CC BY
54
УДК 69.035.4:624.1
Д.А. Потёмкин, канд. техн. наук, доц., +7-921-586-9961, potymkin@list.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГГИ),
П.А. Деменков, канд. техн. наук, доц., +7-905-258-0355, dem-petr@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГГИ),
М.А. Карасев, канд. техн. наук, доц., +7-921-343-6596, blind2006@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГГИ)
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОКРУГ ПОДЗЕМНЫХ И ЗАГЛУБЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Рассмотрены вопросы формирования напряженно-деформированного состояния подземных и заглубленных объектов городского хозяйства, а также особенности их взаимного влияния. Приведены некоторые результаты численного моделирования работы характерных для условии Санкт-Петербурга элементов сооружении.
Ключевые слова: подземные объекты, взаимное влияние, напряженно-деформированное состояние.
Современные мегаполисы активно осваивают подземное пространство, при этом интенсивно происходит застройка новых городских территорий и реконструкция старых зданий и сооружений в соответствие с существующими хозяйственными потребностями. К настоящему времени инженерами накоплен обширный опыт проектирования различных наземных, заглубленных и подземных городских сооружений.
Однако в последние десятилетия, задача обеспечения надежной эксплуатации различных объектов осложняется их взаимным влиянием в условиях плотной городской застройки. Обилие разнотипных взаимо-влияющих объектов создает серьезную техногенную нагрузку как на сами сооружения, так и на вмещающие их породно-грунтовые массивы.
Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния таких массивов зачастую является единственным инструментом, способным дать адекватную качественную и количественную картину работы геомеханической системы «грунтовый массив - элементы наземных и подземных сооружений».
Особенностью инженерно-геологических условий строительства в Санкт-Петербурге является наличие мощной толщи четвертичных отложений слабых дисперсных грунтов. При этом мощность грунтовой толщи, не пригодной для использования в качестве основания для наземных объектов может составлять порядка 20...35 м, а большинство объектов городского метрополитена расположены на глубине 40.60 м от поверхности в плотных сухих кембрийских глинах, имеющих приемлемые для таких целей прочностные показатели. Одним из распространенных типов фунда-
ментов надземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях является свайный фундамент.
Прогнозирование смещений грунтового массива обычным методом послойного суммирования может привести к большим погрешностям. Расчеты напряженно-деформированного состояния грунтового массива, содержащего элементы свайного фундамента высотного здания, выполнены методом конечных элементов.
Рассмотрено взаимодействие основания и наземной части высотного здания (размеры в плане 26,0*33,0 м, высота около 65 м). Здание состоит из двух объемов разной высоты, что приводит к различным нагрузкам отдельных участков на основание.
Сваи имеют длину 24 ми сечение в плане 0,35*0,35 м; общее число свай - 264 шт. Ростверк представляет собой железобетонную плиту толщиной 0,7 м. Размеры рассматриваемой части грунтового массива: длина (по оси 7) - 200 м, ширина (по оси X) - 200 м и высота (по оси У) - 100 м (рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент конечно-элементной модели грунтового массива, вмещающего свайный фундамент
Во время строительства здания и после его завершения велись наблюдения за оседанием фундамента и дневной поверхности. Последние замеры показали, что величины вертикальных смещений достигли значений 8 и 14 см на противоположных краях фундамента. При этом процесс оседания в настоящее время не прекратился, хотя и имеет тенденцию к затуханию. Расчетные величины показали хорошую сходимость с фактическими (замеренными) - 9 и 16 см соответственно. Возможные причины: недостаточная длина свай; нерациональное распределение нагрузки на сваи.
Объектам метрополитена уделяется значительное внимание, а сами объекты относятся к первой категории ответственности. Поведение обделки перегонных тоннелей метрополитенов достаточно хорошо изучены. В основном они представлены сборными обделками, выполненными из
железобетона или чугуна. Раньше обделка перегонных тоннелей рассматривалась, как монолитная сплошная конструкция, а ребра жесткости либо не учитывались, либо вводилось некоторое упрощение. Такой подход несколько искажал реальное поведение конструкции.
Для проведения детального анализа напряженного состояния обделки, разработана объемная конечно-элементная модель обделки и массива. Целью моделирования являлось получение, как можно более полного пред -ставления о характере распределения напряжений в обделки перегонного тоннеля при различных возможных напряженных состояниях.
Напряженное состояние массива задавалось в качестве начальных условий тремя компонентами напряжений ох, ау, о2. Величина вертикальных напряжений оу определялась согласно теории Динника. Величины горизонтальных напряжений ох, о2 определялись коэффициентом бокового распора X. Величина коэффициента бокового распора X = 0,4. Железобетонный тюбинг представляет собой упругий материал, параметры которого задавались эквивалентным модулем упругости и коэффициентом Пуассона. В качестве исследуемого объекта, рассматривалось одно кольцо тюбингов перегонного тоннеля диаметром 5,5 м, нагрузка на который передавалась от вмещающего массива, по схеме взаимодействия “крепь-массив”. Типовые результаты распределения тангенциальных напряжении на внешнем и внутреннем контуре обделки приведены ниже на рис. 2.
а б
Рис. 2. Характерраспределения тангенциальных напряжений на внешнем (а) и внутреннем (б) контурах обделки по центральной оси кольцевогоребра, МПа: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 - при модуле деформации вмещающегомассива 50, 75, 100,150, 200, 400, 800,1300, 1600 МПа
На рис. 3 приведены зависимости изменения напряжений в массиве сложенным нескольким средами для следующих случаев: 1 - тоннель полностью расположен в прочных грунтах (кембрийскии глины или венды); 2 - тоннель полностью расположен в мягких грунтах (верхнекотлинский глины, пески, супеси); 3 - опирание части тоннеля на прочные грунты, и оставшаяся часть тоннеля окружена мягкими грунтами.
ю .сю
а
Расстояние по внутреннему периметру обделки, м
б
в
Рис. 3. Распределение тангенциальных напряжений по внутреннему контуру обделки
Характер распределения тангенциальных напряжений по внутреннему контуру обделки: а - половина перегонного тоннеля расположена в прочных грунтах, половина перегонного тоннеля расположена в мягких грунтах; б - треть перегонного тоннеля расположена в прочных грунтах, две трети перегонного тоннеля расположена в мягких грунтах; в - две трети перегонного тоннеля расположена в прочных грунтах, треть перегонного тоннеля расположена в мягких грунтах; 1 - Б8 = 25, Ба = 500; 2 - Б8 = 50, Ба = 500; 3 - Б8 = 100, Ба = 500; 4 - Б8 = 150, Ба = 500, (Б8 - величина модуля деформации мягкого грунта, МПа; Ба - величина модуля деформации прочного грунта, МПа)
Анализ полученных результатов показал, что волнообразное распределение напряжений по контуру обделки согласуется с его геометрией, в то время как результаты распределения напряжений на контуре обделки полученные по упрощенным методам дают гладкую эпюру напряжений. Таким образом, приведенная выше постановка решения задачи является перспективной и с ростом производительности вычислительной техники, позволит перейти к анализу не только одиночного кольца обделки, но и моделировать последовательность строительства тоннеля.
Еще более сложными и дорогостоящими объектами подземного городского строительства являются станции метрополитена. Для их качественного расчета требуется учет большого количества факторов, оказывающих, в той или иной степени, влияние на формирование НДС несущих конструкций. Длительные натурные исследования показали, что основным таким фактором, помимо физико-механических свойств вмещающего массива и конструкций, является технология строительства станций (рис. 4).
Рис. 4. Размещение струнных датчиков и мерных баз на гранях колонны и графикразвития напряжений на разных гранях стальной колонны в процессе сооружения станции
Численное моделирование методом конечных элементов позволило рассчитать трехмерные конструкции станций на различных этапах их сооружения (рис. 5 и рис. 6).
Рис. 5. Главныеминимальные напряжения в обделке станции метрополитена пилонного типа на этапе проходки третьего станционного тоннеля, кПа
Рис. 6. Распределение вертикальных напряжений в обделке колонной станции без боковых платформ на этапе завершения строительства, кПа
Нагрузка на обделку тоннелей пилонных станций в связных и пластичных грунтах, обычно принимаемая в расчетах для станций метрополитена равной весу всей вышележащей толщи грунта (уН), представляется отвечающей действительности и по натурным исследованиям и по численному моделированию. Перемычки над проемами пилонных станций, оказались меньше загружены, чем предполагается аналитическим расчетом. Частичная разгрузка перемычек за счет пригрузки пилонов подтверждается также натурными наблюдениями.
На практике наибольший интерес представляет определение вертикальной нагрузки на обделку станции. Результаты численного моделирования показали, что её распределение носит неравномерный характер (рис. 7).
а
Рис. 7. Общий каркасный вид модели (а) и эпюра вертикальных смещений (б)
В условиях развитой городской застройки и интенсивного освоения подземного пространства современных мегаполисов часто приходится решать сложные задачи взаимодействия различных сооружений. Средняя величина вертикальной нагрузки на колонные станции составила 80 % от веса полного столба породы над станцией (0,8 уН).
Строительство наземных зданий, имеющих глубокие свайные фундаменты (до 30 ми более), оказывает значительное влияние на подземные-объекты. В связи с этим возникает необходимость решения сложных задач взаимодействия разнотипных сооружений. Оценка параметров напряженно-деформированного состояния грунтового массива, содержащего элементы станционного комплекса метро и свайного фундамента торговоразвлекательного комплекса, произведена также методом конечных элементов.
Размеры рассматриваемой части грунтового массива: длина (по оси X) - 240 м, ширина (по оси Z) - 180 ми высота (по оси Y) - 87 м. Массив вмещает (рисунок 8): часть станции колонного типа метрополитена, участки перегонных тоннелей (внешний диаметр 5,5 м с типовой железобетон-
ной обделкой), натяжную камеру (железобетонная обделка диаметром 9,8 м); эскалаторный тоннель (обделка из чугунных тюбингов, диаметр -8,5 м; длина эскалаторного тоннеля - 80 м, угол наклона к горизонту - 30°. Расстояние от поверхности до оси станции - 40 м). Над устьем эскалаторного тоннеля располагается вестибюль, дающий пригрузку 12 т/м на занимаемую площадь.
Принятые параметры свай: диаметр - 0,6 м, длина - 25 м. Размеры кустов свай и их расположение принято в соответствие с базовым проектом; кусты состоят из четырех свай (несколько кустов - из пяти). Расстояния между центрами свай - 1,45 м (в нескольких кустах - 2,75 м).
Часть свай объединялась в кусты с количеством более 12 шт., общее количество свай составило 488 шт. Свайные кусты, приходившиеся по базовому проекту на эскалаторный тоннель, вынесены на расстояние 3 м (по нормали) от обделки. Расстояние от конца 25-метровых свай до обделки перегонных тоннелей составило 7 м. Десятиэтажное здание многофункционального комплекса имеет размеры в плане 123*67 м и высоту около 40 м.
Размеры мульды оседания в плане (зона влияния): 220 м по продольной оси здания, 190 м - по поперечной оси. Зона наибольших оседаний (11,5.17,0 см) находится в центре свайного поля. Отдельно следует сказать о напряжениях в области кровли и почвы перегонных тоннелей, значения которых достигают предельных величин. Кроме того, в местах сопряжения перегонных тоннелей с эскалаторным тоннелем появляются значительные растягивающие напряжения, разрушающие обделку.
Моделирование показало, что сооружение наземного комплекса с предложенной схемой свайного поля окажет разрушающее действие на перегонные тоннели и станцию метрополитена. Чтобы снизить влияние фундамента на подземные выработки необходимо вынести сваи в стороны за пределы перегонных тоннелей. Пролет между ограждающими тоннель сваями в таком случае составит около 25 м, что потребует использования дополнительных конструкций. В качестве альтернативы может быть рассмотрен плитный коробчатый фундамент, который уменьшит давление на грунты основания и снизит нагрузку на станционный комплекс.
D. Potyomkin, P. Demenkov., M. Karasev
Stress-strain state around underground and shallow urban structures Stress and strain state of underground and shallow urban structures and interaction between them is considered in the article. Results of numerical modelingfor typical structures relevant to Saint-Petersburg conditions are given.
Key words: underground objects, reciprocal influence, mode of deformation.
Получено 22.09.10
