CC BY
39Научно-технический Подземное
и производственный журнал строительство
УДК 624.139
В.Н. ПАРАМОНОВ, д-р техн. наук, Петербургский государственный университет путей сообщения; И.И. САХАРОВ, д-р техн. наук, М.В. ПАРАМОНОВ, инженер (_dzirt_@mail.ru), Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Процессы промерзания и оттаивания при устройстве подземных и заглубленных сооружений
Приведены примеры численных расчетов напряженно-деформированного состояния с использованием известной программы «Termoground» системы «промерзающее основание - крепление котлована» во времени, а также влияние процесса оттаивания ледопородного цилиндра после устройства наклонных ходов метрополитена на окружающий массив грунта и наземные сооружения.
Ключевые слова: промерзание, оттаивание, пучение, осадка, ледопородный цилиндр.
Сезонные явления промерзания и оттаивания грунтов характерны для многих стран мира. В настоящее время ограждение глубоких котлованов для подземных этажей зданий выполняется в шпунте, а в случае невозможности его погружения - с помощью стен из свай, выполняемых, в том числе, по струйной технологии. Вместе с тем при длительных сроках работ нулевого цикла, а также при перерывах в строительстве, если котлован не законсервирован на зимний период, наблюдается промерзание грунта за контуром ограждения.
Искусственное замораживание грунтов широко использовалось в 1930-1950-х гг. прошлого века в СССР для крепления стен глубоких котлованов. И хотя для отмеченных целей искусственное замораживание практически уже не
Рис. 1. Максимальная глубина промерзания вдоль контура выемки (шпунтовое ограждение и распорное крепление не показаны, зона талого грунта показана красным цветом)
применяется, для устройства тоннелей и, в частности, наклонных ходов метрополитена эта технология используется и поныне, а в слабых водонасыщенных грунтах Санкт-Петербурга является фактически безальтернативной.
Таким образом, искусственное или естественное промерзание и оттаивание грунтов достаточно часто имеет место при строительстве подземных (тоннели) или заглубленных (глубокие подземные этажи зданий) сооружений. При этом толщина ледопородного цилиндра в случае устройства наклонного тоннеля метрополитена стандартного размера составляет около 2,5 м, а промерзание грунта за вертикальной стеной ограждения котлована по окончании зимнего периода в Санкт-Петербурге может превы-
Рис. 2. Графики изменения усилий в распорке в ходе промерзания в зависимости от величины коэффициента анизотропии пучения 1 - 4=0; 2 - ^=0,5; 3 - 4=1; 4 - 0,5; 5 - Ч=-1
Рис. 3. Положение проектируемого здания относительно наклонного хода метрополитена
92012
21
Подземное строительство
(М
л
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 4. Изолинии температуры в грунте (оС) на момент окончания процесса замораживания грунта
шать 1 м. Эти величины являются существенными, что требует рассматривать напряженно-деформированное состояние (НДС) в системе «сооружение - основание» и учитывать его изменения в расчетах.
Промерзание грунтов за контуром ограждения котлованов, как правило, приводит к росту усилий в элементах крепи. При использовании искусственного замораживания в
Рис. 5. Эпюра осадок поверхности над осью наклонного хода после оттаивания ледо-грунтового ограждения. Шаг изолиний 0,02: Ш - -0,396; □ - -0,325; □ - -0,253; □ - -0,182; П - -0,11; И - -0,039;Щ-0,033
Рис. 6. Эпюра осадок наклонного хода после оттаивания ледогрунтового ограждения. Шаг изолиний 0,02; Ш —0,396; Г] —0,325; □ - -0.253М-~0,182;П - -0,11;Ш~ -0,039; Ш-0,033
строительстве наклонных эскалаторных тоннелей метрополитена основной проблемой являются осадки при оттаивании, при которых в деформации зачастую вовлекаются застроенные территории.
Порядок величин усилий и деформаций, характерных для вышеописанных явлений, ясен из следующего. Экспериментально замеренные дополнительные усилия, развивающиеся в элементах крепи могут на 30% и более превышать их величины до начала промерзания [1]. Максимальная величина осадки по оси наклонного хода по натурным измерениям в Санкт-Петербурге может превышать 50 см. Отмеченные усилия и деформации являются значительными и требуют заблаговременной расчетной оценки.
Ниже излагаются некоторые примеры расчетов усилий при промерзании грунта за контуром ограждения котлована и осадки при оттаивании ледопородных цилиндров, деградирующих после устройства эскалаторных тоннелей в Санкт-Петербурге. В расчетах использовалась известная программа «Termoground», разработанная геотехниками ГК «Геореконструкция» [1]. Программа хорошо зарекомендовала себя при решении температурных задач, а также в совместных расчетах НДС для зданий и сооружений при промерзании и оттаивании грунтов основания.
На рис. 1 приведена расчетная схема котлована в Санкт-Петербурге, ограждение которого представлено шпунтовой стенкой с распорками в верхней зоне. На рисунке отмечен контур зоны максимального промерзания, достигающего в горизонтальном направлении в холодный период 1,5 м. Заметим, что из строгого решения температурной задачи видно, что мощность промерзающего слоя может изменяться по толщине до 2 раз. В рассматриваемом случае с ростом толщины промерзающего слоя при определенных условиях, в зависимости от значений коэффициента анизотропии пучения, усилия в распорке могут на порядок превышать усилия в ней, вызванные активным давлением грунта (рис. 2).
22
92012
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Подземное строительство
Рис. 7. Осадки изолиний 0,001.
Ниже рассмотрен пример возведения здания над строящимся наклонным ходом станции метро Фрунзенского радиуса в Санкт-Петербурге. При устройстве наклонного хода применялось рассольное замораживание с температурой хладагента не ниже -25оС. Проектная температура на внешнем контуре ледогрунто-вого ограждения составляла не выше -2оС.
Сформированное ледогрунтовое сооружение представляет собой полый цилиндр с наружным диаметром 16 м, внутренним диаметром 11 м. Из опыта предполагается, что срок растепления массива до фоновых температур составляет 2-5 лет.
После проходки наклонного хода и оттаивания ледогрунтового ограждения, по данным наблюдений по большинству объектов в Санкт-Петербурге, максимальная осадка дневной поверхности обычно приурочена к пятну строительства здания вестибюля. При проектировании комплекса зданий над выходом станции метро рекомендовано учесть зону опасных деформаций над эскалаторным тоннелем. Рекомендовано также учесть, что активный период развития деформаций земной поверхности со скоростью оседания более 10 мм в месяц начнет проявляться спустя 6-12 мес. после окончания пассивного замораживания и будет продолжаться в течение 1,5-2 лет. Затухающая стадия осадок продолжается еще в течение 3-4 лет.
Авторами выполнено моделирование процессов промерзания-оттаивания грунта при устройстве наклонного хода. Поскольку лабораторные исследования грунтов с установлением специальных характеристик оттаивания не выполнялись, расчет выполнен с использованием модели Киселева, когда оценка деформаций выполняется с использованием физических характеристик грунтов.
В расчетах рассматривался процесс замораживания в течение 10 мес. и далее в течение 5 лет процесс оттаивания грунта. В нижней части разреза залегают непучинистоопас-ные песчаные отложения и твердые глины венда, которые относятся к непучинистоопасным грунтам, поэтому нижняя граница расчетной схемы ограничена слоями грунта, в которых возможны деформации пучения и оттаивания.
Фрагмент расчетной схемы со взаимным расположением проектируемого здания и наклонного хода показан на рис. 3.
Первоочередным в исследовании таких сооружений является расчетное установление зон промерзания основания в разных местах. Для этого должна решаться температурно-влажностная задача, позволяющая оценивать процесс промерзания во времени. Эта и последующие задачи решаются в пространственной постановке, что обеспечивает корректность решения.
На рис. 4 показаны изолинии температуры грунта на момент окончания замораживания (через 10 мес.). Общая толщина замороженного грунта с температурой ниже нуля, по расчету, составляет 3 м. На рис. 4 показана нулевая изотерма и линейкой отмечено расстояние от нее до контура будущей обделки.
Процесс оттаивания грунта, по расчету, практически полностью заканчивается через год после окончания замораживания. При этом максимальная расчетная осадка поверхности грунта при оттаивании составила 39,6 см, что яв-
здания от влияния оттаивания ледогрунтового ограждения. Шаг ■Я- -0,016; □ - -0,012; И - -0,008; В - -0,004; □ - 0; Я- -0,004
ляется близкой к регистрируемым в соответствующих грунтовых условиях Санкт-Петербурга. Осадка приурочена к участку, примыкающему к выходу из вестибюля станции, что также соответствует многим экспериментальным данным. На рис. 5 показана эпюра осадок поверхности по оси тоннеля. Максимальная прогнозируемая осадка наклонного хода после оттаивания составляет 16,4 см (рис. 6).
Поскольку дата начала строительства проектируемого здания была неизвестна, в расчетах рассмотрена наиболее невыгодная ситуация - строительство здания совпадает с моментом начала оттаивания замороженного грунта.
На рис. 7 показаны конечные осадки здания после оттаивания грунта. Наибольшее влияние оттаивание оказывает на сваи, расположенные вдоль наклонного хода и вестибюля. Максимальная расчетная осадка здания от влияния оттаивания грунта составила 1,6 см.
Следует повторить, что рассмотрены наихудшие условия ввода здания в эксплуатацию до момента начала оттаивания грунта. Фактически же на момент выполнения расчетов процесс оттаивания уже начался, поэтому фактические осадки здания от влияния размораживания будут несколько меньше рассчитанных.
Таким образом, конечноэлементные расчеты способны учитывать любые сложности в напластованиях грунтов, отражать режимы замораживания и оттаивания и т. п., что позволяет использовать их при оценке НДС трехмерных массивов, вмещающих различные сооружения.
Список литературы
1. Мельников А.В., Васенин В.А. Оценка горизонтального давления морозного пучения грунта на ограждение котлована. Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции //Сб. трудов науч.-тех. конф. 10-12 октября 2010. СПбГАСУ. С. 376-380.
2. Kudryavtsev S.A., Sakharov I.I., Paramonov V.N. Numerical forecast of freezing, heave and thawing of soils under footings in three-dimensional mode. Permafrost engineering. Proceeding of the fifth International symposium on permafrost engineering (2-4 September 2002, Yakutsk, Russia). Yakutsk: Permafrost Institute Press, 2002. Vol. 1. Рр. 198-202.
9'2012
23
