CC BY
154
УДК 692.1; 69.035
МЕТОД ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УСТРОЙСТВЕ КОТЛОВАНОВ В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПОСОБА «СТЕНА В ГРУНТЕ»
П.А.ДЕМЕНКОВ, Л.А.ГОЛДОБИНА, О.В.ТРУШКО
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
В статье предложен метод прогноза деформации земной поверхности при устройстве котлованов в условиях плотной городской застройки с применением способа «стена в грунте», основанный на моделировании методом конечных элементов.
Приведены результаты численного моделирования строительства полузаглубленного сооружения под защитой «стены в грунте». Выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния в зависимости от параметров стены и физико-механических свойств грунтов. В работе приведены мульды оседаний поверхности при строительстве котлована способом «стена в грунте», эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, возникающих в стене.
Для оценки расхождения результатов моделирования в плоской и объемной постановке задачи выполнены численные эксперименты в Plaxis 2D и 3D.
Ключевые слова: котлованы; оседания; стена в грунте; смещения; грунты; полузаглубленные подземные сооружения; метод конечных элементов
Как цитировать эту статью: Деменков П.А. Метод прогноза деформации земной поверхности при устройстве котлованов в условиях плотной городской застройки с применением способа «стена в грунте» / П.А.Деменков, Л.А.Голдобина, О.В.Трушко // Записки Горного института. 2018. Т. 233. С. 480-486. DOI: 10.31897/РМ1.2018.5.480
Введение. Уменьшение свободной наземной территории для застройки и развития транспортной инфраструктуры, инженерных систем и обеспечения местами парковки личного автотранспорта требуют в мегаполисах и крупных города все более активного использования подземного пространства, что приводит к необходимости устройства глубоких котлованов и строительства полузаглубленных сооружений в условиях плотной застройки. Освоение подземного пространства городов осуществляется как открытым, так и закрытым способом [2, 12].
Интенсивное освоение подземного пространства городов в условиях плотной городской застройки может оказывать негативное воздействие на нее [3, 4, 6-9,13]. Для снижения негативного влияния при строительстве полузаглубленных сооружений на основание и фундаменты соседних зданий наиболее эффективным является «стена в грунте», которая позволяет минимизировать воздействие на окружающую застройку [1, 5, 6].
Анализируя результаты работ [5, 11], посвященных расчету и натурным наблюдениям за строительством глубоких котлованов, можно выделить следующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на формирование напряженно-деформированного состояния ограждающих конструкций и вмещающего массива: инженерно-геологические условия строительства, глубина сооружения и жесткость ограждающих конструкций.
Метод прогноза деформации земной поверхности при устройстве котлованов. Деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения могут вызвать повреждения зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния. Прогноз перемещений грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений способом «стена в грунте» в условиях плотной городской застройки является важной и сложной задачей.
Наиболее полную картину деформирования грунтового массива при сооружении полузаглубленного сооружения можно получить при использовании численных методов анализа. Алгоритм расчета полузаглубленных подземных сооружений представлен на рис.1.
В первую очередь при подготовке исходных данных задаются характеристики грунтового массива. Особую осторожность необходимо проявлять при оценке результатов инженерно-геологических изысканий, так как часто лабораторные испытания не проводятся, а характеристики грунтов принимаются по нормативным документам, но даже при проведении лабораторных испытаний их результаты могут существенно отличаться от реальных характеристик грунтов. Это связано прежде всего с влиянием строительных работ на гидрогеологическую ситуацию строительной площадки и ее окрестности и масштабным эффектом.
П.А.Деменков,Л.А.Голдобина, О.В.Трушко
Метод прогноза деформации земной поверхности...
Численное моделирование
Подготовка исходных данных
Выбор модели грунта
Разработка расчетной схемы сооружения
Задание параметров модели
Обработка результатов
Величина вертикальных перемещений поверхности
Величина горизонтальных перемещений поверхности
Наклон поверхности (радиус кривизны)
Аналитическая обработка результатов
Оценка существующих зданий
Конструктивная схема здания
Геометрические параметры здания
Расположение здания относительно котлована
Техническое состояние здания
Оценка влияния строительства полузаглубленного сооружения на существующую застройку
Выделение безопасной зоны строительства
Определение степени воздействия
Мероприятия по усилению зданий
Мероприятия по снижению негативных воздействий
Рис. 1. Алгоритм расчета полузаглубленных подземных сооружений
Сегодня существует большое количество моделей поведения грунта. Они отличаются как сложностью, объемом входных данных, так и областью применения к конкретным грунтам. Выбранная модель грунта должна соответствовать реальному поведению грунта. Для песчаных и глинистых грунтов наиболее точные результаты показала модель упрочняющегося грунта (Hardening soil model).
Разработка расчетной схемы подразумевает задание жесткостных характеристик несущих конструкций, узлов их сопряжения и определение этапности возведения сооружения. При этом особое внимание следует уделять осушению котлована, так как оно способно существенно менять физико-механические свойства грунтов.
По результатам численного моделирования выполняется их аналитическая обработка. Проводится аппроксимация полученных зависимостей оседаний, горизонтальных перемещений поверхности, изгибающих моментов и перерезывающих сил в несущих конструкциях и т.д. при изменении характеристик вмещающих грунтов или элементов крепления. Полученные формулы могут использоваться для оперативного инженерного расчета котлованов, а также при возникновении нештатных ситуаций, что повышает безопасность строительства.
Все здания, попадающие в зону влияния строительства котлована, должны обследоваться на предмет оценки технического состояния. Составляется таблица обследуемых зданий и сооружений с указанием категорий технического состояния, их особеностями и рекомендациями по усилению (ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния).
Степень воздействия на окружающую застройку зависит от расстояния до здания или сооружения, наклона и радиуса кривизны поверхности и определяется мульдой оседания. При выделении безопасной зоны строительства необходимо учитывать особенности зданий и сооружений существующей застройки.
Самими опасными для зданий и сооружений являются неравномерные оседания. Здания с монолитным железобетонным несущим каркасом обладают наибольшей жесткостью. Предельная относительная разница в осадках для них составляет 0,0024, для крупнопанельных бескаркасных без
Использование искусственного закрепления грунта в основании соседней застройки
Передача давления от вновь возводимого здания на подстилающие малосжимаемые грунты с минимальными динамическими воздействиями при строительстве
Усиление соседней застройки буроинъекционными или вдавливаемыми сваями
Применение разделительной стенки из буровых свай или шпунта, погруженного вдавливанием в подстилающие мало-сжимаемые грунты
Использование заранее предусматриваемых специальных средств для выравнивания либо усиления конструкций соседней застройки
Проведение защитных технологических мероприятий при производстве строительных работ
Предварительное усиление конструкций соседней застройки в зоне риска для снижения неравномерности дополнительных оседаний
Облегчение конструкций нового здания или сооружения, особенно на участках примыкания
Использование консольного подхода нового здания к соседней застройке
Рис.2. Классификация мероприятий, направленных на снижение негативных воздействий от строительства
на соседнюю застройку
непрерывных арматурных поясов - 0,0015 (ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге). Коробчатые фундаменты обеспечивают наибольшую жесткость зданий и имеют самые большие предельные оседания (20-30 см) по сравнению с другими типами фундаментов.
Ширина, длина и высота являются основными геометрическими параметрами здания и по величине их отношений можно судить об устойчивости зданий. Здесь выделяются два основных типа: протяженные здания и здания башенного типа. В протяженных зданиях предельные оседания меньше, но допускается больший крен по сравнению со зданиями башенного типа.
Здание по отношению к котловану может быть ориентировано под разным углом относительно большей оси здания. Предпочтительно перпендикулярное или параллельное расположение здания. Величина оседаний также напрямую зависит от расстояния до котлована.
Если совместные деформации оснований и конструкций соседней застройки превышают допустимые пределы, то проводят различные мероприятия, направленные на улучшение характеристик грунта и повышение жесткости здания или его приспособление к неравномерным воздействиям (рис.2). Разделение по категориям выполнено условно.
Апробация метода. Были выполнены численные эксперименты в плоской и объемной постановке с использованием программного комплекса Plaxis 2D и Plaxis 3D. Рассмотрено три варианта сооружения глубокого котлована (рис.3). Каждый вариант предполагает расчет с тремя различными жесткостными показателями «стены в грунте». При моделировании в плоской постановке были приняты следующие геометрические параметры вмещающего массива: ширина 200 м, высота 40 м. Задача симметричная относительно оси центра котлована. Запрещены перемещения низа модели по оси У и бока модели по оси X.
Ширина котлована для плоской модели 20 м. Длина котлована в объемной постановке задачи принималась 30; 35 и 40 м. Для предотвращения горизонтальных смещений стенок котлована использовалась «стена в грунте», выполненная из бетона В40 толщиной 800; 600 и 400 мм. Для повышения ее жесткости применяется распорная система с шагом 5 м по глубине. В зависимости от глубины расположения яруса менялась жесткость распорок: 1-й ярус - Е1; 2-й - 2Е1; 3-й - 3Е1; 4-й - 1,5Е1. В качестве распорки первого яруса служила стальная труба диаметром 500 мм из стали шириной 10 мм. Уровень грунтовых вод понижался на 1 м ниже дна котлована на всех этапах вычислений.
Грунты оснований зданий и сооружений могут существенно различаться в различных регионах страны. В связи с этим при моделировании рассмотрены грунты, характеризуемые раз-
Рис.3. Варианты моделей котлована: а-в - котлован глубиной 19; 9 и 5 м соответственно, консольная схема;
- этапы разработки котлована
личным коэффициентом пористости е: четыре варианта глинистых (модель 1 - е = 0,85, ..., модель 4 - е = 0,55) и четыре варианта песчаных (модель 1 - е = 0,75, ., модель 4 - е = 0,45). В общей сложности было выполнено около 100 расчетов.
Для расчетов была принята упруго-пластическая модель упрочняющегося грунта, учитывающая изменение свойств при малых деформациях, которая получила широкое распространение при прогнозе деформаций грунтового массива в окрестности подземных сооружений. Апробация этой геомеханической модели, проведенная отечественными и зарубежными исследователями, показала, что представленная геомеханическая модель дает более точные результаты при выполнении прогноза формирования напряженно-деформированного состояния в системе «полузаглубленное подземное сооружение - существующая застройка». Расчет велся на недренированное состояние грунтов с учетом естественной скорости фильтрации и распределения порового давления.
Основные результаты моделирования в плоской постановке для глинистых грунтов с коэффициентом пористости представлены на рис.4.
Из графиков видно, что зона влияния строительства глубокого котлована достигает 60-65 м для всех моделей. При этом максимальная величина оседаний поверхности и кривизна мульды сдвижения значительно отличаются для разных вариантов расчета. Таким образом, можно сделать вывод, что степень воздействия строительства на здания, попадающие в зону влияния для разных вариантов моделей, будет отличаться.
-0,05
Расстояние, м 40 60
Горизонтальные перемещения стены, м
80
100
-0,08
-0,06
-0,04
-0,02
г-4
1-8 £ о й
-1203
н и
— 16
^-20
б
0
Рис.4. Графики вертикальных (а) перемещений поверхности в глине № 1 с различными толщинами «стены в грунте» (модель 1) и эпюры горизонтальных смещений «стены в грунте» (б) с различными характеристиками глин (модели 1-4) Кривые 1, 4-7 - толщина стены 800 мм; 2 - 600 мм; 3 - 400 мм; 1-4 - е = 0,85; 5 - 0,75; 6 - 0,65; 7 - 0,55
П.АДеменков, Л.А.Голдобина, О.В.Трушко
Метод прогноза деформации земной поверхности...
[•10-3 м] 160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
-20,00
-40,00
игтях = 0,1522 т, и т, = -0,03750 м
Рис.5. Мульды сдвижений земной поверхности при строительстве котлована длиной 40 м в песчаных грунтах (Plaxis 30)
Расстояние, м 30 40 50
70
-0,01
В первом варианте максимальный наклон не превышает 2,7 мм/м, во втором - 1,6 мм/м. Для консольной схемы эта величина составляет около 9 мм/м и наблюдается на расстоянии от 0 до 15 м от ограждения котлована. Для более вытянутого в плане здания такая величина наклона может быть опасной. На большем расстоянии от ограждения котлована (15 м и более) наклон не превышает 1 мм/м и эта зона может считаться условно безопасной. Следовательно, при необходимости возведения полузаглубленного сооружения в непосредственной близости от существующей застройки в нашем случае требуется повысить жесткость ограждающей конструкции за счет усиления распорной системы.
Для оценки расхождения результатов моделирования в плоской и объемной постановке задачи были выполнены численные эксперименты в Plaxis 3Б. Рассмотрены варианты с шириной котлована 20 м и различной длиной 30; 35; 40 м. Все параметры грунтового массива и конструкций задавались аналогично плоским моделям.
Оседания земной поверхности при строительстве котлована длиной 40 м в песчаных грунтах показаны на рис.5.
Кривые вертикальных перемещений поверхности при моделировании в плоской и объемной постановке задачи имеют некоторые различия (рис.6). Максимальная величина оседаний в плоской постановке (4 см) соответствует 3Б-модели с длиной котлована 35 м. При этом экстремум в первом случае находится на расстоянии 15 м от стены, а во втором - 8 м. Для других длин котлована моделирование в плоской постановке дает завышенные значения по максимальной величине вертикальных перемещений поверхности. Большое оседание поверхности по графику в объемной модели с длиной котлована 35 м по сравнению с котлованом 40 м связано с расстановкой распорок. Графики строились в разрезе по центру котлована и в моделях 30 и 40 м он попал на распорки, а в модели 35 м - между распорками.
Обсуждения. Большой интерес представляет анализ наблюдений за деформациями грунтового массива в окрестности подземного сооружения, расположенного в слабых грунтах (си < 75 кПа), выполненных Мурманом [10]. Анализ результатов более чем 500 наблюдений показал, что в зависимости от объекта строительства горизонтальные смещения стены изменяются от 0,5 % Н (Н - глубина котлована) до 1,0 % Не. Среднее значение горизонтальных смещений 0,87 % Н. Максимумы горизонтальных смещений располагаются на расстоянии от 0,5 до 1,0Н от поверхности земли. Максимальные величины вертикальных смещений земной поверхности находятся в диапазоне от 0,1 до 10 % Н. Среднее значение максимальных вертикальных смещений земной поверхности 1,1 % Н. Максимальное значение вертикальных смещений земной поверхности наблюдается на расстоянии до 0,5 % Н, однако отмечены случаи, когда значение максимальных оседаний земной поверхности удалено на расстояние до 2 % Н.
0,01
8 н о о X
й а
Щ
и о с
'§ -0,02 я
в
-0,03
я
§ -0,04
-0,05
Рис. 6. Графики вертикальных перемещений поверхности (толщина стены 800 мм) в глине № 1 для плоской модели (1) и 30-моделей с различной длиной котлована (2-4 - В = 35; 30 и 40 м соответственно)
Полученные в работе результаты хорошо согласуются с результатами других исследователей. Горизонтальные смещения стены в отношении к глубине котлована для первой и второй схем расчета не превысили 0,53 % Н. Максимальная величина оседаний земной поверхности для первой схемы составила 0,26 % Н, для второй - 0,18 % Н. Консольная схема для данных условий показала большие значения перемещений. Горизонтальные перемещения стены в отношении к глубине котлована для консольной схемы достигли 2,8 % Н. Максимальная величина оседаний земной поверхности для третьей схемы 1,8 % Н. При этом для глинистых грунтов был обеспечен коэффициент запаса устойчивости не менее 1,3. В песчаных грунтах с консольной схемой и принятыми параметрами стены, а также при значительном увеличении толщины и глубины стены обеспечить устойчивость не удалось.
Заключение. Предложенный метод прогноза деформации земной поверхности при устройстве котлованов в условиях плотной городской застройки с применением способа «стена в грунте» позволяет получить полную картину взаимодействия строящегося полузаглубленного сооружения с окружающей застройкой.
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. Это наблюдалось в консольной схеме ограждающих конструкций для песчаных грунтов. Расчетная схема с консольной стеной может быть успешно реализована только при небольшой глубине котлована. Максимальное оседание для котлована с толщиной стены 800 мм составило 91 мм. Горизонтальные смещения поверхности достигли 132 мм.
Применение даже наиболее надежных технологий создания ограждающих конструкций типа «стена в грунте» не позволяет полностью исключить влияние на существующую застройку. Так, максимальное оседание для глубины котлована 19 м достигало 59 мм. Зона влияния строительства распространялась до 60 м (3Н).
Решения в плоской постановке дают завышенные значения зоны влияния по сравнению с трехмерной. Наблюдается почти двукратное расхождение в оседаниях по величине между плоским и объемным решением на расстоянии от стены котлована 22-55 м. Вблизи здания расхождение меньше.
В рамках статьи апробация метода была представлена только частично без детального анализа результатов и оценки влияния на здания.
Благодарность. Исследования выполнены по гранту Российского научного фонда (проект № 16-17-00117).
ЛИТЕРАТУРА
1. Деменков П.А. Прогноз безопасной зоны влияния строительства полузаглубленных подземных сооружений на окружающую среду / П.А.Деменков, Н.А.Беляков, В.И.Очкуров // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 4. С.311-324.
2. Протосеня А.Г. Изучение прочности на сжатие трещиноватого горного массива / А.Г.Протосеня, П.Э.Вербило // Записки Горного института. 2017. Т. 223. С. 51-57. DOI: 10.18454/PMI.2017.1.51
3. Протосеня А.Г. Разработка численной модели прогноза деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленного сооружения в программном комплексе ABAQUS / А.Г.Протосеня, М.А.Карасев // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2014. № 2. С. 2-6.
4. Artola J. A solution to the braced excavation collapse in Singapore // M.Eng. Thesis. 2005. P. 1-86.
5. Clough G. W. Cunstruction-induced meovements of in-situ walls / G.W.Clough, T.D.O'Rourke // Design and performance of earth retaining structures. ASCE special publication. 1990. № 25. P.439-470.
6. Demenkov P.A. Predicting land-surface deformations during the construction of underground facilities of complex spatial configuration / P.A.Demenkov, M.A.Karasev, D.N.Petrov // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2017. Vol. 8. Iss. 11. P. 1161-1171.
7. Demenkov P.A. Emergency Assessment of Semi-Embedded Construction / P.A.Demenkov, N.A.Belakov, V.I.Ochkurov // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. № 21. P. 10698-10707
8. KarlsrudK. Design of deep excavations in soft clays / K.Karlsrud, L.Andresen // Proc. of the 14-th European Conference on SMGE. Madrid. 2007. Vol. 1. P.75-99.
9. Lim P.C. A Floating-Type braced excavation in soft marine clay / P.C.Lim, T.S.Tan // Proc. of Underground Singapore. November, 2003. P. 326-337.
10. Moormann C. Analysis of wall and ground movements due to deep excavations in soft soil based on a new worldwide database // Soils Found. 2004. № 44(1). P. 87-98.
11. 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. P. 225-290.
12. ProtosenyaA.G. Investigating mechanical properties of argillaceous grounds in order to improve safety of development of megalopolis underground space / A.G.Protosenya, M.A.Karasev, D.N.Petrov // International Journal of Applied Engineering Research. Research India Publications. 2016. Vol. 11. Iss. 16. P. 8949-8956.
13. Shirlaw J.N. Deep excavations in Singapore marine clay / J.N.Shirlaw, T.S.Tan, K.S.Wong // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proc. of the 5-th Int. Symposium, Amsterdam, 2005. P. 13-28.
Авторы: П.А.Деменков, д-р техн. наук, профессор, demenkov_pa@pers.spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), Л.А.Голдобина, д-р техн. наук, профессор, goldobina_la@pers.spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), О.В.Трушко, канд. техн. наук, доцент, trushko_ov@pers.spmi.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия). Статья поступила в редакцию 23.01.2018. Статья принята к публикации 01.09.2018.
