CC BY
9
УДК 624:131
В. П. КУПР1Й, Д. В. ТЮТЬКШ (ДПТ)
МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КР1ПЛЕННЯ ГЛИБОКОГО КОТЛОВАНУ
В статп розглянутi питання крiплення глибоких котловашв. На 0CH0Bi моделювання напружено-деформованого стану визначений вплив рiзних пaрaметрiв, таких як кiлькiсть розстршв, вид контрфорсiв, а також запропонований новий спосiб крiплення за допомогою застосування нижнiх зaлiзобетонних в'язей (розтрок) пiд дном котловану.
Ключовi слова: Глибокий котлован, розстрш, контрфорс, моделювання, «стша в грунт», МСЕ
Вступ
При вшх перевагах глибинно! проходки i будiвництва станцiй метрополiтену глибокого розташування в останнi десятилiття все часпше будують лшп мiлкого закладення, а станцп бу-дують вщкритим способом у глибоких котлованах. Використання вiдкритого способу змен-шуе строки будiвництва, знижуе !х складшсть i дозволяе iндустрiалiзувати будiвництво.
Проблема влаштування мiцного i жорсткого кршлення стiнок, здатного стримувати тиск ма-сиву грунту виникла iз початком самого бущв-ництва, як виду дiяльностi. Необхвдно було на-самперед забезпечити стшюсть стiнок котловану вщ руйнування. Останнiм часом ця проблема стае все бшьш актуальною, оскшьки будiвницт-во перш за все ведеться у мютах. 1снують мето-ди крiплення котлованiв вiд руйнування, але вiд перемiщення стiнок досить дiевого, зручного i дешевого методу дос не iснуе.
Найбiльш прогресивним i сучасним е спосiб закршлення стiнок котловану за допомогою «стши в групп». Стiни, якi утвореш до розк-риття котловану потм розпирають за допомогою розстршв. В цей час i виникають основнi труднощi. Сама по собi «стiна в групп» при мшмальнш товщинi 600 мм е досить стшкою i жорсткою конструкцiею, навт без додатково-го крiплення «стша в групп» утримае стiнки досить великих котловашв вiд обвалення. Бо-ковий тиск масиву грунту настшьки великий, що навiть залiзобетонна стша товщиною 600 мм пiд його впливом значно деформуеться. До-даткове закршлення стши по периметру поясами iз зварних двотаврiв та влаштування розстршв iз труб великого дiаметру надасть конс-трукцп необхщно! жорсткостi, що буде достат-ньою для мiнiмiзацil горизонтальних деформацш. Проте така конструкцiя значно зменшуе вiльний простiр в котлованi, що значно ускладнюе як розробку так i будiвельно-монтажнi роботи при будiвництвi метрополте-
ну, оскшьки розстрши встановлюють ¡з мшма-льним кроком..
Проблема полягае в тому, що в надто закрь пленому котловаш дуже незручно виконувати будь як роботи. А кшьюсть розстршв, як не-обхщш для розпирання стшок котловану виби-рають керуючись дуже приблизним аналггич-ним розрахунком, точшсть якого викликае сумшви, та попередшм досвщом проектування схожих конструкцш у схожих 1нженерно-геолопчних умовах. Аналггичний розрахунок вщсутшй, так я к постановка плоско! задач! не дае бажаних результат [4]. По всш довжиш котловану поперемшно чергуються перер1зи м1ж розстршами i перер1зи, в як потрапляють розстрши. Прийнявши плоску схему без розстршв розрахунок ведеться як для защемлено! в грунт консольно! стшки, i при цьому робота розстршв не враховуеться. Якщо використо-вують плоску схему в перер1з1 ¡з розстршом, то виршивши декшька диференцшних р1внянь можна отримати результати, але вони будуть значно завищеш i не будуть вщповщати реальному стану роботи конструкцп. Схожими проблемами, пов'язаними ¡з розрахунком шдшр-них стш котловану займався Глушков Г. I. [1], Лучковський I. Я. [2, 3] та багато ш.
Сдиним на даний час методом, який може дати бшьш-менш переконливу вщповщь на питання про кшьюсть розстршв, !х розташування та перер1з е метод скшчених елеменпв. Сучасш програмш комплекси автоматичного проектування дозволяють побудувати щентичну реальному котловану модель, задати вс необхщш параметри матер1атв та детально проанал1зува-ти напруження та деформацп [2].
Метою роботи е створення 1нженерного методу контролю надшност i стшкосп кршлення глибоких котловашв на основ! анатзу напру-жено-деформованого стану за допомогою су-часних комп'ютерних програм, заснованих на метод1 сюнчених елеменпв.
© Купрш В. П., Тютькш Д. В., 2012
89
Результати дослвджень
Для визначення напружено-деформованого стану системи «кршлення-масив» та знахо-дження оптимальних кiлькостi та кроку роз-стрiлiв в конкретних умовах була побудована об'емна модель (рис. 1) у програмi Plaxis 3D Foundation.
Модель представляе собою цiлик грунту ро-змiрами 150x60x25 м. В якост грунту вибрана глина в природному сухому стань В даному масивi грунту змодельований котлован для бу-дiвництва станщ! мiлкого закладення метрополитену. Розмiри котловану 108x21x12 м. Котло-
ван з ус1х чотирьох сторш закр1плении залоо-бетонною стшкою, яка зводить за технолопею «стша в грунтЬ). П1дошва стши розташована на 4 м глибше п1дошви котловану. Загальна кшь-юсть к1нцевих елемент1в 2944, вс1 вузли узго-джеш, тр1ангуляц1я кластера грунту виконана автоматично.
За такою схемою було побудована 4 типи моделей (рис. 2) . Перша модель представляе собою лише стшу в грунт1, додатков1 кршлення у вигляд1 розстршв в1дсутн1. У друг1й модел1 додатково вводяться розстрши, крок м1ж якими 12 м. У третш модел1 крок м1ж розстр1лами 9 м, у четверт1й - 6 м.
Рис. 1. Поперечний перер1з розрахунково'! СЕ-модел1
Рис. 2. СЕ-модель котловану 1з розстршами
В ушх випадках розрахунку конструкцiя не втратила несучу здатнють, напруження, яю ви-никали в стiнцi та розстршах не перевищували меж мщност матерiалiв. Головною величиною для анатзу оптимально кiлькостi розстрiлiв було прийнято величину деформаци довшо! сторони, тобто величину, на яку максимально перемiстить шдтримуюча залiзобетонна стiна.
При розрахунку використана умова поетап-ного будiвництва: першим етапом влаштову-еться стiна в групп, другим - розробка грунту до рiвня встановлення розстрiлiв, трепм -встановлення необхiдного числа розстршв, че-твертим - розробка грунту до дна котловану.
В iдеальнiй ситуаци стша, що пiдтримуe стiнки котлован повинна залишатись нерухо-мою, але це виконати неможливо, тому голов-ним завданням е мiнiмiзацiя горизонтальних перемiщень в стшщ та мiнiмiзацiя кiлькостi розстрiлiв. Необидно наблизитись до того оптимального значення, при якш перемщення i кiлькiсть розстрiлiв буде найкращою.
Анатз результатiв розрахунку показав, що за вщсутност розстрiлiв стiна деформуеться як консольна, найбiльшi перемiщення величиною 400 мм виявлеш у верхнiй точщ стiни посере-динi довжини котловану. При встановленш 9 розстрiлiв з кроком 12 м деформаци змшюють характер. Найбiльшi перемiщення виникають приблизно на рiвнi дна котловану i за розраху-
нком становлять 21 мм. Ч^ко проглядаеться зменшення перемщень в точках спирання розстршв i збiльшення перемiщень в прогонах мiж розстрiлами.
Збiльшивши кiлькiсть розстршв до 12 iз кроком 9 м принципова картина iзополя зали-шилася незмiнною. Збiльшення жорсткостi призвело до того, що бiльшi деформаци пере-даються грунту на 1-2 м нижче дна котловану, i щ перемiщення чисельно становлять теж 21 мм.
При максимальнш кшькосп розстрiлiв 18 шт iз кроком 6 м перемщення в мюцях спирання розстршв i в прогонах мiж ними рiвнi. Це свщчить про те, що прогон мiж розстрiлами в 6 м настiльки малий, що деформацiя його спричинена деформащею розстрiлу, а не про-гину самого прогону. Тобто при вщсташ в 6 м мiж розстршами верх стiнки стае рiвним по жо-рсткостi по всiй довжиш.
Максимальнi деформаци у цьому випадку складають 20 мм i спостерпаються вони по всiй висотi 4 м мiж пiдошвою стiнки i дном котловану. Це свщчить по можливiсть виникнення випирання дна котловану [5].
Так, як максимальш деформаци кршлення при кроцi розстршв вщ 6 до 12 м майже не-змiннi, то необхщно проаналiзувати внутрiшнi моменти (рис. 3), що виникають в «спш в грун-ти>.
Рис. 3. Горизонтальш деформаци стшок котловану:
а) - без розстршш; б) - розстрши через 12 м; в) - розстрши через 9 м; г) - розстрши через 6 м
При вщсутност розстрiлiв основне зусилля по утриманню поздовжшх стiн котловану сприймають торцевi стiни. Це досить наочно шюструе результати представленнi на рис. 3а. В мюцях перетину поздовжшх i торцевих моменти досягають максимального значення.
При установщ розстршв ситуащя кардинально змшюеться. Торцевi стiни майже повнiстю розвантажеш, натомiсть згинальнi моменти виникають в мюцях спирання розкошв та на рiвнi дна котловану у площиш розкосiв.
Збiльшення кiлькостi розкошв призводить до зменшення значення максимального момен-
ту, проте збшьшуеться кшькють точок 1з знач-ними значеннями. Тобто в горизонтальнш площиш спирання розстрЫв 1 площиш дна котловану площа дЦ згинальних моменлв збшьшуеться.
Для визначення напружено-деформованого стану системи «кршлення-масив» при комбшо-ванш конструкци кршлення та р1зних вар1антах влаштування контрфорс1в була змшена модель.
Контрфорс - поперечне ребро жорсткост певних розм1р1в, яке найчастше влаштовуеться способом «стша в Грунт1», 1 служить для збшь-шення жорсткост стшового кршлення котловану. Доцшьшсть використання в конструкци контрфорс1в пояснюеться збшьшенням жорст-кост стши 1з мш1мальними витратами матер1а-лу. В промисловому та цившьному буд1вництв1 кршлення за допомогою «стши в Групп» та контрфорс1в набуло значного поширення, особливо при великих розм1рах котловану в плаш. Класичш розстрши, як розпирають в стшове кршлення значно ускладнюють процес розроб-ки Грунту та монтажу конструкцш фундаменту, особливо при зб1рному буд1внищш. Використання контрфорс1в виршуе дану проблему. Контрфорси значно збшьшують жорстюсть сть ни, а горизонтальш пояси обв'язки, працюючи на згин мш1м1зують деформаци стшового крш-лення.
Для визначення напружено-деформованого стану кршлення 1з влаштуванням контрфорс1в 1 горизонтальними поясами обв'язки запропоно-ваш нов1 розрахунков1 модель Контрфорси в1д-носно стшового кршлення розташовуються 1з внутршньо!' сторони, зовш та з двох сторш од-ночасно.
Класичним виконанням контрфорсу е його тавровий вид. Контрфорс влаштовують поперек стшового кршлення 1з середини котловану. Звь сно, щоб забезпечити необхщний прост1р для монтажу станцп необхщно розширити котлован на значення, р1вне довжиш двох контрфорс1в, тож розм1ри «у свпш» котловану залишаються 105x21x12 м.
Для збшьшення жорсткост поздовжшх стш у горизонтальному напрямку влаштовують пояси обв'язки. По м1р1 розробки котловану на проектнш вщмггщ бетонують горизонтальну балку, з'еднуючи 11 1з стшовим кршлення. Таю балки влаштовують 1з певним кроком на р1зних глибинах. Принципова р1зниця у влаштуванш контрфорс1в зображена на рис. 4.
Рис. 4. Схеми влаштування контрфоршв в поздовжнш стш1 котловану:
а) - внутр1шнц б) - зовшшш; в) - «хрестопод1бш»
В результат! попередшх розрахунюв вияв-лено, що основа дна котловану недостатньо мщна, до того ж виникае випирання дна котловану 1 виникае необхщнють зменшити дефор-мащю поздовжшх стш на р1вш дна котловану.
Для виршення цих проблем запропонована наступна конструкщя. Додатково виконуеться вертикальна стшка м1ж дном котловану та т-дошвою стшового кршлення. Стшка виконуеться на р1вш контрфорс1в 1 однакова 1з ними по шириш. Шсля розробки котловану до р1вня встановлення розстршв виривають траншею на р1вш контрфорс1в до р1вня шдошви стшового кршлення. В цш транше!' виконують бетону-вання зал1зобетонно'1 стшки м1ж р1внями -12,000 та -16,000.
В результат! пор1вняльного анал1зу виконуеться розрахунок трьох моделей 1з р1зним роз-ташуванням та конструкщею контрфорс1в. Схема комбшованого кршлення 1з внутршшм розташуванням контрфорс1в (див. рис. 4).
Третьою конструкщею, що шддаеться роз-рахунку е конструкщя 1з «хрестопод1бними» контрфорсами. Ця конструкщя поеднуе в соб1 перш1 дв1 схеми. Тобто контрфорси розташовуються як 1з внутршньо!', так 1з зовшшньо!' сторони.
1з внутршньо!' сторони вони додатково з'еднуються 1з поясами обв'язки. В результат! довжина контрфорса збшьшуеться вдв1ч1 у по-р1внянш 1з попередшми схемами конструкци.
Ця схема кршлення бшьш матер1алоемна, шж дв1 попередня, натомють жорстюсть поздо-вжньо'1 стши значно збшьшена, нижня зал1зобе-тонна в'язь стримуе горизонтальш перемщен-ня стши нижче дна котловану, а поздовжш пояси збшьшують ошр згинанню стши навколо вертикально!' ось Схема такого кршлення зо-бражена на рис. 5.
Рис. 5. Схема конструкцп комбшованого кршлення котловану 1з нижшми в'язями: Вар1ант 1) - з поясами обв'язки; Вар1ант 2) - з нижшми затзобетонними в'язями
Повнi перемiщення в стшовому крiпленнi iдентичнi в ушх випадках розрахунку. Макси-мальне значення не перевищуе 20 мм. Будь-яке розташування контрфорсiв значно збiльшуе жорстюсть конструкцп, в результатi деформаци мшмальш.
Нижнi залiзобетоннi в'язi деформуються у вертикальнш площинi угору, в результат роз-тягуються верхнi волокна. Величина максима-льних деформацiй 60...70 мм. В стадн котловану це носить негативний ефект. Але при вста-новленш конструкцп станцп на грунт та в'язi матимемо розтяг нижшх волокон i ефект «по-переднього напруження», що зменшить абсолюты деформаци конструкцп i позитивно вплине на роботу конструкцп станцп.
Наявшсть рiзноl конструкцп контрфорсiв не впливае на деформування торцево! стши, осю-льки деформаци у вигщщ згину вiдбуваються вiдносно вертикально1 ос у, а контрфорси зб> льшують жорсткiсть на згин вщносно осi г. Отже, контрфорси не зменшують деформацiю торцево1 стши котловану. Також вздовж ос х деформуються i крайнi з/б в'яз^ !х деформа-цiя спричинена активним тиском на торцеву снну, яка стискуе грунт в середиш котловану мiж рiвнями -12,000 та -16,000. В свою чергу реактивний тиск грунту зосереджений на край-
нш з/б в'яз^ в результатi чого вона i пiддаеться бiльшiй деформаци, нiж iншi.
Висновки
Встановлення великого числа розстршв не тiльки попршуе умови монтажу конструкцiй, але i значно впливае на грунт i стiнку нижче рiвня котловану, спричиняючи додатковi напруження i деформаци. В результат чого необ-хщно збiльшувати глибину пiдошви стiнки вщ-носно дна котловану або виконувати додатковi заходи для покращення характеристик грунту.
Для зменшення деформацiй в нижнш части-нi стiнки необидно розглянути варiант iз влаш-туванням контрфорсв на всю глибину кршлення.
Першим варiацiйним розрахунком викона-ний пiдбiр оптимально1 кiлькостi розстршв в найрозповсюдженiшому на даний момент крш-леннi «стiна в групп» + розстрiли. Встановле-ний вплив кроку розстршв на напружено-деформований стан системи «кршлення-масив», визначена оптимальний крок розстрiлiв при кршленш котловану. Встановлена залеж-нiсть внутршнього стискуючого зусилля в роз-стршах при рiзних кроках котловану.
Запропонована альтернатива класичному розстршьному крiпленню. Прорахованi варiан-
ти комбшованого кршлення за допомогою контрфорсв i3 поясами обв'язки, розстрiлiв та додаткових нижшх залiзобетонних розпiрок (B^3iB). Встановлений вплив рiзноl конструкцп контрфорсв на напружено-деформований стан системи «кршлення-масив».
Визначена оптимальна конструкцiя контр-форсв та позитивний вплив влаштування додаткових нижшх затзобетонних розпiрок (в'язiв) на напружено-деформований стан крiплення котловану.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Глушков, Г. И. Расчёт сооружений, заглубленных в грунт [Текст] / Г. И. Глушков. - М. : Стройиздат. 1977. - 295 с.
2. Лучковский, И. Я. Применение модели слоя конечной ширины к исследованию распределения давления грунта на подпорные стены при налички местных загрузок на поверхности
В. П. КУПРИЙ, Д. В. ТЮТЬКИН (ДИИТ)
[Текст] / И. Я. Лучковский, А. М. Данько, А. В. Самородов. // Дороги i мости: зб. наук. праць. / ДерждорНДГ. - К., 2008. - Вип. 9
3. Лучковский, И. Я. Техническая документация (альбом конструктивных решений с данными для расчёта) по ограждающим конструкциям котлованов вблизи существующих фундаментов [Текст] / И. Я. Лучковский. - М.: ХПСНИИП, 1990.
4. Петраков, А. А. О расчётных моделях нелинейно-деформируемого грунтового массива [Текст] / А. А. Петраков. - Полтава: ПТУ, 1995.
5. Шихиев, Ф. М. О критических смещениях ограждения, приходящих к предельному напря-женому состоянию в засыпке [Текст] / Ф. М. Шихиев, М. Н. Виргин // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1971.
Надшшла до редколегп 02.07.2012. Прийнята до друку 17.07.2012.
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ГЛУБОКОГО КОТЛОВАНА
В статье рассмотрены вопросы крепления глубоких котлованов. На основе моделирования напряженно-деформированного состояния определено влияние разных параметров, таких как количество расстрелов, вид контрфорсов, а также предложен новый способ крепления с помощью нижних железобетонных связей (распорок) под дном котлована.
Ключевые слова: глубокий котлован, расстрелы, моделирование, «стена в грунте», МКЭ
V. P. KYPRIY, D. V. TIUTKIN (Dnepropetrovsk National University of Railway Transport) MODELING STRESS-STRAIN STATE OF MOUNT DEEP DITCH
In the article descry the questions mount deep ditch. Based on the modeling of the stress-strain state determined the effect of various parameters. This parameters are the number of executions and the type of buttresses. Also proposed a new method of mount deep ditch with the lower concrete ties (spacers) under the bottom of ditch.
Keywords: Deep ditch, spacer, modeling, «wall in the ground», FEM
