CC BY
44
УДК 699.88
ПРОГНОЗ ОСЕДАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПРИ СООРУЖЕНИИ КОТЛОВАНА ВБЛИЗИ ЗАСТРОЙКИ
П.А. Деменков, О.В. Трушко, В.В. Комолов
Выполнен прогноз оседания поверхности земли при сооружении котлована в ходе строительства нового объекта (Центр обслуживания населения), возводимого в условиях плотной городской застройки. Моделирование осуществлялось в объемной постановке с учетом нелинейной работы грунта и поэтапного сооружения котлова-на.Подобраны параметры несущих и ограждающих конструкций котлована. Выполнена оценка влияния строительства на окружающую застройку.
Ключевые слова: геомеханический прогноз, котлован, плотнаязастройка, шпунтовое ограждение, оседания поверхности, дополнительные осадки.
Введение. Новое строительство зданий в условиях плотной городской застройки может оказывать существенное влияние на здания и сооружения города. Для снижения негативного влияния на существующую застройку при разработке котлована применяют различные конструктивные и технологические решения ограждающих конструкций [1-6]. Наиболее экономичным считается шпунтовое ограждение, которое позволяет минимизировать воздействия на окружающую застройку при минимальных затратах [7].
Геотехническая оценка ситуации на участке строительства выпол-няласьпри помощи программного комплекса Plaxis 3D. Трехмерная модель дает представление об общей картине напряженно-деформированного состояния площадки строительства, включая 30-ти метровую зону влияния работ [8].
Программный комплекс Plaxis позволяет вести расчет с учетом этапности строительства. На начальном этапе формируется природное напряженно-деформированное состояние. После каждого этапа строительных работ формируется новое напряженно-деформированное состояние, соответствующее изменениям в расчетной модели. Численный анализ позволяет более точно прогнозировать развитие осадок за счет усовершенствованных моделей грунта с учетом его нелинейной работы при действии нагрузки.
Описание объекта исследования. Проектируемое здание представляет собой шестнадцатиэтажное здание с подземной встроенно-пристроенной автостоянкой. Здание имеет размеры в плане по 1 этажу -29,8^43,99 м; Высота 54,8 м. Конструктивная схема здания - комбинированная с монолитным ядром жесткости лестнично-лифтового узла и колоннами каркаса.
Пятно котлована находится на застроенной и благоустроенной части квартала. В 30-ти метровую зону влияния производства работ попадают существующие здания. Согласно техническому заключению, здания относятся ко II категории технического состояния. В соответствии с [9] предельные деформации основания фундаментов зданий и сооружений окружающей застройки, расположенных в зоне влияния нового строительства для зданий II категории технического состояния составляют 30 мм, неравномерность осадок 0.002.
В плане котлован представляет собой прямоугольник размером 59^55 м. Абсолютная отметка дневной поверхности, с которой будет погружаться шпунт, составляет около +3.000. Абсолютная отметка дна котлована с учетом подготовки составляет -1.800. Глубина котлована составляет около 4,8 м. Устройство крепления котлована предполагается выполнять из металлического шпунта Ларсена марки УЪ-606А. Необходимая глубина погружения шпунта определяется наличием прочного слоя, требуемая глубина шпунтовой стенки, обеспечивающей заделку шпунта в прочный грунт, составляет 12 м (супеси пылеватые ИГЭ-5).
Предварительные расчеты шпунтового ограждения показали необходимость введения дополнительных элементов крепления в конструкцию шпунтового ограждения, поскольку горизонтальное смещение шпунтовой стенки по консольной схеме работы составит 18 см.
Углы котлована раскрепляются распорками, устанавливаемые в два пояса (труба 377*12) на расстоянии 4 м и 8 м от угла котлована. Также предусматриваются подкосы из труб 370*12 с шагом 8-9 м.
Технология производства работ. Погружение шпунта на проектную отметку на предварительно спланированной территории до абсолютной отметки +3.000. Погружение шпунта допускается вести по технологии высокочастотного вибропогружения.
После образования замкнутого контура выполняются свайные работы.
Откопка котлована ведется под защитой грунтовых берм. Разработка берм ведется участками. Начальная откопка котлована на глубину не более 2 м (до абсолютной отметки +1.000), затем устраивается обвязочная балка (двутавр 40Ш1) и система угловых распорок на глубине 1,5 м (абсолютная отметка +1.500).
Откопка первого участка в центральной части котлована на проектную отметку (-1.800) с последующим бетонированием плиты ростверка. Вдоль шпунтовой стенки по контуру оставляется грунтовая берма высотой 2,8 м с уклоном склона 1:2. Ширина верхней площадки бермы - 5 м.
Далее выполняется захватками поэтапная разработка грунтовых берм с бетонированием плиты ростверка после каждого этапа откопки. Предварительно, в пределах захватки ведется установка подкосов. Монтаж подкосов осуществляется в специально подготовленных траншеях без раз-
работки основного массива грунтовой бермы. Только после включения подкосов в работу выполняются дальнейшие работы по откопке котлована.
Описание модели. Для моделирования была принята упруго -пластическая модель упрочняющегося грунта, учитывающая изменение свойств при малых деформациях (HSsmall), которая получила широкое распространение при прогнозе деформаций грунтового массива в окрестности подземных сооружений [8]. Нелинейно-упругая модель упрочняющегося грунта Дункана-Ченга обеспечивает гиперболическую взаимосвязь между вертикальными относительными деформациями £г и девиатором напряжений q.
Поведение грунта при дренированных трехосных испытаниях описывается следующим уравнением при q < qf:
s = (gi -вз)
1 2E50 4a - (g1 -g3) .
Предельное значение девиатора напряжений qf, и параметр qa определяются следующим образом:
= ÓSln фР (°1 - ^ ) . (1)
3 - Sin Фp qa - (Oj - аз)
qf
q Tf
Уравнение (1) получено из критерия прочности Кулона-Мора, а параметр Rf численно характеризует отношение qf/qa.
Поведение грунта при нагружении, как уже отмечалось выше, нелинейно, и зависит от напряженного состояния в данный момент времени. В модели упрочняющегося грунта используется следующая зависимость, определяющая касательный модуль деформации грунта:
, а + c
/7 _ T^ref / 3_^ Р \т
E50 E50 V ref j. / '
а e + c ^ф^
где E¡f - модуль деформации грунта соответствующий среднему напряжению аref. Модуль деформации грунта E¡f определяется из стандартных трехосных испытаний при достижении девиатором напряжений q 50 % от максимальной прочности сдвигу qf (рис. 1).
При разгрузке и последующей нагрузке вводиться независимый модуль упругости, который можно выразить следующим образом:
, а + c E = E ( 3_ ^т
Eur Eur V ref А. ) '
а e + c ^ф^
где E^f - начальный модуль упругости, соответствующий средним эффективным напряжениями аref. Таким образом, разгрузка и последующая
нагрузка отражает нелинейно упругое поведение материала. Величина агее принимается равной 100 кПа.
асимптота
Продольные относительные деформации е1
Рис. 1. Поведение грунта при его нагружении и разгрузке при стандартном дренированном трехосном испытании [10]
Поверхность пластического течения модели упрочняющегося грунта записывается как:
Ча
/12 =
/з =
а1 - а2
Е50 Ча - (а1 - а2)
Ча
а1 - аз
2(а1 - а2) - „Р .
Е 1 '
иг
2(а1 - аз) - „Р
I ,
Е50 Ча - (а1 - а3 ) Еиг
где ур - объемные пластические деформации.
Поверхность пластического течения, характеризующая поведения материала при сдвиге, не может описать объемное уплотнение (объемные пластические деформации) материала получаемые при изотропном уплотнении. Необходимо ввести вторую поверхность пластического течения, в виде шатра, которая будет начинаться от оси эффективных средних напряжений и заканчиваться на пересечении с поверхностью пластичности характеризующей сдвиг:
а 2
/с + (Р + аУ -(Рс + а)2.
Уравнение упрочнения шатровой части модели упрочняющего грунта приведено ниже:
8
р _
А* к *
-1
К
т~ге/
ге/ У г * с
Модель упрочняющегося грунта, является моделью с двойным упрочнением, при сдвиге и при объемном сжатии. Данный класс моделей позволяет независимо друг от друга задаваться упрочнением при сдвиге и при сжатии.
Основные стадии расчета, моделирующие последовательность проведения работ:
- определение существующих напряжений в грунтовом массиве с учетом существующих зданий;
- выполнение работ по устройству шпунтовой стенки;
- поэтапная откопка котлована до проектной отметки (рис. 2).
а б
в
V
Рис. 2. Расчетные этапы моделирования разработки котлована: а - начальная откопка котлована (этап 1);б - разработка захватками грунтовых берм (этап 2); в - разработка захватками грунтовых берм (этап 3); г -завершение работ (этап 5)
При моделировании учитывалось действие равномерно распределенной технологической нагрузки 3 т/м2 от строительной техники, складирования материалов и проездов на расстоянии 2 м от бровки котлована. Нагрузка на фундамент существующих зданий рассчитывалась исходя из объемного веса конструкций 0,5 т/м .
Максимальное усилие в угловой распорке - 130 т, в подкосах - 70 т. Условиям прочности и деформативности отвечает шпунт Ларсена УЪ-606А длиной 12 м с раскреплением углов котлована и устройством подкосов. Углы котлована раскрепляются двумя рядами угловых распорок на расстоянии 4 м и 8 м от угла котлована (рис. 3). В качестве угловых распорок принята труба 377*12. В качестве подкосов рекомендуется использовать трубу 377*12. Шаг подкосов 8...9 м. Допускается приложение дополнительной временной нагрузки по бровке котлована. Величина нагрузки из расчета 3 т/м на расстоянии не ближе 1 м от края котлована.
Рис. 3. Общий вид расчетной модели: а - на начальном этапе производства работ; б - на завершающем
этапе производства работ
Результаты моделирования. Результаты расчета представлены моделью деформаций системы «грунт - котлован - окружающая застройка», горизонтальными и вертикальными перемещениями (рис. 4), усилиями в шпунтовой стенке, подкосах и угловых распорках. Критериями безопасной разработки котлована служат предельное значение дополнительной осадки окружающей застройки, несущая способность элементов крепления котлована, общая устойчивость конструкций.
Максимальное перемещение шпунтового ограждения, полученное в расчете составит 6 см. Максимальная дополнительная осадка существующих зданий - 0,3 см < 3 см. Крен зданий не превышает 0,002 (рис. 5). Усилия в распорках и подкосах не превышают предела прочности материала.
Рис. 4. Изополя вертикальных перемещений на начальном этапе
разработки котлована
Максимальная осадка от расчетной нагрузки составила 5 см, что не превышает максимально допустимую по СП [ 9]. Несущие конструкции здания удовлетворяют нормативным требованиям прочности и деформа-тивности, что обеспечивает безопасные условия строительства.
Рис. 5. Изополя дополнительных осадок окружающей застройки на этапах откопки котлована под защитой грунтовых берм
и при работе подкосов
Заключение. Выполненное численное моделирование в объемной постановке с учетом этапности строительства котлована показало, что оседания поверхности земли не вызывают не допустимых воздействий на окружающую застройку. Дополнительная осадка зданий и их крен меньше предельных значений. Подобранные параметры несущих и ограждающих конструкций обеспечивают безопасное проведение работ на нулевом цикле строительства.
Список литературы
1. Деменков П.А.,Беляков Н.А., Очкуров В.И. Прогноз безопасной зоны влияния строительства полузаглубленных подземных сооружений на окружающую среду // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 4. 2017. С.311-324.
2. Demenkov P.A.,Belakov N.A., Ochkurov V.I. Emergency Assessment of Semi-Embedded Construction// International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 11, Number 21 (2016). P. 10698-10707.
3. Деменков П.А.,Голдобина Л.А., Трушко О.В. Метод прогноза деформации земной поверхности при устройстве котлованов в условиях плотной городской застройки с применением способа «стена в грунте» // Записки Горного института. СПб, Т. 233, 2018. С. 480-486.
4. Alonso, E.E., Gens, A., Alcoverro, J. &Ortuno, L. 2007. Unexpected behavior of a large excavation in saturated sands. Proc. of the 14-th European Conference on SMGE, Madrid. Vol. 2. P. 495-502.
5. Brandl, H. 2007. The collapse of a deep excavation pit in urban surroundings. Proc. of the 14-th European Conference on SMGE, Madrid. Vol. 2. P. 545-552.
6. Sichun Long, Wei Zhou, Jinlei Fu, and Liya Zhang: "Deformation Monitoring, Simulation, and Prediction of Subway Deep Excavations" Electro nic Journal of Geotechnical Engineering, 2018 (23.04). P. 768- 710.
7. Трушко О.В., Кутявин Д.В. Устройство котлована в условиях сильно деформируемых грунтов при строительстве многоэтажного бизнес -центра с учётом обеспечения устойчивости близстоящих зданий и сооружений // Вестник Евразийской науки, 2018. №1.
8. Law K. H., Zubaidah Ismail and RoslanHashim. 3D Finite Element Analysis of a Deep Excavation Considering the Effect of Anisotropic Wall Stiffness // 19th Southeast Asian Geotechnical Conference & 2nd AGSSEA Conference (19SEAGC & 2AGSSEA) Kuala Lumpur 31 May - 3 June 2016.
9. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений.
10. Brinkgreve R.B.J. PLAXIS 3D 2017. Material Models Manual, Netherlands, 2018. 212 с.
Деменков Пётр Алексеевич, д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Трушко Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Комолов Василий Викторович, асп., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
THE FORECAST OF EARTH SURFACE SUBSIDENCE A T THE EXCA VA TION OF THE PIT NEAR THE BUILDING
P.A. Demenkov, O. V. Trushko, V. V. Komolov
The article presents the resulta forecast of subsidence of the earth's surface in the construction of the foundation ditch during the construction of a new object (Public service center), built in dense urban areas. The modeling was carried out in a three-dimensional formulation taking into account the nonlinear work of the soil and the phased construction of the foundation ditch. Selected parameters of bearing and enclosing structures of the foundation pit. The assessment of the impact of construction on the surrounding buildings.
Key words: geomechanical forecast, foundation area, dense urban development, pile sheeting, earth's surface subsidence, additional (extra) subsidence.
Demenkov Peter Alekseevich, D.Sc., professor, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Trushko Olga Vladimirovna, Ph.D., Associate professor, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
KomolovVasiliyViktorovich, PhD student, [email protected], Russia, Saint Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
Reference
1. Demenkov P.A.,Belyakov N.A., Ochkurov V.I. Prognoz bezopasnoj zony vliyani-ya stroitel'stva poluzaglublennyh podzemnyh sooruzhenij na okruzhayushchuyu sredu // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 4. 2017. S.311-324.
2. Demenkov P.A.,Belakov N.A., Ochkurov V.I. Emergency Assessment of Semi-Embedded Construction// International Journal of Applied Engineering Research ISSN 09734562 Volume 11, Number 21 (2016). P. 10698-10707.
3. Demenkov P.A.,Goldobina L.A., Trushko O.V. Metod prognoza deformacii zemnoj poverhnosti pri ustrojstve kotlovanov v usloviyah plotnoj gorodskoj zastrojki s primeneniem sposoba «stena v grunte» // Zapiski Gornogo instituta. SPb, T. 233, 2018. S. 480-486.
4. Alonso, E.E., Gens, A., Alcoverro, J. &Ortuno, L. 2007. Unexpected behavior of a large excavation in saturated sands. Proc. of the 14-th European Conference on SMGE, Madrid. Vol. 2. P. 495-502.
5. Brandl, H. 2007. The collapse of a deep excavation pit in urban sur-roundings. Proc. of the 14-th European Conference on SMGE, Madrid. Vol. 2. P. 545-552.
6. Sichun Long, Wei Zhou, Jinlei Fu, and Liya Zhang: "Deformation Monitoring, Simulation, and Prediction of Subway Deep Excavations" Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2018 (23.04). P. 768- 710.
7. Trushko O.V., Kutyavin D.V. Ustrojstvo kotlovana v usloviyah sil'no deform-iruemyh gruntov pri stroitel'stve mnogoetazhnogo biznes-centra s uchyotom obespecheniya ustojchivosti blizstoyashchih zdanij i sooruzhenij // Vestnik Evrazijskoj nauki, 2018. №1.
8. Law K. H., Zubaidah Ismail and RoslanHashim. 3D Finite Element Analysis of a Deep Excavation Considering the Effect of Anisotropic Wall Stiffness // 19th Southeast Asian Geotechnical Conference & 2nd AGSSEA Conference (19SEAGC & 2AGSSEA) Kuala Lumpur 31 May - 3 June 2016.
9. SP 22.13330.2016 Osnovaniya zdanij i sooruzhenij.
10. Brinkgreve R.B.J. PLAXIS 3D 2017. Material Models Manual, Netherlands, 2018. 212 s.
УДК 622.02:531
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕЛА ПРИ ПОЛНОЙ
ВЛАГОЕМКОСТИ
Е.А. Ермолович, А.В. Овчинников
Рассмотрено влияние температуры на механические характеристики образцов белого писчего мела с естественными структурными связями в состоянии полной влагоемкости при влажности образцов в среднем равной 37,4 %. Подготовлено и испытано более 100 образцов, которые подвергались температурному воздействию в камере тепла и холода КТХ при природном диапазоне температур (от -30 до +40 °С ±2 °С), характерных для районов разработки мела в Белгородской области. Представлены результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: мел, тепловое поле, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, коэффициент хрупкости, предел прочности при сдвиге
Температура является одним из факторов, оказывающих значительное влияние на изменение значений геомеханических параметров породы [1, 2]. В то же время изменения механических свойств, вызванные влажностью, являются общим явлением, которое можно найти в некоторых пористых породах, включая, например, песчаник [3], мел [2, 4, 5] и аргиллит [6 -8].
Промерзшие полускальные трещиноватые горные породы высокой влажности (12...18 % и более) и относительно малой прочности (до 20...30 МПа) имеют повышенное сопротивление внешним усилиям вследствие заполнения трещин льдом. По мере понижения температуры и увеличения влажности прочность их существенно возрастает [9].
Ржевский В.В. мел наряду с твердыми глинами, бурыми и каменными углями, относит к плотным полускальным породам [9]. По Сергееву
