CC BY
145
ментов по наклонным сечениям эксплуатируемых во времени в условиях агрессивной среды.
Литература
1. Бондаренко, В.М. К расчету сооружений, меняющих расчетную схему вследствие коррозионных повреждений [Текст] / В.М. Бондаренко, В.И. Колчу-нов, Н.В. Клюева // Известия ВУЗов. Строительство. - 2008. - №1. - С. 4-12.
2. Бондаренко, В.М. Расчетные модели силового сопротивления железобетона: Монография. - М.: Издательство АСВ, 2004. - 472 с.
3. Клюева, Н.В. Общий критерий прочности коррозионно повреждаемого бетона [Текст] / Клюева Н.В., Андросова Н.Б., Шувалов К.А. // Строительная механика и расчет сооружений. 2009. №3 - С. 16-21.
Чунюк Д.Ю., Ярных В. Ф.,
Московский государственный строительный университет
ОГРАНИЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОЙ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛОСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ "ПРОЕКТИРУЕМОЕ ЗДАНИЕ - КОТЛОВАН -ОКРУЖАЮЩАЯ ЗАСТРОЙКА «С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ»
Еще в не столь отдаленном прошлом, лет 5 - 10 назад, использование в инженерной практике специализированных программных комплексов для создания объемных моделей системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка" было уделом очень узкого круга профессионалов. Огромные вычислительные мощности, кропотливая работа по корректному заданию всех необходимых для расчета параметров, максимально точно описывающих реальные инженерно-геологические условия и архитектурно-конструктивные особенности объекта строительства, накладывали свой отпечаток на трудоемкость решения подобных задач.
Гораздо большее распространение получили в то время программы компьютерного моделирования плоских моделей системы "проектируемое здание -котлован - окружающая застройка" (<^а11-3» (Россия), «Р1ах18 2Б» (Нидерланды) и пр.), которые были менее требовательны к вычислительным возможностям и позволяли относительно точно описывать реальные условия, обходясь минимумом расчетных параметров.
При использовании данных программ модель системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка" разбивается на следующие этапы: анализ инженерно-геологических данных, принятых архитектурно-планировочных и конструктивных решений и другой исходной информации; выбор нескольких характерных сечений массива грунта; плоское моделирование совместной работы грунтов основания и подземных конструкций с учетом наличия близлежащих зданий, и при этом для каждого из выбранных сечений
приходилось практически заново собирать расчетную схему и вводить необходимые параметры. Программные комплексы для геотехнических расчетов имели в своем арсенале исчерпывающий перечень необходимых инструментов.
Несколько слов следует сказать о моделях грунтов, которыми инженер-геотехник имел возможность оперировать при описании работы массива грунта. Возьмем, к примеру, программу «PLAXIS» компании «Plaxis B.V.» (Нидерланды), первая версия которой была выпушена в 1987г. Естественно, есть и другие программы для выполнения конечно-элементного анализа в области механики грунтов и взаимодействия оснований и несущих конструкций: существуют, например, «ABAQUS» (США), «ANSYS» (США), «Z_SOIL.PC» (Швейцария), «Платон» (ООО «ПСП «Стройэкспертиза», Россия), «UWay» (ИПРИМ РАН, Россия) и др.
Самая распространенная модель грунтов из используемых в PLAXIS - модель Кулона-Мора (Mour-Coulomb Model). В этой нелинейной модели используются параметры грунтов, которые указываются в отчетах об инженерно-геологических изысканиях на площадках строительства. Модель Кулона-Мора может применяться, например, для вычислений реальных конечных нагрузок кольцевых фундаментов, коротких свай, а также для определения запаса прочности. Модель рыхлых грунтов используется для точного анализа логарифмической работы на сжатие нормально консолидированного рыхлого грунта. Модель мягких ползучих грунтов (Soft-Soil-Creep Model) - это усовершенствованная версия модели мягких грунтов, включающая моделирование второй стадии ползучести. Твердая модель (Hardening Soil Model) применяется для более твердых грунтов - таких, как сверхконсолидированные глины и пески. Здесь используется упруго-пластичный тип гиперболической модели. Есть возможность использования и других моделей, таких как линейно-упругая модель (Linear Elastic Model), модель слабого грунта типа Cam-Clay, реологическая модель с учетом ползучести грунта, упругопластическая модель анизотропного скального грунта. Для ученых имеется возможность поэкспериментировать и создать собственную модель (User-Defined Model), описывающую работу и поведение грунтов основания.
Использование при разбивке модели грунтового массива на конечные элементы элементов высокого порядка позволяет работать с равномерным распределением напряжений в грунте и просчитывать величины предельных и недопустимых нагрузок. Инженеру предоставлен выбор между квадратичными 6-узловыми и 15-узловыми треугольными элементами четвертого порядка, которые можно использовать при моделировании деформации и нагрузок в грунте и осесимметричном анализе поведения массива грунта.
Таким образом, используя возможности расчетных комплексов, удавалось с достаточной степенью точности моделировать совместную работу грунтов оснований и подземных конструкций в плоской постановке. Однако, для того чтобы получить исчерпывающую информацию о поведении массива грунта и работе конструкций требовалось проведение большого количества «плоских» расчетов с последующим сбором всех результатов в единую картину в голове у проектиров-
щика, проводящего комплексный анализ всей информации. А ведь грамотный инженерный анализ - важнейший этап любого строительного проектирования, определяющий высокое качество принятых проектных решений и обеспечивающий необходимую надежность возводимого объекта.
Такой подход по рассмотрению и моделированию плоских задач при проектировании подземных конструкций, в том числе конструкций ограждения котлованов, и анализу напряженно-деформированного состояния грунтов основания до определенного этапа полностью себя оправдывал и давал очень близкие к реальности результаты, удовлетворяя запросам инженеров-практиков.
Время идет, усложняются инженерно-геологические условия площадок строительства. Постепенно переходят от застройки земель кварталами, на «точечную» застройку оставшихся в наличии земель и освободившихся участков при сносе старых и аварийных зданий в стесненных городских условиях.
Усложняется архитектура возводимых зданий, ростет этажность объектов, стали появляться комплексы переменной этажности высотой до 75м, которой теперь никого не удивишь.
Города, не имея возможности по разным причинам разрастаться вширь, стали активно осваивать подземное пространство, закапывая этажи вниз. Кроме этого, например, в рамках реализации программы «Новое кольцо Москвы» в столице проектируются, возводятся или готовятся к сдаче в эксплуатацию ряд уникальных объектов, среди которых общее число «высоток» планируется около шестидесяти. Соответственно появляются новые и корректируются старые строительные нормы. Ужесточаются и дополняются требования к деформациям и кренам как проектируемых, так и уже построенных или существующих объектов при оценке влияния нового строительства на окружающую застройку.
Одновременно с вышеперечисленными процессами идет рост вычислительных возможностей компьютеров. И если раньше процесс вычисления расчетной задачи мог занимать на специальной ЭВМ весь рабочий день, то сейчас та же задача на современном «настольном» компьютере будет посчитана за полчаса. Развитие самих программных комплексов для конечно-элементных расчетов также не стоял на месте. Рынок программ для инженерных расчетов продолжает предлагать новые, усовершенствованные версии продуктов как российского, так и зарубежного производства, позволяющих с высокой степенью достоверности выполнять расчеты несущих конструкций в их надземной части, например «Лира» (Украина), «SCAD» (Украина), «STARK_ES» (ООО «Еврософт», Россия), «Ing+» (ООО «Техсофт», Россия) и др.
Список программных комплексов связанных с геотехническими расчетами, в основу которых положены процессы моделирования грунтов основания, взаимодействия между несущими конструкциями и грунтами гораздо менее обширен. Совершенствуются строительный и геотехнический модули многоцелевых расчетных комплексов «ABAQUS» и «ANSYS». Появляется специализированная версия программы «PLAXIS» для 3-х мерного моделирования взаимодействия грунтов основания «PLAXIS 3D Foundation». Отметим, что комплекс «PLAXIS» при его относительной простоте и доступности может быть
использован для решения большинства задач в сфере традиционной механики грунтов. Он охватывает вопросы проектировании дамб и водохранилищ, закладки фундаментов и возведения надземных конструкций, устройства насыпей, котлованов и откопки траншей, строительства подпорных стен и шпунтовых ограждений, расчета устойчивости укреплении откосов и склонов, расчета дорожной насыпи (в том числе с учетом динамических воздействий), инфильтрации, прокладки тоннелей и пр., решении вопросов инфильтрации (просачивания), проектировании тоннелей, проходческих щитов, станций метро. Данный программный комплекс используется как для комплексных вычислений, так и для расчета отдельных элементов строительных конструкций.
Все вышеперечисленные факторы приводят нас к необходимости использования специализированных программных комплексов позволяющих просчитывать 3-х мерные модели системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка", которые максимально точно учтут при создании расчетных моделей полный спектр исходной информации уже на начальных этапах проектирования. К такой информации следует отнести и инженерно-геологические условия с не однородным напластованием и переменной мощностью в пределах каждого из слоев массива грунта, и существующую застройку, и разнообразные контуры ограждения в плане подземных частей проектируемых зданий, включая различные системы крепления ограждений.
Все чаще усложнившаяся архитектура и необходимость освоения подземного пространства, а также наличие по соседству с объектом существующих зданий или сооружений вносят в расчет свои коррективы. Наличие нескольких блоков подземных этажей с различными отметками заложения по глубине, наличие сложного рельефа с большим перепадом отметок поверхности требуют от проектировщиков принятия смешанной схемы крепления ограждения котлована, зачастую и так имеющего сложную форму в плане.
Появляется все большее количество объектов, где в качестве ограждения котлована на одном из участков используется шпунтовое ограждение из труб одних диаметров без распорной системы, переходящее в ограждении из труб других диаметров уже с креплением стенки подкосной системой, которая на следующем участке переходит в горизонтальные распорки. А участок ограждения, проходящего в непосредственной близости от существующего здания, выполняется методом «стена в грунте». Разве можно в подобных случаях использовать программные комплексы для расчета плоских моделей? Ведь тогда для получения более полной информации о работе массива грунта и несущих конструкций необходимо просчитать десятки сечений, снова и снова собирая каждую модель, для учета всего многообразия конструктивных особенностей, геологических условий и пр.
В инженерной практике доходит порой до анекдотичных случаев. Приведем лишь один пример.
Жилой дом индивидуальной застройки имеет 14-ти этажную надземную часть при высоте этажей 3000мм и развитую в плане 2х-, 3х-этажную подзем-
ную стоянку при высоте этажей 2800мм (в свету). Отметки низа фундаментных плит составляют -12,050 и -10,800. Толщина плит 700мм (стоянка) и 1000мм (высотная часть) соответственно. Каркас из монолитных железобетонных стен и колонн разной толщины и геометрических сечений. Пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой монолитных дисков перекрытий, стен, колонн и лестнично-лифтовых блоков.
По результатам инженерных изысканий выявлено 22 ИГЭ. Среди которых и техногенные грунты мощностью до 4.5 м, и прослои и линзы водонасыщен-ных песков, и коренные каменноугольные породы, и известняки. Все слои имеют очень «пёстрое» напластование: переменную мощность и переменные отметки подошвы каждого слоя.
На строительной площадке распространены три напорных водоносных горизонта.
Из неблагоприятных для строительства процессов отметим наличие в аллювиальных отложениях рыхлых песков и супесей с низкой несущей способностью. В карстово-суффозионном отношении участок оценивается как безопасный.
Скажем несколько слов о котловане. Котлован имеет глубины от уровня дневной поверхности 10,15...11,14м. В качестве временной ограждающей конструкции принято шпунтовое ограждение из труб 0426x10 с шагом 1000мм с заглублением нижнего конца ниже дна котлована на 4м. Распорная система из труб 0630x10 в двух уровнях. План шпунтового ограждения котлована дан на рис. 1.
В завершении описания данного объекта, ставшего в условиях точечной городской застройки типичным примером, упомянем о том, что в зону влияния намечаемого строительства попадают сразу четыре дома (в том числе школа) разной этажности, удаленности от котлована и разными отметками заложения фундаментов.
Проектной организацией с использованием одного из программных комплексов была рассчитана 3х-мерная модель участка строительства, со всеми необходимыми исходными данными. Были учтены инженерно-геологические условия, объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные особенности объекта: сложное напластование грунтов основания, в том числе гидрогеологические условия; сложная в плане форма подземной части здания, в том числе переменность отметок фундаментных плит; 2х-ярусная система крепления шпунтового ограждения котлована; окружающая застройка района строительства. Фрагмент объемной модели с изополями горизонтальных перемещений представлен на рис.2.
Рис.2. Объемная задача. Изополя горизонтальных перемещений. Сечение
Выполненный таким образом расчет передается на экспертизу сторонней организации, которая «собрав» плоскую модель котлована (см. рис.3) дает экспертное заключение по проведенной проектной организацией работе и принятых в проекте решений.
Рис.3. Плоская задача. Расчетная схема с сеткой конечных элементов
Но разве корректно проведение подобного рода сравнения? Ведь при использовании двумерной модели учесть некоторые факторы невозможно в
принципе. Для получения более полной информации по ряду других факторов необходимо просчитать десятки сечений, что, по трудозатратам бывает сопоставимо с расчетом одной пространственной модели, которая сразу дает необходимую для анализа информацию.
В инженерной практике, в том числе в работе самих авторов данной статьи, неоднократно возникают случаи, когда приходится доказывать
использования объемных моделей и оптимальность принятых проектных решений на основании 3 -мерных расчетов по отношению к решениям, полученным на основе расчета плоских моделей.
С каждым годом только растет количество случаев, в которых использование объемной конечно-элементной модели становиться единственным способом получения исчерпывающей информации для проведения всестороннего инженерного анализа напряженно-деформированного состояния массива грунта и работы всех конструкций, и для принятия оптимальных решений, в том числе с учетом пространственной жесткости ограждения котлована.
Однако не стоит забывать о том, что использование программных комплексов по расчету плоских моделей и сейчас не теряет своей актуальности, а в ряде случаев позволяет ускорить расчетный процесс при получении достоверных результатов для инженера-практика.
В связи с этим появляется необходимость введения ограничения области применения в расчетной практике плоских моделей системы "проектируемое здание -котлован - окружающая застройка". Перечислим лишь основные ограничения:
- расчет массивов грунтов имеющих относительно равномерное залегание слоев по площади рассматриваемого участка,
- расчет ограждения котлованов имеющих простые формы в плане с незначительными перепадами отметок дна котлованов,
- расчет ограждения котлованов имеющих однотипное решение распорной системы,
- расчет плоских моделей с учетом неравномерности загружения конструкций и поэтапности возведения зданий (или нескольких секций одного здания) расположенных в одной плоскости,
- расчет плоских моделей с учетом наличия в зоне влияния одного-двух существующих зданий расположенных в расчетной плоскости.
Все это, в свою очередь, приводит к снижению геотехнических рисков, не только на стадии проектирования, но и на стадии строительства новых объектов или реконструкции существующих зданий или сооружений.
1. МГСН 2.07-01 Основания, фундаменты и подземные сооружения. // -М., 2004.
2. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. // - М., 2005.
3. Чунюк Д.Ю. Оценка и управление рисками при строительстве подземных сооружений открытым способом. // - М., МГСУ, 2009.
4. Ярных В.Ф. К вопросу об учете напряженно-деформированного состояния массива грунта. // - М., МГСУ, 2009.
