Грунтовые анкера Предваритель но напряженные расстрелы Breth, Wanoscheck (1969) Huder (1969) Thom, Harlan (1973) Ware (1974) Стена в грунте Burland (1974) Littlejohn, Macfarlane (1974) Lambe, Wolfskill, Jaworski (1972) Burland (1974) Burland (1974) Стена в грунте - Стена в грунте Грунтовые анкера Стена в грунте Предваритель но напряженные расстрелы Стена в грунте Ребра жесткости Стена в грунте Расстрелы Мягкие и плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины 13.2 15.2 - 18.4 - 1 19.9 - 3.6 23.8 2.5 3 25.9 - 6.6 29.8 0.51 1.5 - - 0.51 7.9 - 0.3 5.5 - 2 - 16.8 - 6.9 Песок и гравий 18.9 - 3.2 7.9 - 1.3 14.4 2.3 2.3 15.2 2.5 3 15.9 1.5 2.5 15.9 1.3 1.5 Мягкие и плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины Очень плотные грунты Очень плотные грунты Мягкие и плотные глины Очень плотные глины Очень плотные глины 51 Продолжение таблицы 2.1 Burland (1974) DeBragio, Ros (1972) Стена в грунте Грунтовые анкера Стена в грунте Ребра жесткости Очень плотные глины Мягкие и плотные глины 7.9 2.8 5.6 18.9 4.1 2.75 Результаты наблюдений за деформациями грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений за период с 1989 по 1996 года сведены в табличном виде (таблица 2.2) [87]. Таблица 2.2–Результаты натурных наблюдений за деформацией грунтового массива в Тип подпорной стены Усиливающ ие элементы Bono N.A., Liu T.K., Soydemir C. (1992) Стена в грунте Расстрелы Borst A.J., Conley T.L., Russel D.P., Boirum R.N. (1990) Сваи с затяжкой Грунтовые анкера Borst A.J., Conley T.L., Russel D.P., Boirum R.N. (1990) Borst A.J., Conley T.L., Russel D.P., Boirum R.N. (1990) Сваи с затяжкой Расстрелы Сваи с затяжкой Расстрелы Bassigna H.E., Van Tol A.F. ChengS.,HansenL. (1994) Стена в грунте Расстрелы DayP. (1990) GarvinR.,BowardJ. (1992) Набрызгбетон и арматурная сетка Стена из буросекущихся свай Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Грунтовые нагели Грунтовые анкера Грунтовые анкера Грунтовые условия Рыхлые органическ ие илистые грунты Очень плотные до твердых глин Песок и гравий Очень плотные до твердых глин Песок и гравий Мягкие и плотные глины Мягкие и плотные глины Песок и гравий Верт. смещения , см Горизонт.сме щения , см Ссылка Глубина ,м окрестности полузаглубленных сооружений за период с 1989 по 1996 годы 18 4.7 4.4 20.4 0.2 1.3 18.9 1.0 1.3 16.15 0.5 0.5 20 2.2 - 15.84 - 2.8 16 2.2 1.8 8.2 - 1.4 52 Продолжение таблицы 2.2 GriffordD, WheelerJ. (1992) Gill S.A., Lukas R.G. (1990) HataS.,OhtaH., YoshidaS. (1985) His J., Small J.C. (1992) His J., Small J.C. (1992) IkutaY.,MaruokaE. (1994) Kirsten H., Dell A.G. (1992) Lee F.H., Yong K.W., Quan K., Chee K.T. (1998) Lings M.L., Nash D., Boyce M.D. (1991) O’Rourke T.D., O’Donnell C.J. (1997) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Набрызгбетон и арматурная сетка Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Грунтоцементн ая стена Сплошное шпунтовое ограждение Буронабивные и буросекущиеся сваи Буронабивные и буросекущиеся сваи Грунтовые анкера Песок и гравий 15.23 - 1 Расстрелы Мягкие и плотные глины 10.66 - 6.8 Грунтовые анкера Мягкие и плотные глины 27.5 - 0.9 Расстрелы Мягкие и плотные глины 20.8 3.2 - Расстрелы Мягкие и плотные глины 13 7.0 12 Междуэтажн ые перекрытия Мягкие и плотные глины 18 - 2.0 Грунтовые нагели Песок и гравий 11.9 - 7.0 Расстрелы Мягкие и плотные глины 17.3 7.0 5.3 10 - 1.4 15.25 - 18 7.65 7.8 - Очень Междуэтажн плотные до ые твердых перекрытия глины Мягкие и Грунтовые плотные анкера глины Мягкие и Расстрелы плотные глины - Мягкие и плотные глины 12.8 7.2 - Расстрелы Мягкие и плотные глины 9.6 - 2.4 53 Продолжение таблицы 2.2 Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Ou C.Y., Hsieh P.G., Chiou D.C. (1993) Schoenwolf D.A., Whitman R.V., Abbott E.L., Becker J.M. (1992) SteinerW.,WerderF. (1991) TamanoT.,FukuiS., KadotaS., UeshitaK. (1994) Thompson S.R., Miller I.R. (1990) WinterE.,Nordmark S.T., TallardG. (1992) Wong I.H., Poh T.Y., Chuah H.L. (1996) Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Буронабивные сваи Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Набрызгбетон и арматурная сетка Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена из буросекущихся свай Расстрелы Мягкие и плотные глины 16.2 - 8.0 Расстрелы Мягкие и плотные глины 10.7 - 7.1 Междуэтажн ые перекрытия Мягкие и плотные глины 13.9 - 6.8 Грунтовые анкера Мягкие и плотные глины 15.7 - 6.2 Междуэтажн ые перекрытия Мягкие и плотные глины 20 - 13.7 Расстрелы Мягкие и плотные глины 18.45 - 6.3 Расстрелы Мягкие и плотные глины 21 - 6.7 Междуэтажн ые перекрытия Мягкие и плотные глины 24.4 1.3 5.1 Грунтовые анкера Песок и гравий 17.3 - 1.0 Расстрелы Мягки и плотные глины 20.8 5.2 - Грунтовые нагели Песок и гравий 16.8 - 1.5 Грунтовые анкера Мягкие и плотные глины 10 - 1.0 16.8 - 7.5 Грунтовые анкера Мягкие и плотные глины 54 Продолжение таблицы 2.2 Wong I.H., Poh T.Y., Chuah H.L. (1996) Woo S.M. (1991) Woo S.M. (1991) Woo S.M. (1991) Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Стена в грунте, выполненная по траншейной технологии Расстрелы Мягкие и плотные глины 9.9 - 2.7 Расстрелы Мягкие и плотные глины 11.2 - 1.5 Расстрелы Мягкие и плотные глины 13.7 - 3.8 Расстрелы Мягкие и плотные глины 15.5 - 2 Анализ данных геотехнического мониторинга приведенных выше несколько затруднен, а сами данные стоит рассматривать только с точки зрения их качественной оценки. В первую очередь это связано с грунтовыми условиями. В таблице каждая строительная площадка характеризовалась только одним преимущественным типом грунта, в то время как грунтовые условия могут быть значительно более сложными. Другие факторы, такие как уровень подземных вод, дополнительная нагрузка от транспорта и рядом расположенных зданий и сооружений, технологии строительства и др. не учитывались, в то время, как они также могут оказать значительное влияние на напряженно-деформированное состояние грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Значения вертикальных и горизонтальных смещений, приведенные в таблице, могут не соответствовать максимальным смещениями подпорной стены, а соответствуют лишь максимальным замеренным смещениям. Несмотря на выше приведенные трудности, некоторый обобщённый анализ приведенных данных можно сделать. Анализируя приведенные данные можно видеть, что траншейная технология сооружения способом «стена в грунте» набирает популярность. Если за период с 1962 по 1972 технология «стена в грунте» применялась в 33% из рассмотренных участков строительства, то за период с 1985 по 1997 г. данная технология использовалась в 55% рассмотренных случаев и к настоящему времени она стала 55 еще более популярной. Это связано как с развитием оборудования применяемого для сооружения «стены в грунте», так и с повышением сложности выполняемых проектов строительства полузаглубленных сооружений. Рассматривая результаты наблюдений (таблица 2.1, таблица 2.2), можно отметить, что в реальных выполненных проектах, вертикальные и горизонтальные смещения имеют тенденцию к уменьшению своей величины с увеличением глубины заложения полузаглубленного сооружения. Хотя такой результат не выглядит логичным, у него есть очень простое объяснение. Ответственность и степень неопределенности при строительстве сооружений большей глубины выше по сравнения с полузаглубленными сооружениями малой глубины. С увеличением глубины заложения глубокого котлована, проектные решения становятся более консервативными, а точность и качество при производстве строительных работ выше. Таким образом, консерватизм на этапе проектирования и строительства уравновешивает тенденцию к увеличению деформаций в окрестности подземного сооружения с глубиной. Величины деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений с этапа начала их строительства по настоящее время постепенно снижаются. Это связано как с лучшим пониманием работы грунтов и конструкций полузаглубленных сооружений, применения более строгих методов анализа напряженно- деформированного состояния в окрестности таких сооружений, применения современных методов строительства, а также более строгими требованиями, предъявляемыми к таким объектам надзорными органами и нормативными документами. В своей работе Мурманс [88] выполнил анализ 530 наблюдений за деформациями грунтового массива в окрестности подземного сооружения расположенного в слабых грунтах ( < 75 кПа). Анализ данных натурных наблюдений показал, что горизонтальные смещения стены, в зависимости от площадки строительства, изменяются в диапазоне от 0,5% тальных смещений составило 0,87% до 1,0% . Среднее значение горизон- . Точки максимальных горизонтальных смещений располагается на участке от 0,5 до 1,0 от поверхности земли. 56 Максимальная величина вертикальной осадки земной поверхности изменяется от 0,1% до 10% . Среднее значение максимальной величины вертикальной осад- ки составляет 1,1% . Максимальное значение вертикального оседания земной поверхности наблюдается на расстоянии до 0,5% , однако отмечены случаи, ко- гда значение максимальной вертикальной осадки земной поверхности удалено на расстояние до 2% . Отношение в основном изменяется в диапа- зоне 0,5–1,0. Инженерно-геологические условия строительства и глубина заложения дна котлована являются определяющими факторами, оказывающими влияние на формирование деформаций в окрестности полузаглубленного сооружения. 2.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНОГО ПАРКИНГА СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ» 2.3.1 Общие сведения об объекте строительства и реконструкции Объектом реконструкции и строительства является здание учебного корпуса Высшей школы экономики, находящееся по адресу г. Санкт-Петербург, 10-я линия Васильевского острова д.3/30. При реконструкции планируется размещение под зданием подземного паркинга, сооружаемого способом «стена в грунте». Размеры подземного паркинга в плане составляют 33,351 м. Глубина плиты пола паркинга составляет 6,8 м. Поскольку вмещающие грунты склонны к проявлению свойств плывучести при строительстве паркинга используется ограждающая железобетонная стена толщиной 0,8 м и глубиной 28 м. Стены прямоугольной ограждающей стены возводятся способом «стена в грунте» траншейным методом. В 30 метровую зону возможного негативного воздействия при реконструкции здания попадают следующие объекты: № здания 1-9 10-12 13 Реконструируемые и строящиеся здания института Здание типографии Академии наук, 10-я линия В. О., 12/28 Здание Северо-Западного Таможенного Управления, 9-я линия В. О., 10., 57 14 15 16 17 18 19 20-21 22-28 корп.2. Дом детского творчества, 9-я линия В. О., 8 Василеостровская женская гимназия - Школа N 700 Василеостровского района, 9-я линия В. О., 6 Жилой дом с административными помещениями, Кадетский пер., 1 Нежилое одноэтажное строение, Кадетский пер., 3 Дом Воронина М. С. - Археологический институт - Филологический факультет СПбГУ, наб. Лейтенанта Шмидта, 11/2 Дом общества «Русское Восточно-Азиатское Пароходство», наб. Лейтенанта Шмидта, 13 Школа №27, наб. Лейтенанта Шмидта, 15 Морской корпус Петра Великого, наб. Лейтенанта Шмидта, 17 Факторами риска для сохранности окружающих здании и коммуникации при данной реконструкции являются техногенные воздействия: динамические нагрузки при демонтаже существующих конструкций, осадки зданий при устройстве стены в грунте, осадки зданий окружающей застройки при вскрытии котлованов, осадки зданий при понижении уровня подземных вод и другие факторы. При реконструкции здания должны быть исключены деформации окружающей застройки, превышающие вышеприведенные нормативные значения. С этой целью до начала строительства на объекте должна быть создана система геотехнического мониторинга. Разработанная система мониторинга на объекте должна производиться для обеспечения сохранности соседней застройки и будет инструментом оперативной корректировки производства работ. Основной задачей геотехнического мониторинга является фиксация превышений критериев безопасного ведения работ. При этом суммарные дополнительные осадки, относительные неравномерности осадок и крены соседней застройки от всех видов строительных работ на объекте не должны превышать значений указанных в ТСН 50302-2004 (в зависимости от категории технического состояния). 2.3.2 Инженерно-геологические условия Участок строительства находится в квартале плотной исторической застройки в Василеостровском административном районе. 58 В соответствии с материалами изыскания геологический разрез представлен послеледниковыми (озерно-морскими), озерно-ледниковыми, флювиогляциальными и ледниковыми отложениями четвертичного стратиграфического комплекса, перекрытыми с поверхности слоем насыпных грунтов мощностью 0,4-3,2 м. В геологическом разрезе среди указанных генетических типов грунтов по состоянию и свойствам выделено 12 основных инженерно-геологических элементов. Верхняя часть разреза до глубины 3,3-5,1 м (абсолютные отметки подошвы минус 0,14 – минус 1,93 м) сложена послеледниковыми супесями, песками мелкими, средней плотности сложения ИГЭ-2. Подстилаются песчаные отложения супесями пылеватыми, слабозаторфованными ИГЭ-3,4 и песками пылеватыми с прослоями супеси пылеватой, насыщенными водой, средней плотности сложения, ИГЭ-5. Характерной особенностью состава озерно-морских отложений является то, что они, как правило, содержат неравномерно распределенные примеси органических веществ различной степени разложения. Рассматриваемые литологические разности (пески мелкие, пылеватые и супеси) относятся к чувствительным грунтам, довольно устойчивые к действию статических нагрузок, при нарушении естественного сложения, особенно в результате динамического воздействия, способны разжижаться и переходить в плывунное состояние, при этом они резко снижают свою прочность и увеличивают способность к деформируемости. Ниже на глубине 9,1-14,8 м (абс. отм. минус 5,99 - минус 16,72м) песчаносупесчаные образования подстилаются неоднородными по сжимаемости, тиксотропно-неустойчивыми глинистыми грунтами озерно-ледникового происхождения, ИГЭ-6,7, отличающимися малой степенью литификации, невысокой несущей способностью. Распространены озерно-ледниковые глинистые грунты до глубины 21,430,8 м, подошва отмечена на абсолютных отметках минус 18,31 - минус 27,68 м. На этих отметках вскрыта кровля флювиогляциальных песчаных грунтов разной крупности ИГЭ-8-11, с редкими гравием и галькой плотного сложения. Ниже в основании пройденного разреза в центральной и южной части исследуемой территории на глубине 29,8-36,3 м вскрыты моренные суглинки, ИГЭ12, тугопластичной консистенции, мощность их в зависимости от глубины колеблется от 0,7 до 7,5м. 59 Грунтовые воды на период изысканий, в октябре 2007 г отмечены на глубине 1,8- 2,3 м, что соответствует абсолютным отметкам 0,80-1,31 м. При гидрогеологических расчетах значения коэффициента фильтрации для водовмещающих пород могут быть приняты следующие: • насыпные грунты, ИГЭ-1 1,0-5,0 м/сутки; • пески мелкие, ИГЭ-2 2,0-4,0 м/сутки; • пески пылеватые, ИГЭ-3 0,5-1,0 м/сутки. Напорные воды второго водоносного горизонта приурочены к флювиогляциальным пескам разной крупности, ИГЭ - 8,9,10,11. Пьезометрический уровень зафиксирован на глубине 4,1-5,8 м (абсолютные отметки минус 1,16 - минус 2,40 м), величина напора при этом составила 18,026,0 м. 2.3.3 Методика проведения мониторинга Участок строительства находится в квартале плотной исторической городской застройки Василеостровского района, поэтому реконструкция учебного корпуса производилась в режиме реставрации с приспособлением к современному использованию и применялась в соответствии с инструкциями [89, 90], комплексная методика геотехнического мониторинга, включающая: • проведение инклинометрических измерений ограждающей конструк- • проведение наблюдений деформаций сохраняемых зданий по геодези- ции; ческим деформационным маркам; • проведение наблюдений деформаций за вновь возводимыми сооруже- ниями Административного и Социального корпусов; • визуальный контроль состояния конструкций сохраняемых зданий; • визуальный контроль состояния окружающей застройки; • проведение измерений глубины и ширины раскрытия трещин в кон- струкциях сохраняемых корпусов; • проведение наблюдений колебания уровня грунтовых вод по пьезо- метрическим скважинам. 60 В диссертации приведены результаты мониторинга только по инклинометрическим измерениям окружающей конструкции полузаглубленного сооружения и деформациями сохраняемых зданий с помощью геодезических деформационных марок. Для контроля перемещений ограждающей конструкции предусматривается установка в её верхней части деформационных марок и периодическое определение их координат. Смещения по глубине контролируются инклинометрическими измерениями вдоль предварительно установленных направляющих трубок. Основная цель инклинометрических наблюдений - измерение поперечных смещений грунтов и сооружений вдоль направляющей трубки. Используемое для мониторинга на площадке оборудование представляет собой мобильную нестационарную систему с ручным считыванием данных (данных измеренных поперечных смещений ограждающей конструкции) и состоит из: • рабочего устройства-зонда инклинометра; • рабочего мерного электрического кабеля (длиной 50 м); • устройства для считывания данных; • специальной обсадной трубы. Инклинометрический зонд представляет собой цилиндрическую капсулу, снабженную двумя роликовыми каретками, которые обеспечивают работу зонда в обсадных трубах. Как правило, стандартная база зонда инклинометра имеет расстояние между двумя измеряющими устройствами 500 или 1000 мм (расстояние между каретками на рисунке). Зонд, используемый для инклинометрических наблюдений на площадке, имеет базу равную 500 мм. Зонд инклинометра вставляется в канавки, предварительно устроенной в ограждающей конструкции обсадной трубы (рисунок 2.10). При возможном горизонтальном смещении - деформировании ограждающей конструкции, инклинометрическим зондом регистрируется изменение приращений углов отклонения от вертикали на базисном расстоянии (500 мм) датчика-зонда. То есть, измеряется приращение углов по глубине грунтового массива. Считывание и запись данных производится специальным 61 устройством, соединенным с кабелем зонда. Интегрируя функцию измеренных углов зонда, можно получить функцию горизонтальных перемещений массива грунта по глубине. Рисунок 2.10 - Зонд инклинометра в обсадной трубе Обсадная труба биаксиальной инклинометрической системы имеет стандартный профиль. Обсадные трубы имеют наружные диаметры от 38 до 80 мм и изготавливаются из прочных полимеров (ABS). На площадке допускается использовать металлические трубы квадратного сечения с длиной стороны 50 мм. Обсадные трубы состоят из специальных модульных (длиной 3 м) и соединительных секций (длиной 200 мм), а так же имеют в скважине две крышки - верхнюю и нижнюю. Устраиваются обсадные трубы в арматурный каркас, предназначенный для сооружения ограждающей конструкции, перед бетонированием. Нижний конец обсадной трубы инклинометра делается «глухим» то есть, имеет специальный 62 башмак. Таким образом, получаемая обсаженная инклинометрическая скважина может быть полностью герметичная или заполнена водой, что не мешает производить измерения, поскольку зонд инклинометра и кабели защищены от попадания влаги. Поскольку обсадные трубы устраиваются в ограждающей конструкции, и, соответственно, не предусматриваются для повторного использования, то после проведения мониторинговых измерений внутреннее пространство труб заполняется бетоном (на что составляется специальный акт - ликвидации изысканий). При сооружении ограждения котлована в железобетонную конструкцию были установлены инклинометрические трубки на глубину 28 метров. 2.3.4 Результаты наблюдений за ограждающей конструкцией Смещения ограждающей конструкции по глубине контролируются ин- клинометрическими измерениями вдоль предварительно установленных направляющих трубок. На рисунке 2.11 представлена схема размещения точек инклинометрических наблюдений, а на рисунках 2.12-2.15 результаты перемещений. Рисунок 2.11 - Расположение направляющих трубок на обвязочной балке для инклинометрических наблюдений 63 Рисунок 2.12 - Профиль инклинометрической трубки И1 64 Рисунок 2.13 - Профиль инклинометрической трубки И2 65 Рисунок 2.14 - Профиль инклинометрической трубки И3 66 Рисунок 2.15 - Профиль инклинометрической трубки И4 По результатам проведения мониторинга за период с 27.11.2013г. по 30.09.2014г. зафиксировано перемещение внутрь котлована инклинометрической 67 трубки И1 на величину до 9 мм на глубине от 0 м до 3 м, зафиксировано перемещение внутрь котлована инклинометрической трубки И4 на величину до 9 мм на глубине от 0 м до 3 м. По результатам проведения мониторинга за период с 19.08.2014г. по 30.09.2014г. перемещение инклинометрической трубки И2 внутрь котлована не зафиксировано. По результатам проведения мониторинга за период с 02.09.2014г. по 30.09.2014г. перемещение инклинометрической трубки И3 внутрь котлована не зафиксировано. Измерение перемещения верха ограждающей конструкции контролируются тахеометрическими измерениями положения деформационных марок, предварительно установленных в обвязочной балке. На рисунке 2.16 представлена схема размещения деформационных марок. Рисунок 2.16 - Расположение деформационных марок на обвязочной балке для наблюдений за перемещением верха ограждающей конструкции. -точки установки марок 68 По деформационным маркам, расположенным со стороны Главного корпуса: наблюдается перемещение 7 мм внутрь котлована по марке № Пр7; наблюдается перемещение 14 мм внутрь котлована по марке № Пр6; наблюдается перемещение 15 мм внутрь котлована по марке № Пр3; наблюдается перемещение 20 мм внутрь котлована по марке № Пр5; наблюдается перемещение 21 мм внутрь котлована по марке № Пр4. В результате проведения мониторинга установлено, что за период с 13.11.2013г. по 30.09.2014г. максимальное перемещение верха ограждающей конструкции внутрь котлована составляет 21 мм по марке Пр4. со стороны Служебного корпуса перемещение не обнаружено; со стороны Таможни перемещение не обнаружено; со стороны Церкви перемещение не обнаружено. Деформации, происходившие в сентябре 2014 г., наглядно отображены на рисунке 2.17. Рисунок 2.17 - Максимальные смещения верха ограждающей конструкции за весь период мониторинга 69 По деформационным маркам, расположенным со стороны Служебного корпуса: наблюдается перемещение 2 мм внутрь котлована по марке № Пр10; наблюдается перемещение 15 мм внутрь котлована по марке № Пр8; наблюдается перемещение 16 мм внутрь котлована по марке № Пр9. По деформационным маркам, расположенным со стороны Таможни: наблюдается перемещение 6 мм внутрь котлована по марке № Пр15; наблюдается перемещение 9 мм внутрь котлована по марке № Пр11; наблюдается перемещение 11 мм внутрь котлована по марке № Пр14; наблюдается перемещение 16 мм внутрь котлована по марке № Пр12; наблюдается перемещение 18 мм внутрь котлована по марке № Пр13; По деформационным маркам, расположенным со стороны Церкви: наблюдается перемещение 7 мм внутрь котлована по марке № Пр16; наблюдается перемещение 11 мм внутрь котлована по марке № Пр2; наблюдается перемещение 14 мм внутрь котлована по марке № Пр1. Максимальные горизонтальные перемещения верха ограждающей кон- струкции в направлении котлована указаны в таблице 2.4. Таблица 2.4 - Максимальные горизонтальные перемещения верха ограждающей конструкции в направлении котлована За период с 19.08.14 по 30.09.14 За период с 13.11.13 по 30.09.14 Перемещение, мм Деформационная марка Перемещение, мм Деформационная марка Со стороны Главного корпуса 1 Пр7 21 Пр4 Со стороны Служебного корпуса 0 - 16 Пр8 Со стороны Таможни 0 - 18 Пр13 Со стороны Церкви 0 - 14 Пр1 70 На рисунке 2.17 представлены графики максимальных перемещений обвязочной балки за весь период мониторинга по наблюдениям за деформационными марками Пр1, Пр5, Пр9, Пр13. На рисунках 2.18-2.20 представлены максимальные оседания объектов реконструкции и зданий окружающей застройки за весь период наблюдений. а) б) Рисунок 2.18 - Закономерности изменения максимальных оседаний здания Таможни (а) и здания Дома Детского творчества (б) 71 а) б) в) Рисунок 2.19 - Закономерности изменения максимальных оседаний здания Служебного корпуса (а), здания Церковного корпуса (б) и Типографии (в) 72 а) б) Рисунок 2.20 - Закономерности изменения максимальных оседаний здания Главного корпуса (а) и корпуса Лазарета (б) Анализ результатов наблюдений показывает, что наибольшие оседания имеют место для Главного и Служебного корпусов и составляют около 35 мм. 73 2.4 МОНИТОРИНГ ЗА СТЕНАМИ КОТЛОВАНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГЛАВНОЙ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГА СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ» Подземное сооружение при строительстве главной насосной станции СанктПетербурга выполнено с использованием специального способа «стена в грунте». Сооружение имеет в плане прямоугольную форму длиной 37,6 м и шириной 16,6 м. Стена в грунте возводилась с использованием буросекущих свай (рисунок 2.21) длиной 29,96 м. План и основные размеры ограждения котлована из буросекущих свай представлены на рисунке 2.21. Котлован по замкнутому периметру оборудуется бетонными блоками ФБС 9.6.6-Т. До начала земляных работ, сооружаются стены котлована из буросекущихсвай диаметром ∅1500мм по замкнутому периметру Рассматриваемый участок административно расположен в Центральном районе. Абсолютная отметка поверхности земли в месте сооружения подземной части насосной станции I-го подъема составляет 3,75 м. В процессе выполнения буровых работ были отобраны образцы грунтов для лабораторных исследований. Наименование грунтов дано в соответствии с ГОСТ 25100-95. В геологическом разрезе представлены следующие отложения (сверху вниз): - почвенно-растительный слой мощностью до 0,2 м; - насыпной грунт: песок мелкий, коричневый, со строительным мусором, кирпичной крошкой, щебнем 10%, плиткой керамической 5%, металлической арматурой, мощностью до 1,3 м; - насыпной грунт: суглинок серый, перелопаченный с почвой, кирпичной крошкой 5%, металлической проволокой 2%, пластичный, с гл. 3,5м до конца интервала древесная щепа 80%, в сером суглинке, мощностью до 3,3 м; - пески пылеватые, серые, с прослоями супеси насыщенные водой, средней плотности, общей мощностью 1,9 м; 74 Рисунок 2.21 – Котлован с ограждением из буросекущих свай 75 - пески средней крупности, серые, насыщенные водой, средней плотности, мощностью 4,3 м; - пески мелкие, светло-серые, насыщенные водой, средней плотности, мощностью 5,0 м; - пески средней крупности, серые, насыщенные водой, средней плотности, мощностью до 3,0 м; - пески гравелистые, светло-серые, с прослоями крупного песка, насыщенные водой, средней плотности, общей мощностью 4,8 м; - пески пылеватые, светло-серые, насыщенные водой, плотные мощностью до 2,0 м; - супеси пылеватые, серые, с прослоями песка пылеватого, с гравием и галькой 5%, пластичные, по Св – тугопластичные, мощностью до 4,3 м; - супеси очень пылеватые (алевритовые), серые, пластичные, по Св – полутвердые, мощностью 2,4 м; - супеси пылеватые, серые, с гравием и галькой 2%, пластичные, по Св – полутвердые, мощностью 2,5 м. Гидрогеологические условия характеризуются развитием грунтовых вод до глубины 22-24 м в песках различной крупности. Пески крупные, средней крупности и мелкие по относительной деформации пучения, в соответствии с ГОСТ 25100-95, относятся к не пучинистым грунтам. Пески пылеватые при нарушении природного сложения и под воздействием динамических нагрузок переходят в плывунное состояние; по относительной деформации пучения, в соответствии с ГОСТ 25100-95, относятся к сильно пучинистым грунтам. Супеси пылеватые относят к специфическим грунтам, обладающим в природном состоянии пластичной консистенцией. Лобовое сопротивление при зондировании изменяется от 20 до 40кгс/см2, что свойственно пылеватым пескам средней плотности. В гранулометрическом составе этих грунтов количество фракции менее 0,1 мм более 90%, причем количество частиц 2-х фракций размером 0,1-0,01мм (мелкопесчанистых и грубопылеватых) достигает 75-85%. Супеси 76 являются тиксотропными, динамически неустойчивыми грунтами. При нарушении естественного сложения, в том числе и под динамическими воздействиями, супеси резко снижают несущую способность. Инженерно-геологический разрез свидетельствует о том, что низ буросекущих свай находится на отметке – 25,98 м, т.е. они входят в супеси пылеватые на 3,82 м. 2.4.1 Результаты мониторинга Мониторинг смещений грунтового массива осуществлялся с помощью инклинометрических трубок и деформационных реперов. Схема расположения измерительных устройств представлена на рисунке 2.22. Рисунок 2.22 - Схема установки инклинометрических трубок и деформационных реперов Деформирование подземного сооружения по глубине приведено на рисунках 2.23, 2.24. 77 Рисунок 2.23 - Горизонтальные смещения ограждающей стены полузаглубленного подземного сооружения (инклинометрическая трубка 1) 78 б) Рисунок 2.24 - Горизонтальные смещения ограждающей стены полузаглубленного подземного сооружения (инклинометрическая трубка 3) 79 Анализ смещений ограждающих стен показывает, что по глубине они деформируются по-разному. Деформация стены с инклинометрической трубкой 3 достигает наибольшего значения на поверхности, а с трубкой 1 на глубине 15 м. С глубиной горизонтальные смещения первой стены с трубкой 3 монотонно убывают до 16 мм. Для второй стены с трубкой 1 с увеличением глубины смещения стен грунтового массива в сторону котлована вначале возрастают, а затем уменьшаются. Наибольшая их величина находится на глубине 15 м от земной поверхности и составляет 66 мм. На глубине H = 24 м горизонтальные смещения снижаются до 53 мм. С целью снижения смещений стен в процессе строительства сооружения, в его верхней части были установлены расстрелы из металлических труб диаметром 1,2 м. Наличие расстрелов привело к уменьшению горизонтальных смещений в верхней части ограждающей стены с трубкой 3 полузаглубленного сооружения (рисунок 2.24) и оказало меньшее влияние на противоположную стену. При этом первоначальные значения смещений стен были одинаковыми, а на 02.06.2011 они уже отличались друг от друга в 1,5 раза. Необходимо отметить, что на характер деформирования противоположных ограждающих стен оказала влияние их различная жесткость в средней части. Около ограждающей стены с инклинометрической трубкой 3 сооружаются три стартовых камеры, закрепленных железобетонной крепью, используемые для строительства (рисунок 2.25) тоннелей. Наличие вертикальных камер привело к снижению горизонтальных смещений во внутрь котлована (рисунок 2.24). Вместе с тем, в верхней части стены, в процессе углубки котлована, возведены расстрелы (рисунок 2.26), которые снизили величину горизонтальных смещений. Эпюра горизонтальных смещений верхней части стен внутрь котлована приведена на рисунке 2.25. Из экспериментальных данных следует, что наибольшие горизонтальные смещения имеют место в средней части стены, с приближением к углам сооружения горизонтальные смещения уменьшаются. 80 График смещения деформационных марок на ростверке котлована Рисунок 2.25 - Горизонтальные смещения деформационных марок полузаглубленного подземного сооружения 81 а) Рисунок 2.26 - Схема установки расстрелов в полузаглубленном подземном сооружении (а) и общий вид сооружения с расстрелами (б) Из анализа экспериментальных зависимостей горизонтальных смещений ограждающей стены по их высоте следует, что распорные конструкции снизили смещения на 26,5%. 82 Развитие горизонтальных смещений верхней части представлено на рисунке 2.24, из анализа которого следует что стена деформируется как плита, достигая наибольшего значения деформаций в средней части. Выводы по главе 2 1. Величина и характер деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленного подземного сооружения в основном зависят от инженерно-геологических условий строительства, глубины ограждающей конструкции, прочностных и деформационных характеристик грунтов и несущей стены, схемы их взаимодействия, типов и параметров поддерживающих элементов. 2. Форма мульды оседания земной поверхности, вызванная строительством полузаглубленных сооружений, может быть как пологой, так и изогнутой.Основными факторами, оказывающими влияние на форму мульды оседания земной поверхности, являются величина и характер смещений поддерживающей конструкции. Так, если на первом этапе разработки грунта в котловане подпорная стена испытывает значительные смещения по сравнению со смещениями на конечном этапе разработки грунта, то наиболее вероятно, что максимальная осадка земли сформируется на контуре котлована, а форма мульды оседания будет пологой. Если же максимальные деформации подпорной стены сконцентрированы на участке дна котлована, то в этом случае максимальная осадка земной поверхности наблюдается на некотором расстоянии от контура котлована, а форма мульды оседания изогнутая. 3. Прогноз деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений нужно производить по методике, учитывающей прочностные и деформационные характеристики грунтов и несущих стен, параметры сооружения и ограждающих конструкций. 83 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ КОТЛОВАНА ПОД ЗАЩИТОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ 3.1 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для описания геомеханических процессов используем упругую и упруго-пластическую модели [11]. Уравнение линейной модели можно представить в виде обобщенного закона Гука, который характеризует поведение изотропного упругого материала. ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ) ̇ ( ̇ ) где (3.1) ̇ ) [ – модуль упругости; – коэффициент Пуассона; –компоненты деформаций; , , , , , ] ̇ ( ̇ ) , , , , , –компоненты напря- жений. Так как, для работы с изотропной упругой моделью материала необходимо знать всего два параметра, она получила широкое распространение в классической механике грунтов, где краевые задачи решались аналитическим образом. Изотропная упругая идеально-пластическая модель Кулона-Мора. Модель Кулона-Мора до последнего времени являлась наиболее распространенной геомеханической моделью для описания поведения грунта. Для описания среды согласно модели Кулона-Мора необходимо помимо двух упругих констант три пластических параметра, сцепление , угол внутреннего трения и угол дилатансии . Классическое условие прочности сдвигу (закон трения Кулона) можно записать в виде уравнения 84 (3.2) Так как классическая модель Кулона-Мора предполагает изотропное линейное упругое поведения грунта до момента достижения предельного значения прочности, данная модель не позволяет адекватно оценить нелинейный характер поведения грунта. Областью эффективного применения модели Кулона-Мора являются задачи, где грунтовый массив, под действием внешних факторов, достигает предельного состояния. Это включает в себя, оценку устойчивости откосов и бортов карьеров, устойчивость дамб и насыпей, фундаментов мелкого заложения, устойчивость тоннеля в призабойной части, устойчивость незакрепленного тоннеля. Стена в грунте: Наиболее часто используемые способы сооружения стен в грунте – траншейный способ, сооружение стены из буросекущихся свай, сооружение отдельных буронабивных свай (рисунок 3.1). а) б) в) Рисунок 3.1–Различные варианты устройства стены в грунте: а – траншейный способ; б – буросекущиеся сваи; в – буронабивные сваи Сооружение стены в грунте. Сооружение стены в грунте, выполненной по траншейной технологии или в виде буросекущихся свай обычно не рассматривается при выполнении 85 численного моделирования, а считается, что установка ее выполняется мгновенно, без перераспределения напряжений и деформаций в грунтовом массиве, вызванных ее возведением. Считается, что изменение напряженнодеформированного состояния грунтового массива вызвано только дополнительным весом самой стены. До настоящего времени проводилось достаточно мало исследований по оценке влияния сооружения стены в грунте на напряженно-деформированное состояние. В работах ряда исследователей [45, 64, 65] отмечается, что наблюдается снижение горизонтальных напряжений в окрестности стены из буросекущихся свай на величину до 10% при ее сооружении в плотных глинах, в то время как при сооружении стены в грунте траншейным способом, напряжения падают на 20%. На настоящий момент считается, что при качественном выполнении строительных работ, данный эффект носит локальный характер. Однако, в ряде работ отмечается, что при сооружении стены в грунте траншейным способом в Гонконге, глубина которой 37 м, осадка земной поверхности непосредственно у стены составила 78 мм, а мульда оседания распространилась на расстояние 50 м от края стены. 3.2 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННОГО СООРУЖЕНИЯ 3.2.1 Постановка задачи и исходные данные В разделе рассмотрены закономерности поведения грунтового массива, вмещающего котлован и элементы защитных конструкций, при поэтапной выемке грунта в процессе строительства котлована. Сооружение глубокого котлована осуществляется в песчаных грунтах. Размеры котлована в рассматриваемой плоскости 18×10 м (рисунок 3.2). Общая глубина «стены в грунте» – 20 м, толщина изменялась от 0,8 до 1,2 м с шагом 0,2 м; класс бетона В30. Выработанное пространство защищено только «стеной», вспомогательные элементы (расстрелы, анкеры и т.п.) 86 - отсутствуют. Выемка грунта производится на глубину 10 м за 10 этапов (по 1 м за этап). Рисунок 3.2 – Расчетная схема сооружения Поведение грунтового массива описываются одной из двух геомеханических моделей: модель линейно-деформируемого тела и упруго-идеальнопластическая модель Кулона-Мора. Предложенные к рассмотрению геомеханические модели получили широкое распространение в практике численного моделирования строительства подземных сооружений в грунтах, а их реализация представлена практически во всех коммерческих программных комплексах геомеханического анализа (Plaxis, Abaqus, Flac, Z-Soil, TNODIANA и др.). Выше приведенные доводы и легли в основу выбору представленных 4 моделей геоматерилов. Параметры моделей материалов сведены в таблицу (таблица 3.1). Таблица 3.1 - Параметры моделей материалов, характеризующие физико-механические свойства грунтового массива Наименование , , , , , , модели грунта кН/м3 кН/м3 МПа МПа МПа МПа , , кПа кПа Упругая 19 20 - 45 - - - - - Кулона-Мора 19 20 - 45 - - - 1 35 - 0.35 - - - 5 - - - - 87 Примечание: – объемный вес грунта в ненасыщенном водой состоянии; – объемный вес грунта в насыщенном водой состоянии; – модуль деформации грунта, соответствующий 50% его предела прочности; –модуль упругости грунта; – одометрический модуль деформации грунта; – начальное значение модуля сдвига при -6 малых деформациях (1·10 ); – значение сдвиговых деформаций, при которых начальное значение модуля сдвига уменьшается на 70%; –сцепление; – угол внутреннего трения; – угол дилатансии; – коэффициент Пуассона; –параметр определяющий зависимость жесткости грунта от уровня напряженного состояния; –прочность грунта растяжению; –коэффициент, характеризующий отношение действительного значения девиатора напряжений на пределе прочности к асимптотическому значению девиатора напряжений . Целью выполнения численного моделирования является оценка корректности деформирования грунтового массива в окрестности глубокого котлована, полученного по одной из двух геомеханических моделей, а также определить область эффективного применения каждой из представленных геомеханических моделей. 3.2.2 Результаты численного моделирования В целях выяснения закономерностей поведения грунтового массива при сооружении глубокого котлована выполнен ряд расчетов, в которых грунтовая среда последовательно описывается вышеуказанными моделями поведения, при этом в каждом случае толщина «стены в грунте» меняется от 0,8 м до 1,2 м с шагом 0,2 м. Общее количество конечно-элементных моделей - 20 шт. (четыре варианта модели грунтовой среды с пятью вариантами толщины «стены» в каждом). Критериями оценки полученных расчетами закономерностей выбраны следующие показатели: максимальное оседание поверхности в зоне влияния котлована, подъем почвы котлована, вертикальное и горизонтальное смещение «стены», а также максимальная величина изгибающего момента в «стене». 1. Максимальное оседание земной поверхности. Результаты расчетов показали следующие закономерности при глубине выемки котлована до 4 м упругая модель показывает первоначальное резкое оседание поверхности с 88 последующим подъемом вплоть до конечной отметки 10 м. Стоит отметить, что упругая модель способна дать представление о размерах зоны влияния котлована на смещения в грунтовом массиве (рисунок 3.3). Рисунок 3.3 – Эпюра результирующих смещений в грунтовом массиве (упругая модель) Упруго-пластическая модель (Кулона-Мора) до глубины 7-8 м показывает практически совпадающие с упругой моделью результаты: первоначальное резкое оседание поверхности с последующим подъемом и только при ощутимых перемещениях грунта - в нашем случае после 8 м выемки - начинается оседание поверхности. Данная модель позволяет получить приемлемую картину смещений только при больших смещениях и только на качественном уровне, количественные показатели зачастую сильно разнятся с данными натурных замеров. Однако, эту модель поведения слабых грунтов можно использовать для первичной инженерной оценки картины смещений (рисунок 3.4). На рисунках 3.5, 3.6 и 3.7 приведены зависимости максимального оседания земной поверхности в зависимости от глубины котлована. 89 Рисунок 3.4 – Эпюра результирующих смещений в грунтовом массиве (упруго-идеально-пластическая модель Кулона-Мора) Максимальное оседание поверхности, мм 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10 -20 -30 Глубина котлована, м упругая модель модель Кулона-Мора Рисунок 3.5 – Развитие максимального оседания (мм) поверхности земли с увеличением глубины котлована, при толщине стены 0,8 м 90 Максимальное оседание поверхности, мм 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10 -20 -30 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.6 – Развитие оседания (мм) поверхности земли с увеличением глубины котлована, при толщине стены 0,9 м Максимальное оседание поверхности, мм 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 -10 -15 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.7 – Развитие оседания (мм) поверхности земли с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,0 м 91 2. Подъем днища котлована. Принятые модели показывают подъем грунта в днище котлована, что является закономерным результатом: при образовании выработанного пространства грунт устремляется в него, в том числе и снизу. При этом увеличение толщины «стены» слабо влияет на величину подъема, а упругая и упруго-пластическая (Кулона-Мора) модели дают завышенные результаты. Графики изменения величины подъема почвы котлована по мере его углубления даны на рисунках 3.8-3.10. Сопоставление результатов расчета подъема дна котлована с данными натурных наблюдений (рисунок 2.9) показывают их согласие. Расчетная и экспериментальная зависимости подъема дна котлована линейно зависят от Максимальный подъем почвы котлована, мм его глубины. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.8 – Развитие подъема почвы котлована с увеличением его глубины, при толщине стены 0,8 м Максимальный подъем почвы котлована, мм 92 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 -10 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.9 – Развитие подъема почвы котлована с увеличением его глубины, при Максимальный подъем почвы котлована, мм толщине стены 0,9 м 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 -10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.10 – Развитие максимального подъема почвы котлована с увеличением его глубины, при толщине стены 1,0 м 93 3. Вертикальное и горизонтальное смещение «стены» В процессе откопки котлована грунтовая призма сползания заставляет смещаться элементы защитных конструкций в сторону выработанного пространства. На рисунках приведены зависимости изменения величин вертикальных (рисунок 3.11- рисунок 3.13) и горизонтальных смещений (рисунок 3.14 - рисунок 3.16) участков стены. Упругая модель показывает преобладание вертикальных смещений над горизонтальными, что объясняется поведением грунтовых масс, соответствующим закономерностям поведения упругой среды - подъем грунтовых частиц вблизи котлована. Как уже говорилось - такие результаты не отражают реальной картины деформирования грунтового массива. Максимальное вертикальное смещение стены, мм 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 -10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.11 – Вертикальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением глубины котлована, при толщине стены 0,8 м 94 Максимальное вертикальное смещение стены, мм 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 -10 -15 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.12 – Вертикальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,0 м Вертикальное смещение стены, мм 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -5 -10 -15 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.13 – Вертикальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,2 м Горизонтальное смещение стены, мм 95 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.14 – Горизонтальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением Горизонтальное смещение стены, мм глубины котлована, при толщине стены 0,8 м 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.15 – Горизонтальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,0 м 96 Горизонтальное смещение стены, мм 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.16 – Горизонтальные перемещения верха ограждающей стены с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,2 м Начальная картина смещений элементов «стены» для упруго-идеальнопластической модели (Кулона-Мора) совпадает с результатами упругой модели из-за одинакового поведения моделей на стадии упругой работы. При появлении пластических деформаций в массиве активно развиваются горизонтальные смещения «стены» - в сторону выработанного пространства. Поэтому общая картина смещений элемента «стены» - в сторону котлована и вверх (подъем), что только частично отражает реальную картину перемещений. 4. Максимальный изгибающий момент в элементах «стены в грунте». На рисунках 3.17-3.19 показаны графики изменения величины изгибающего момента в «стене» по мере увеличения глубины котлована. Здесь стоит отметить следующие закономерности. Макс. изгибающий момент в стене, кНм 97 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.17 – Максимальное значение изгибающих моментов в элементах «стены в Макс. изгибающий момент в стене, кНм грунте» с увеличением глубины котлована, при толщине стены 0,8 м 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.18 – Максимальное значение изгибающих моментов в элементах «стены в грунте» с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,0 м Макс. изгибающий момент в стене, кНм 98 1200 1000 800 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Глубина котлована, м Упругая модель Модель Кулона-Мора Рисунок 3.19 –Максимальное значение изгибающих моментов в элементах «стены в грунте»с увеличением глубины котлована, при толщине стены 1,2 м В упругой и упруго-идеально-пластичной (Кулона-Мора) моделях в «стене» накапливается знакопеременный момент с относительно небольшими значениями. При этом обращает на себя внимание, деформированное положение участка стены (упругая и упруго-идеально-пластическая модели), имеет место отклонение верхнего участка «стены» не только в сторону котлована, но и отклонение нижней части «стены» (заделки в грунт) в обратную сторону от котлована. Стена «поворачивается» вокруг некоторой точки, находящейся вблизи днища котлована. На рисунках 3.20-3.23 представлены эпюры деформаций в виде оседания земной поверхности, подъема почвы котлована, горизонтальных перемещений участка «стены», а также приведены эпюры распределения изгибающего момента вдоль элемента «стены» при последовательной выемке грунта из котлована для двух моделей, которые дают представление о характере работы системы «грунт - инженерное сооружение». 99 30,0 Смещение поверхности, мм 20,0 10,0 0,0 -10,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 -20,0 -30,0 -40,0 -50,0 -60,0 -70,0 Расстояние от борта котлована, м Упругая Кулона-Мора Рисунок 3.20 – Схема вертикальных перемещений земной поверхности для разных моделей грунта при приближении к котловану (слева направо) 50,0 Подъем почвы котлована, мм 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 65,0 70,0 75,0 80,0 Расстояние между бортами котлована, м Упругая Кулона-Мора Рисунок 3.21 - Подъем почвы котлована для разных моделей грунта 85,0 100 Глубина элемента стены от поверхности, м 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 Горизонтальные смещения стены, мм Упругая Кулона-Мора Рисунок 3.22 – Схема горизонтальных перемещений «стены» для разных моделей грунта показано отклонение стены от вертикального положения с глубиной Глубина элемента стены от поверхности, м 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 -400,0 -300,0 -200,0 -100,0 0,0 100,0 200,0 Изгибающий момент в стене, кНм Упругая Кулона-Мора Рисунок 3.23 – Эпюры распределения изгибающего момента вдоль стены (сверху вниз) 101 Выводы по главе 3 Моделирование поведения грунтового массива элементов защитного сооружения «стена в грунте» позволяет сделать следующие предварительные выводы: 1. Упругая модель затрачивает минимальное количество времени на получение результатов, но позволяет оценить только масштабы и степень влияния на грунтовый массив строящегося сооружения. 2. Упруго-идеально-пластическая модель Кулона-Мора в значительной степени повторяет поведение упругой модели при малых деформациях, когда нагрузки невелики и в элементах защитных сооружений не возникает существенных смещений. Более достоверные результаты эта модель может показывать на конечной стадии моделирования, когда большая часть нагрузок и вызванных ими смещений уже реализовалась. Модель Кулона-Мора можно использовать для качественной и количественной инженерной оценки работы вмещающего сооружение массива и при недостаточном количестве (или достоверности) физико-механических характеристик грунтов. 102 4 СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Введение Сопоставление экспериментальных и теоретических исследований произведем для полузаглубленного подземного сооружения главной насосной станции г. Санкт-Петербурга. После сооружения ограждающих стен из буросекущих свай начинается разработка грунта котлована, состоящая из нескольких стадий. Первая стадия. Грунт котлована разрабатывается краном КС-5363, оборудованным грейфером на глубину 1600 мм, до отметки 2,15 м, с доработкой по углам котлована вручную. Разработанный грунт грузится в автосамосвалы и вывозится в отвал. Затем выставляется опалубка и возводятся бетонные стены. Аналогичным образом производится разработка котлована на последующих стадиях до отметки -3,65 м. Следующий этап строительства подземной части насосной станции I-го подъема включает сооружение трех камер под защитой шпунтового ограждения, буронабивных свай и замораживание грунтов (рисунок 4.1). Вторая и третья стадии одинаковы и включают в себя следующие процессы. Грунт котлована разрабатывается краном КС-5363, оборудованным грейфером до отметки -5,35 м, с доработкой по углам котлована вручную. Разработанный грунт грузится в автосамосвалы и вывозится в отвал. Затем выставляется опалубка и бетонируются железобетонные стены. Четвертая стадия. Грунт разрабатывается краном КС-5363, оборудованный грейфером до отметки -8,8 м с оставлением берм по контуру котлована. До проектной отметки -3,85 м грунт разрабатывается вручную. 103 а) б) Рисунок 4.1 – Схемы расположения трех камер (а) и разработки грунта котлована с отметки -3,65 м (б) 104 Пятая стадия. Замораживающие колонки, находящиеся в контуре шпунтового ограждения, отключаются от сети, рассол из колонок откачивается. Замороженный грунт стартовых камер разрабатывается отбойными молотками с выдачей на поверхность грейфером. По мере проходки котлована устанавливаются опорные пояса расстрелы. На отметке 19,164 м устраиваются щебеночная (200 мм) и песчаная (100 мм) подготовки. Затем бетонируется железобетонное днище, демонтируется нижний пояс крепления котлована. Следующие пояса крепления демонтируются по мере возведения железобетонных стен. После сооружения стен стартовых камер извлекаются оставшиеся замораживающие колонки. После этого на отметке -3,85 устраиваются щебеночная (200 мм) и песчаная (1000 мм) подготовки с коэффициентом уплотнения k = 0,96 и бетонируется железобетонное днище котлована. На завершающем этапе строительства из трех стартовых камер проходятся тоннели наружным диаметром 1,94 м тоннелепроходческим комплексом AVN-1600 по направлению к реке Нева. Протяженность трассы составляет 235 м, а выход тоннелепроходческого комплекса и последующий подъем осуществляется прямо из акватории Невы. При выполнении работы на данном объекте использовано большое количество современных технологий строительства подземных сооружений и технических решений. Это буросекущие сваи, буронабивные сваи, шпунтовое ограждение, замораживание грунтов, применение тоннелепроходческого комплекса и другое. Все это направлено на обеспечение прочности и устойчивости основных несущих конструкций, но в свою очередь усложняет процесс расчета такого подземного сооружения. При решении подобных задач рациональным является использование метода конечных элементов. 105 4.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАГРУЗОК НА ОБДЕЛКУ ПОЛУЗАГЛУБЛЕННОГО ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ НАСОСНОЙ СТАНЦИИ 4.1.1 Исходные данные Грунты, залегающие в диапазоне 0-23,5 м, сложены песками различной крупности. С учетом того, что в исходных данных отсутствовала информация о деформационных свойствах грунтов, при выполнении численного моделирования, грунты, залегающие в диапазоне 0-23,5 м, рассмотрены как один слой с усредненными значениями. Значение прочностных показателей супесей были пересмотрены, так как по нашему мнению, их значения весьма завышены и не соответствуют реальной работе этих грунтов. Согласно ТСН 50-302-2004 [41] значение модуля деформации глинистых грунтов можно приближенно определить по нанограмме (рисунок 4.2). Значение модуля деформации глинистых грунтов изменяется от 12 до 14 МПа. Расчетные показатели грунтов сведены в таблицу (таблица 4.1). Таблица 4.1 – Физико-механические свойства грунтов, принятые для расчета Наименование грунта ,м , 3 , кН/м3 , МПа , кПа кН/м Пески мелкие и средней 23.5 0.7 15.4 19.5 20 0.3 25 1 крупности Пески пылеватые 2 0.55 16.65 20.2 18 0.3 33 1 Супеси пылеватые 4.5 0.43 21.45 21.5 10 0.2 16 22 тугопластичные Супеси пылеватые, с гравием, галькой, пластичные, 2.5 0.42 18.8 21.8 15 0.2 20 13 полутвердые Супеси очень пылеватые (алевритовые), пластичные, 0.59 16.7 20.4 12 0.2 17 17 полутвердые Примечание: - мощность слоя грунта; – коэффициент пористости; – объемный вес грунта в полностью насыщенном водой состоянии; – объемный вес грунта в ненасыщенном водой состоянии (частный случай - сухой грунт; – модуль деформации грунта; – коэффициент поперечной деформации грунта; – угол внутреннего трения грунта; – сцепление грунта. 106 Рисунок 4.2 – Нанограмма для определения модуля деформации глинистых грунтов 4.1.2 Постановка задачи Численное моделирование сооружения насосной камеры под защитой ограждающей стены рассматривалась в пространственной постановке [9495]. Несмотря на то, что длина камеры больше ее ширины, справедливо говорить о плоско-деформационной постановке лишь с некоторым допущением. Другим фактором, вводившим дополнительные допущения при решении задачи в плоско-деформационной постановке, являлось бы устройство железобетонной рубашки по периметру насосной камеры. Опирание рубашки осуществляется только в краевых зонах, что в явном виде учесть при моделировании в плоско-деформационной постановке невозможно, а косвенные методы трудоемки и предполагают множество допущений. В сечении, насосная камера представляет собой прямоугольник со скругленными гранями. Такая форма поперечного сечения насосной камеры не позволяет говорить о ее работе как круглого сечения или даже вытянутого эллипса. Скругленные углы, позволят снизить концентрации напряжений в этих зонах, но не оказывают значительного влияния на характер работы всей конструкции в целом. В процессе численного моделирования сечение 107 котлована заменялось на прямоугольное без скругления углов, что позволило понизить размерность задачи и не снижало достоверности получаемых результатов, так угловые участки не являлись зонами интересов. Численное моделирование сооружения насосной станции осуществлялась в следующей последовательности. 1) Формирование начального равновесного состояния в грунтовом массиве. 2) Установка стены из буросекущихся свай 3) Разработка грунта в котловане под защитой стены из буросекущихся свай и устройство железобетонной рубашки котлована. Начальное напряженное состояние породного массива. Для рассматриваемых инженерно-геологических условий, напряжения, действующие в грунтовом массиве, можно разделить на эффективные и поровое давление , при этом полное значение действующих напряжений определяется согласно следующему принципу (4.1) Коэффициент бокового давления для несвязных и слабо связных грунтовых массивов, не подвергнутых переуплотнению, можно приближенно оценить по следующей зависимости (4.2) Для грунтов, значения коэффициента бокового давления сведены в таблицу (таблица 4.2). Таблица 4.2 – Значение коэффициента бокового давления грунта Наименование грунта Пески мелкие и средней крупности Пески пылеватые Супеси пылеватыетугопластичные Супеси пылеватые, с гравием, галькой, пластичные, полутвердые. Супеси очень пылеватые (алевритовые), пластичные, полутвердые. Коэффициент бокового давления 0.577 0.455 0.724 0.724 0.724 108 Исходные данные о работе грунтов позволяют рассматривать грунтовый массив как упруго-пластическую среду, прочность которой задается критерием прочности Кулона-Мора Критерий Кулона-Мора через главные напряжения можно выразить в главных напряжениях как ) где и – максимальные и минимальные главные напряжения; сцепление рассматриваемого материал; Прочность на одноосное сжатие (4.3) – – угол внутреннего трения. можно определить по следующей зависимости (4.4) на одноосное растяжение (4.5) Параметры и могут быть получены по результатам инженерно- геологических изысканий (рисунок 4.3). Рисунок 4.3 – Графическое представление критерия прочности Кулона-Мора в (a) в осях нормальных и сдвиговых напряжениях (б) в осях главных напряжений Необходимо отметить, что упруго-идеально пластическая среда, не позволяет описать сложный характер поведения слабых грунтов. Более полно поведения мягких грунтов можно описать с применением упруго- 109 пластических или упруго-вязко-пластических моделей с введением упрочнения. Но для эффективного их применения, параметры этих моделей должны определяться на основании трехосных испытаний, компрессионных испытаний и длительных (реологических) испытаний. В качестве исходных данных, эти данные не были представлены, поэтому эти модели для описания поведения грунтового массива не рассматривались. Ограждающая стена из буросекущихся свай. Диаметр составляющих элементов ограждающей стены, буросекущихся свай, по проекту принят равным 1,5 м. При этом эффективная толщина такой стены составляет 0,9 м. При расчете жесткости стены из буросекущихся свай к расчету принималась эффективная толщина стены. Расчет веса стены из буросекущихся свай выполнялся с учетом полного ее сечение. При проведении численного моделирования [96] рассматривалась возможность проскальзывания грунта относительно ограждающей стены при достижении напряжений на их контакте превышающей прочность контакта сдвигу. Принято, что прочность на контакте можно соотнести с прочностью грунтового массива через параметр [50], который, в отсутствии экспериментальных данных, для песков ориентировочно можно принять 0,7, а для супесей 0,6. (4.6) где - сцепление по контакту; - угол внутреннего трения по контакту. Разработка грунта в котловане под защитой стены из буросекущихся свай и устройство железобетонной рубашки котлована (схема 1). Разработка грунта в котловане осуществляется заходками и разделена на V этапов. I этап – глубина заходки 1,6 м. II этап – глубина заходки 1,5 м. III этап – глубина заходки 1,5 м. 110 IV этап – глубина заходки 1,5 м. V этап – глубина заходки 1,5 м. С точки зрения численного моделирования, последовательность разработки грунта в котловане и устройство рубашки из монолитного железобетона представлялись следующим образом. 1 – стадия 2 – стадия 3 – стадия 4 – стадия 5 – стадия 6 – стадия 7 – стадия 8 – стадия 9 – стадия 10 – стадия В численной модели деактивировались (жесткость, масса, напряжения, поровое давление приравнивались к нулю, а в узлах прикладывались фиктивные силы) конечные элементы, соответствующие I этапу строительства котлована. В численной модели активировались конечные элементы, отвечающие за железобетонную рубашку, соответствующие I этапу строительства котлована. В численной модели деактивировались конечные элементы соответствующие II этапу строительства котлована. В численной модели активировались конечные элементы, отвечающие за железобетонную рубашку, соответствующие II этапу строительства котлована. В численной модели деактивировались конечные элементы, соответствующие III этапу строительства котлована. В численной модели активировались конечные элементы, отвечающие за железобетонную рубашку, соответствующие III стадии строительства котлована. В численной модели деактивировались конечные элементы, соответствующие IV этапу строительства котлована. В численной модели активировались конечные элементы, отвечающие за железобетонную рубашку, соответствующие IV этапу строительства котлована. В численной модели деактивировались конечные элементы, соответствующие V этапу строительства котлована. В численной модели активировались конечные элементы, отвечающие за железобетонную рубашку, соответствующие V этапу строительства котлована. В процессе строительства сооружения произошел прорыв воды из забоя, а также для снижения горизонтальных стен в верхней части выработки были установлены металлические расстрелы. Поэтому дополнительно разработана численная модель (схема 2) и проведено математическое моделирования, процесса сооружения котлована под защитой стены из буросекущихся свай с усилением ограждающей стены 111 расстрелом и учетом затопления насосной камеры с последующей откачкой воды из нее. Установка расстрела осуществлялась перед этапом откачки воды из насосной камеры. Количество этапов работ составило VII. Этапы с I по V повторяют представленные для схемы 1. VI этап – затопление насосной камеры. VII этап – откачка воды из насосной камеры. Параметры расстрела следующие, диаметр трубы 1,2 м, толщина трубы 9 мм. Расстрел жестко связан с железобетонной рубашкой. Материал расстрела, сталь Ст3. Физико-механические свойства материалов конструкций сведены в таблицу (таблица 4.3). Таблица 4.3 – Физико-механические показатели материалов строительных конструкций Наименование конструкции и материала Стена из буросекущихся свай. Бетон класса B25, расчетная толщина 0,9 м. Железобетонная рубашка. Бетон класса по прочности B25, расчетная толщина 0,8 м. Расстрел. Сталь Ст3, внешний диаметр расстрела 1,2м, толщина стенки 9 мм. , МПа Физико-механические показатели , МПа , МПа 30 000 (16 000) 0.2 14.5 1.05 30 000 (16 000) 0.2 14.5 1.05 210 000 0.3 235 235 Примечание: в скобках приведены длительные показатели деформационных свойств бетона. При продолжительном действии нагрузки значение длительного модуля деформаций бетона определяют по формуле (4.7) где - коэффициент ползучести [46]. Конечно элементная модель грунтового массива и несущих элементов насосной станции представлена ниже (рисунок 4.4). 112 2 Рисунок 4.4 – Конечно элементная модель грунтового массива и несущих элементов насосной станции: 1 – модель грунтового массива; 2 – модель стена из буросекущихся свай и железобетонной рубашки; цветом выделены слои грунтов с различными физико-механическими 1 показателями 4.1.3 Результаты численного моделирования. Результаты численного моделирования [97] оценивались по величинам горизонтальных смещений стены из буросекущихся свай по ее длине и глубине (рисунок 4.5). Схема 1: Строительство насосной камеры под защитой стены из буросекущихся свай и железобетонной рубашки. Усиление расстрелом не осуществлялось. 113 Рисунок 4.5 – Участки замеров горизонтальных смещений (красными цветом указаны линии, вдоль которых осуществлялись замеры горизонтальных смещений) Сравнивая результаты численного моделирования с результатами геотехнического мониторинга (Глава 2), можно отметить хорошую сходимость результатов по величине максимальных смещений, при этом качественно, зависимости горизонтальных смещений по глубине (рисунок 4.6) (середина длинной части стены насосной камеры) имеют незначительное отличие друг от друга (рисунок 2.23). По длине насосной станции горизонтальные смещения (рисунок 4.7) качественно совпадают с результатами геотехнического мониторинга (рисунок 2.24). 114 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Отметка от дневной поверхности, м -5 -10 -15 -20 -25 -30 Горизонтальные смещния, мм 1 этап 2 этап 3 этап 4 этап 5 этап Рисунок 4.6 – Развитие горизонтальных смещений в зависимости от этапов строительства ограждающей стены из буросекущихся свай 115 Схема 2: Строительство насосной камеры под защитой стены из буросекущихся свай и железобетонной рубашки с затоплением и последующей откачкой воды с усилением расстрелом на этапе откачки воды. Результаты смещений, вызванные затоплением насосной камеры и откачкой воды, приведены ниже (рисунок 4.8, рисунок 4.9). Затопление водой насосной камеры приводит к незначительному развитию горизонтальных смещений в сторону грунтового массива, и вызваны давлением воды действующих на стенки насосной камеры. После откачки воды, дополнительные горизонтальные смещения на уровне поверхности земли составили 3 мм, и итоговые смещения 55 мм. На отметке 30 м от поверхности земли дополнительные горизонтальные смещения составили 17 мм. Таким образом, усиление стены расстрелом позволяет значительно уменьшить дополнительные горизонтальные смещения, вызванные откачкой воды. Продольная сила, действующая в расстреле, составляет 1765 кН. Величина изгибающего момента 320 кНм. Развитие продольных усилий и изгибающего момента в сечении расстрела в процессе ведения строительных работ представлено в виде диаграмм (рисунок 4.10, рисунок 4.11). Если не осуществлять усиление стены расстрелом, то величина максимальных горизонтальных смещений достигнет 70 мм, то есть, после откачки воды дополнительные смещения стены могут составить 20 мм В работе выполнены расчеты горизонтальных смещений в случае установки расстрелов на первом этапе разработки котлована. Результаты расчетов приведены на рисунках 4.12-4.17. Анализ результатов свидетельствует о существенном снижении горизонтальных смещений в верхней части ограждающей стены. 116 Горизонтальные смещения, мм 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Расстояние, м 1 этап 2 этап 3 этап 4 этап 5 этап Рисунок 4.7 – Горизонтальные смещения стены из буросекущихся свай, усиленной расстрелом, по длине стены (высотная отметка на уровне поверхности земли) Горизонтальные смещения, мм 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Расстояние, м 6 этап 7 этап Рисунок 4.8 - Горизонтальные смещения стены из буросекущихся свай, усиленной расстрелом,на её поверхности 117 0 0 10 20 30 40 50 60 Отметка от дневной поверхности, м -5 -10 -15 -20 -25 -30 Горизонтальные смещения, мм 6 этап 7 этап Рисунок 4.9 - Развитие горизонтальных смещений во времени ограждающей стене из буросекущихся свай c усиленной расстрелом перед откачкой воды из насосной камеры 118 . 0 Продольное усилие, кН 2 3 4 5 -1000 -2000 -3000 -4000 -5000 Этап строительства Рисунок 4.10 – Развитие продольных усилий в сечении расстрела во времени 0 Изгибающий момент, кНм 2 3 4 -150 -300 -450 -600 Этап строительства Min Max Рисунок 4.11 - Развитие изгибающего момента в сечении расстрела во времени: Min и Max – минимальные и максимальные значения изгибающего момента в сечении расстрела по его длине 5 119 0 0 10 20 30 40 Отметка от дневной поверхности, м -5 -10 -15 -20 -25 -30 Горизонтальные смещения, мм 1 этап 2 этап 3 этап 4 этап 5 этап Рисунок 4.12 - Развитие горизонтальных смещений в зависимости от этапов строительства ограждающей стены из буросекущихся свай, усиленной расстрелом 120 Горизонтальные смещения, мм 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Расстояние, м 1 этап 2 этап 3 этап 4 этап 5 этап Рисунок 4.13 – Горизонтальные смещения стены из буросекущихся свай, усиленной расстрелом, по длине стены (высотная отметка на уровне поверхности земли) Горизонтальные смещения, мм 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Расстояние, м 1 этап 2 этап 3 этап 4 этап 5 этап Рисунок 4.14 - Горизонтальные смещения стены из буросекущихся свай, усиленной расстрелом, по длине стены (высотная отметка -10 м от уровня поверхности земли) 40 121 0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 Отметка от дневной поверхности, м -5 -10 -15 -20 -25 -30 Перерезывающие силы, кН Рисунок 4.15 – Перерезывающие силы по оси установки расстрела в стене из буросекущихся свай 122 -2 000,00 -1 500,00 -1 000,00 -500,00 0 0,00 500,00 -5 Отметка от дневной поверхности, м -10 -15 -20 -25 Продольные усилия, кН -30 Рисунок 4.16 - Продольные усилия в стене из буросекущихся свай 123 0 -400 -200 0 200 400 600 800 1 000 1 200 -5 Отметка от дневной поверхности, м -10 -15 -20 -25 -30 Изгибающий момент, кНм Рисунок 4.17 - Изгибающий момент в стене из буросекущихся свай по оси установки расстрела 124 4.1.4 Оценка прочности и устойчивости расстрела Рассматриваемый расстрел шарнирно связан со стеной из буросекущихся свай и железобетонной рубашкой болтами. Проверку сечения расстрела по прочности на сжатие с изгибом выполним согласно [9] по следующему критерию где – продольная сила; плоскости и плоскости ; , – изгибающие момента соответственно в – площадь поперечного сечения расстрела; момент сопротивления поперечного сечения расстрела; условий работы; – – коэффициент – расчетное сопротивление стали на пределе текучести. Напряжения, действующие в расстреле при расчете по схеме 2, составляют 94 МПа, что меньше предела текучести стали равной 235 МПа. Проверку расстрела по устойчивости выполним согласно [9] по следующему критерию По схеме 2 это условие можно записать следующим образом: 90.36 < 211.5, условие по устойчивости обеспечивается. Таким образом, для представленной расчетной схем схемы, условие по прочности и условие по устойчивости расстрелов обеспечивается. 4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ И НАПРАВЛЕНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ «СТЕНА В ГРУНТЕ» Способ «Стена в грунте» можно применять для строительства стен подземных и заглубленных частей зданий и сооружений, ограждающих конструкций котлованов, разделительных стен, щелевых фундаментов, для создания противофильтрационных завес (ПФЗ). Конструкции, выполняемые способом «стена в грунте», наиболее рационально применять для строительства: 125 • в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, при высоком уровне подземных вод и возможном большом притоке подземных вод в строительный котлован; • в условиях плотной городской застройки при расположении котлована вблизи существующих зданий и сооружений. Ограждающие конструкции «стена в грунте», как правило, нецелесообразно устраивать для котлованов глубиной менее 5 м. Исследования других авторов [45, 64, 65 ] и диссертанта показали, что способ «стена в грунте» при разных грунтовых условиях, разных размерах сооружений в плане и по глубине заложения имеет область применения более широкую, чем методы строительства в открытом котловане и опускного колодца (таблица 4.4). Таблица 4.4 - Области эффективного применения методов строительства полузаглубленных сооружений Грунт Пески естественной влажности Суглинки естественной влажности Пески водонасыщенные Суглинки водонасыщенные Площадь сооружения, м2 Глубина, м, при которой рекомендуется метод строительства 75 450 1250 75 5 6,5 11,5 5 5,5 8,5 16 6 «стена в грунте», более 5 6,5 11,5 5 450 6 10 6 1250 75 450 1250 75 450 1250 13 5 5 7 5,5 9 17 18,5 5 5 10 6 11,5 20 13 5 5 7 5,5 9 17 в открытом опускной котловане, до более По функциональному назначению сооружения, возводимые способом «стена в грунте», подразделяются на несущие, ограждающие и противофильтрационные. 126 Наиболее эффективны ограждающие конструкции «стена в грунте», заглубленные в слой водоупора, что позволяет их рассматривать в качестве противофильтрационных завес. Свайные завесы в виде пересекающихся буровых свай целесообразно сооружать в связных и несвязных грунтах с крупнообломочными включениями, а также в трещиноватых и выветренных скальных грунтах с заполнением твердеющими материалами. Обычно глубина завес 40-50 м. Непрерывные траншейные завесы наиболее эффективны при применении их в связных и несвязных грунтах, в том числе с крупнообломочными включениями, с заполнением твердеющими и нетвердеющими материалами при глубине завесы до 30 м. Тонкие бестраншейные завесы, как правило, выполняют в связных и несвязных грунтах без крупнообломочных включений с помощью струе размывного устройства при глубине завесы более 12 м или вибропогружения и последующего виброизвлечения инвентарной металлической или железобетонной конструкции с одновременным заполнением образуемой полости твердеющим материалом при глубине завесы до 12 м. Возведение сооружений способом «стена в грунте» может быть осуществлено во всех песчаных, глинистых, трещиноватых и невысокой прочности скальных грунтах, за исключением случаев, когда вертикальность стенок траншеи не может быть обеспечена глинистой суспензией. Применение способа «стена в грунте» может быть ограничено следующими условиями: • наличием грунтов с кавернами и пустотами, илов в рыхлых насыпных грунтов; • включением обломков бетонных и железобетонных плит, железа и других препятствии на трассе траншеи; • малой глубиной сооружения (до 3-5 м) при условиях, позволяющих вести строительство объекта в открытом котловане; наличием грунта или его прослоек, разрабатываемость которых выше группы, максимально допусти- 127 мой для имеющегося оборудования. Разработка грунта внутри и выемка изнутри сооружения должна производиться равномерно по всей площади с устройством, в случае необходимости, поддерживающих отдельные участки конструкции стены (распорок, грунтовых анкеров, перегородок и других). Область применения различных способов устройства «стена в грунте» приведена в таблице (таблица 4.5). Таблица 4.5 - Выбор способа устройства «стена в грунте» Конструктивно-технологические решения устройства «стена в грунте» Функциональные решения «стены в грунте» несущая ограждающая ПФЗ Траншейное + + + Свайное + + + Тонкое бестраншейное - - + Шпунтовое - + + Водонабухающее - - + Из сборных бетонных элементов + + - Монолитное + + + Струйное - - + Глинистое устройство - - + Грунтоцементное устройство - - + Бетонное устройство + + + Результаты исследований использованы при строительстве полузаглубленных подземных сооружений главной насосной станции г. СанктПетербурга, Северной станции аэрации в пос. Ольгино и возведении полузаглубленных сооружений при реконструкции зданий культурного назначения в условиях плотной городской застройки г. Санкт-Петербурга. 128 Выводы по главе 4 1. Разработана пространственная модель прогноза деформирования грунтового массива с ограждающей конструкцией полузаглубленного подземного сооружения, учитывающая их взаимодействие, этапность углубки котлована, деформационные характеристики грунта и стены и параметры сооружения. 2. Определена рациональная область применения различных устройств «стена в грунте» строительства полузаглубленных сооружений. 3. Разработана методика расчета параметров ограждающих конструкций полузаглубленных подземных сооружений, основанная на совместной работе системы «ограждающая конструкция - грунтовый массив» с учетом прочностных и деформационных характеристик массива и конструкции и основных этапов технологии строительства. 129 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация представляет собой законченную научно- квалификационную работу, в которой предлагается решение актуальной задачи - прогноза деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте» в условиях плотной городской застройки. Основные результаты выполненных исследований: 1. Выполнены экспериментальные натурные исследования геомеханических процессов при строительстве полузаглубленных подземных сооружений. Установлено, что величина и характер деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленного подземного сооружения, в основном, зависят от инженерно-геологических условий строительства, глубины ограждающей конструкции, прочностных и деформационных характеристик грунтов и несущей стены, схемы их взаимодействия, типов и параметров поддерживающих элементов. 2. Разработана пространственная модель прогноза деформирования упруго-пластического грунтового массива с ограждающей конструкцией полузаглубленного подземного сооружения, учитывающая их взаимодействие, этапы выемки грунта в котловане, деформационные характеристики грунта и стены. 3. Разработаны плоские конечно-элементные модели прогноза геомеханических процессов в окрестности котлованов в упругих и упругопластических массивах в зависимости от его размеров, деформационных характеристик и этапов выемки при развитии горно-строительных работ. 4. Установлены закономерности подъема дна котлована при строительстве полузаглубленного подземного сооружения, вызванные упругой разгрузкой и пластическим течением грунта. 130 5. Выявлено, что при взаимодействии с грунтовым массивом верхняя часть ограждающей конструкции полузаглубленного подземного сооружения смещается внутрь котлована, а с увеличением глубины характер ее деформирования изменяется и вблизи днища стена смещается в обратную сторону от котлована. 6. Разработана методика расчета параметров ограждающих конструкций полузаглубленных подземных сооружений, основанная на совместной работе системы «ограждающая конструкция - грунтовый массив» с учетом прочностных и деформационных характеристик массива и конструкции и основных этапов технологии строительства. 131 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Ауслендер В.Г. Новое в геологии Санкт-Петербурга / В.Г. Ауслендер, А.С. Яновский, Л.Г. Кабаков, Э.С. Плешивцева // Минерал. 2002. №1(4). С.51-58. 2 Недра России. Том 2. Экология геологической среды. СПб.-М. 2002. 662 с. 3 Бажин Н.П. Результаты исследования физико-механических свойств кембрийских глин. Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ / Н.П. Бажин, В.А. Петров, Ю.М. Карташов, А.И. Баженов. Л.: Недра, 1964. С. 49-63. 4 Николаев А.С. Подземные воды Санкт-Петербурга / А.С. Николаев, И.В. Егорова, Д.В. Сергеев // Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в СанктПетербурге в 2005 году. СПб. 2006. С. 188-196. 5 Бажин Н.П. Итоги комплексных геомеханических исследований кембрийских глин / Н.П. Бажин // Межвузовский сборник научных трудов «Устойчивость и крепление горных выработок». СПб.: СПбГГИ, 1999. С. 58-61. 6 Флорин В.А. Основы механики грунтов / В.А. Флорин. М.: 1959. Т. I. 356 с. 7 Флорин В.А. Основы механики грунтов / В.А. Флорин. М.: 1961. Т. II. 543 с. 8 Цытович Н.А. Механика грунтов / Н.А. Цитович М.: Высшая школа, 1983. 288 с. 9 Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Учебное пособие для вузов. 2-е изд. перераб. и доп. / В.Д. Ломтадзе. Л.: Недра, 1990. 328 с. 132 10 Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства / Н.Н. Маслов. М.: Стройиздат. 1977. 320 с. 11 Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н.Н. Маслов. М.: Высш. школа, 1982. 511 с. 12 Вялов С.С. О физической сущности процессов деформирования и разрушения глинистых грунтов / С.С. Вялов, Н.К. Пекарская, Р.В. Максимяк // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1970. №1. С.7-9. 13 Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов / М.Н. Гольдштейн. – М.: Стройиздат, 1973. 304 с. 14 Булычев Н.С.. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев. М.: Недра, 1981. 270 с. 15 Протодьяконов М.М. Давление горных пород на рудничное крепление / М.М. Протодьяконов. ГОНТИ, 1933. 128 с. 16 Протосеня Пространственные Ю.Н. Огородников, А.Г. модели Механика и подземных мониторинг П.А. Деменков, / М.А. Карасев, сооружений. А.Г. Протосеня, М.О. Лебедев, Д.А. Потемкин, Е.Г. Козин. СПб.: СПГГУ-МАНЭБ, 2011. – 355 с. 17 Протосеня А.Г. Механика подземных сооружений: Учебное пособие / А.Г. Протосеня, М.А. Карасев. СПб.: РИЦ Горного университета, 2013. 113 с. 18 Баклашов И.В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей / И.В. Баклашев, Б.А. Картозия. М.: Недра, 1984. 415 с. 19 Левченко А.Н. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды / А.Н. Левченко, В.Т. Лернер, Е.В. Петренко, И.Е. Петренко. – М.: ТИМР, 2002. 406 с. 20 Абрамов С.К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве / С.К. Абрамов. М.: Стройиздат, 1973. 47 с. 133 21 Ильичев, В.А. Геотехнические проблемы в подземном строительстве / В.А. Ильичев // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2004. - №4. С. 2-4. 22 Ивахнюк В.А. Строительство и проектирование подземных и заглубленных сооружений. - М.: Ассоциация строительных Вузов, 1999. 298с. 23 Голубев Г.Е. Подземная урбанистика / Г.Е. Голубев. М.: 1979. 232 с. 24 Голубев Г.Е. Многоуровневые транспортные узлы / Г.Е. Голубев. – М.: Стройиздат, 1981. – 152 с. 25 Голубев Г.Е. Автомобильные стоянки и гаражи в застройке городов / Г.Е. Голубев. М.: Стройиздат, 1988. 252 с. 26 Меркин В.Е. Прогрессивный опыт и тенденции развития современного тоннелестроения / В.Е. Меркин, Л.В. Маковский. М.: ТИМР, 1997. 192 с. 27 Волков В.П. Тоннели и метрополитены / В.П. Волков, С.Н. Наумов, А.Н. Пирожкова, В.Г. Храпов. – М.: Транспорт, 1975. 551 с. 28 Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения // Л.В. Маковский. М.: Стройиздат, 1985. 439 с. 29 Шилин А.А. Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте: Учеб. пособие / А.А. Шилин, М.В. Зайцев, И.А. Золотарев, О.Б. Ляпидевская. Тверь: издательство «Русская торговая марка», 2003. 396 с. 30 Маковский Л.В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей / Л.В. Маковский. М.: Транспорт, 1993. 352 с. 31 тоннелей Маковский мелкого Л.В. заложения Эффективная / технология Л.В. Маковский, Транспортное строительство. 1984. № 3. С. 19 - 21. строительства А.В. Лушников // 134 32 Власов С.Н. Применение экранов из труб при строительстве тоннелей / С.Н. Власов, В.А. Ходиш, С.Э. Черняховский // Транспортное строительство. 1980. № 5. С. 51 - 53. 33 СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. М., 2011. 34 СП 162 с. 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция 2.01.07-85* (утвержден приказом Минрегион России от 27 декабря 2010 г. N 787 и введен в действие с 20 мая 2011 г). 35 ГОСТ 24846-81 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений. М., 1981. 36 СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М.: ГУП НИИЖБ Госстроя России, 2004, с.24. 37 СП 70.13330.2012. Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87 (утв. Приказом Минрегиона России от 25.12.2012 N 109/ГС). 38 СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. Госстрой России. 1М.: ГУП ЦПП, 2001. С. 48. 39 Справочник проектировщика. Сложные основания и фундаменты. М.: Издательство литературы по строительству, 1969. 272 с. 40 Проектирование подпорных стен и стен подвалов. Справочное пособие к СНиП. М.: Стройиздат, 1990. – 101 с. 41 ТСН 50-302-2004 Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. СПб., 2004. 63с. 42 Пособие по проектированию мероприятий для защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горнопроходческих работ при строительстве метрополитена / ВНИИТ, Ленингр. отд. Л.: Стройиздат, 1977. 71 с. 135 43 Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика / Е.А. Сорочан, Ю.А. Трофименкова. – М.: Стройиздат, 1985. 470 с. 44 СНиП 2.01.09-91 Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. М., 1992. 45 Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. – М.: ГУП «НИАЦ», 2004. 135 с. 46 Колыбин И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве котлованов в городских условиях / И.В. Колыбин // «Развитие городов и геотехническое строительство». М., С.-Пб., 2008. № 12. С. 90-124. 47 Бразилии Гонсалвес Е.Х.С. Наклонившиеся здания города Сантос в /Е.Х.С. Гонсалвес // Развитие городов и геотехническое строительство. СПб.: Изд-во «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2005. №9. С.132-155. 48 Власов С.Н. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С.Н. Власов, Л.В. Маковский, В.Е. Меркин. М.: ТИМР, 2002. – 183 с. 49 Петрухин В.П. Геотехнические проблемы строительства в Москве - крупнейшем мегаполисе России / В.П. Петрухин // Геотехнические проблемы мегаполисов. СПб.: Изд-во «Группа компаний Геореконструкция», 2010 Т.1, С. 259. 50 Колыбин И.В. Подземные сооружения и котлованы в городских условиях – опыт последнего десятилетия. – М.: Российская геотехника – шаг в ХХI век. Труды юбилейной конференции, посвященной 50-тилетию РОМГГиФ, 2007, на CD диске. – 34 с. 51 Ильичев В.А. Расчет и проектные решения по геотехнике при строительстве Центрального ядра ММДЦ «Москва-Сити» / В.А. Ильичев, В.П. Петрухин, Б.Ф. Кисин, А.Б. Мещанский, И.В. Колыбин. – М.: НИИОСП 136 им. Н.М.Герсеванова – 70 лет. Труды института, Изд. «Экономика Строительство Транспорт», 2001. С. 61-69. 52 Колесников B.C. Возведение подземных сооружений методом «стена в грунте». Технология и средства механизации: Учебное пособие / В.С. Колесников, В.В. Стрельникова. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 1999. 144 с. 53 Картозия Б.А. и др. Шахтное и подземное строительство в 2 т. Том 1. М.: МГТУ, 2003. 732 с. 54 Смородинов М.И. Строительство заглубленных сооружений. Справочное пособие / М.И. Смородин. М .: Стройиздат, 1993. 209 с. 55 Моррисо Г. «Мариинский театр-II» – крупнейший проект Санкт- Петербурга / Г. Моррисо, В.М. Улицкий, В.А. Ильичев, А.Г. Шашкин, Л.Я. Гладштейн, М.И. Богданов, М.И. Нейзберг, В.Н. Парамонов, Г.Ф. Левин, В.А. Васенин // геотехническое строительство. К.Г. Шашкин, Реконструкция городов и СПб.: Изд-во «Геореконструкция- Фундаментпроект», 2005. №9. С. 181-202. 56 Петрухин В.П. Геотехнические особенности строительства московского международного делового центра (ММДЦ) «Москва-Сити» / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев // Развитие городов и геотехническое строительство. СПб.: Изд-во «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2008. №12 . 54-89. 57 Преображенский С.П. «Стена в грунте»: устройство ограждения котлована по варианту буросекущиеся сваи / С.П. Преображенский // Метро и тоннели. 2006. №1. С. 38-39. 58 Малинин А.Г., Малинин П.А. Строительство технологических шахт с помощью струйной цементации / А.Г. Малинин, П.А. Малинин // Метро и тоннели. 2006. №1. С. 40-43. 59 Малинин А.Г., Малинин П.А. Применение струйной цементации / А.Г. Малинин, П.А. Малинин // Метро и тоннели. 2003. №3. С. 16-18. 137 60 Преображенский С.П. Опыт сооружения обделки тоннелей с применением «стена в грунте» / С.П. Преображенский // Метро и тоннели. 2006. №2. С. 28-30. 61 Малинин А.Г. Применение технологии струйной цементации грунтов в транспортном строительстве / А.Г. Малинин // Метро и тоннели. 2001. №6 С. 16-18. 62 Богов С.Г. Исследование прочностных свойств грунтов, закрепленных по струйной геотехнологии. Некоторый опыт строительства на слабых грунтах / С.Г. Богов // Интернет-журнал «Реконструкция городов и геотехническое строительство». 2000. № 2. С. 66-70. 63 Малинин А.Г. Обоснование расхода цемента при струйной цементации грунта // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 2003, №2-3. – 9 с. 64 условиях Ильичев В.А. Прогноз деформаций зданий вблизи котлованов в плотной городской застройки Москвы / В.А. Ильичев, П.А. Коновалов, Н.С. Никифорова // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2004. № 4. С.17-21. 65 Ильичев В.А. Исследование влияния строящихся заглубленных сооружений на деформации близрасположенных зданий / В.А. Ильичев, П.А. Коновалов, Н.С. Никифорова // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002. № 4. – С. 8-11. 66 Буценко В.О. Исследование поведения и взаимного влияния крепления котлована и прилегающего к нему грунтового массива / В.О. Буценко // Метро и тоннели. 2014. №2. С. 32-34. 67 подземных Улицкий В.М. Расчетная оценка взаимного влияния зданий и сооружений/ В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин, В.А. Васенин // Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб.: Изд-во «Геореконструкция – Фундаментпроект», 2004. №8. С.6882. 138 68 Улицкий В.М. Деформирование основания при устройстве глубоких котлованов: сравнение различных методов расчета с данными натурных наблюдений М.Б. Лисюк, / В.А. Васенин В.М. Улицкий, // Развитие А.Г. Шашкин, городов и К.Г. Шашкин, геотехническое строительство. СПб.: Изд-во «Геореконструкция – Фундаментпроект», 2008. №12. С.29-53. 69 Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение развития городов (практическое пособие по проектированию зданий и подземных сооружений в условиях плотной городской застройки) / В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин. - СПб.: Стройиздат Северо-Запад», Группа компаний «Геореконструкция», 2010. 551 с. 70 Брандль Х. Разрушение глубокого котлована в условиях городской застройки // Развитие городов и геотехническое строительство / Х. Брандль. СПб.: Изд-во «Геореконструкция – Фундаментпроект», 2008. №12. С.170-179. 71 Peck R.B. Deep excavation and tunneling in soft ground // Proceedings of the 7th international conference on soil mechanics and foundation engineering. Mexico City. State of the art Volume, 1969. Р. 225-290. 72 Sugimoto. Prediction for the Maximum Settlements of Ground Surface by Open Cut // Proceedings of Japan Society of Civil Engineers, 1986. № 373. VI-5. 73 Bowles J.E. Foundation Analysis and Design, 4th edition. McGraw- Hill Book Company. New York, 1988. Vol. 91. Р. 79-99. 74 Clough G.W., O’Rourke T.D. Cunstruction-induced meovements of in-situ walls // Design and Performance of Earth Retaining Structures, Ithaca, N.Y. ASCE, 1990. SP №25. Р. 439-470, 75 Парамонов В.Н. Метод конечных элементов при решении нелинейных задач геотехники / В.Н. Парамонов. - СПб.: Группа компаний «Геореконструкция», 2012. 262 с. 139 76 Габдрахманов Ф.Г. Исследование напряженно- деформированного состояния при откопке котлованов. – Автореферат диссертации к.т.н. Л.: ЛИСИ, 1990. 24с. 77 Малый И.М. Анкерное крепление котлованов / И.М. Малый, П.А. Маслов // Метро и тоннели. 2006. №1. С. 34-37. 78 Стаин А.В. Устойчивость траншей для контрфорсных «стен в грунте» / А.В. Стаин // Метро и тоннели. 2006. №3. С. 34-35. 79 Finno R.J., Harahap I.S. Finite element analysis of HDR-4 excavation // Journal of Geotechnical Engineering. ASCE, 1991. Vol. 117. № 10, Р. 1590-1609. 80 NG C.W.W., Lings M.L. Effects of modeling soil nonlinearity and wall installation on back analysis of a deep excavation in stiff clay // Journal of Geotechnical Engineering, v. 121, (10), ASCE, 1995. Р. 687-695. 81 Ou C.Y., Yang L.L. Ground movement induced by the construction of diaphragm wall // Geotechnical Research Report № GT200005. Department of construction engineering. National Taiwan University of Science and Technology. Taipei. Taiwan. R.O.C., 2000. Р. 689-698. 82 Woo S.M. Method, design and construction for buildings protection during deep excavation // Sino-Geotechnics, 1992. №40. Р. 51-61, 83 Петрухин В.П. Опыт проектирования и мониторинга подземной части Турецкого торгового центра / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачева // Основания, фундаменты и механика грунтов. - М., 2004. № 5 С. 2-8. 84 Пинто А. Театр Сирко: работы по укреплению фундаментов при увеличении подземного пространства Столетнего Театра / А. Пинто, М. Гувэйа // Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб., 2003. №7. С. 169-174. 85 Улицкий В.М. Подземные сооружения в условиях плотной городской застройки на слабых грунтах / В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин // 140 Развитие городов и геотехническое строительство. СПб.: Изд-во «Геореконструкция – Фундаментпроект», 2008. №12. С.19-28. 86 D.T. Goldberg, W.E. Jaworski, M.D. Gordon. Lateral support systems and underpinning. Volume 1. Design and construction / Federal Highway Administration Report FHWA RD. 1976. Р. 75-128. 87 David Jim Bentler., Finite Element analysis of deep excavations, Дисс. канд. техн. наук: Научная библиотека диссертаций и авторефератов, 1998. 296 с. 88 Moormann C. Analysis of wall and ground movements due to deep excavations in soft soil based on a new worldwide database // Soils and Foundations, 2004. 44(1). Р. 87–98. 89 ВСН 160-69. Инструкция по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей. М., 1969. 103 с. 90 РД 07-166-97 Инструкция по наблюдениям за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней. М., 1997. 36 с. 91 Саммаль А.С. Оценка напряженного состояния обделок коллекторных тоннелей, восстанавливаемых бестраншейным способом в условиях городской застройки / Саммаль А.С., Лещева О.М., Фотиева Н.Н. // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Тула: Изд. ТулГУ, 2013. №11. С.361-367. 92 подземного Саммаль А.С. Оценка остаточного ресурса бетонной обделки сооружения по измеренным значениям конвергенции / В.Д. Барышников, П.В. Деев, А.С. Саммаль // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Екатеринбург, 2012. № 3. С. 49-54. 93 Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов: монография / Б.И. Дидух. – М.: УДН, 1987. 166 с. 94 Степаненко С.В. Численное моделирование деформирования грунтового массива при сооружении насосной камеры под защитой буросекущих свай / С.В. Степаненко, М.Г. Попов // Освоение минеральных 141 ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 10-ой Межрегиональной научно-практической конференции. Воркута, 2012. Т.1. С. 116-119. 95 массива Степаненко С.В. Методика прогноза смещений грунтового при строительстве подземного сооружения под защитой ограждающей стены / С.В. Степаненко, М.Г. Попов // Записки Горного института. СПб.: РИЦ Горного университета, 2012. Т.199. С. 55-59. 96 Степаненко С.В. Моделирование работы конструкций заглубленного подземного сооружения / С.В. Степаненко, А.Г. Протосеня, Д.А. Потемкин // Записки Горного института. СПб.: РИЦ Горного университета, 2012. Т.199. С. 180-184. 97 Степаненко С.В. Исследование смещений стены из буросекущих свай при строительстве котлована. Записки Горного институт / С.В. Степанеко // СПб.: РИЦ Горного университета, 2012. Т.199. С. 196198.
