CC BY
44
2/2010 ВЕСТНИК
ВЛИЯНИЕ ПРОКЛАДКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ (ВОДОВОДОВ) ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ НА НАРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
А.В. Гинзбург
ГАСИС
Изучены особенности строительства в стесненных условиях и приведены причины деформаций зданий. Указана необходимость моделирования напряженно-деформированного состояния грунтов.
The peculiarities of building in the constrained conditions and the deformation reasons of the buildings are studied in the article. The modelling necessity of the intense-deformed condition of the grounds is specified.
Исследование особенностей строительства в стесненных городских условиях показывает, что основными причинами разрушений и деформаций существующих зданий и сооружений при возведении и реконструкции вблизи них инженерных коммуникаций являются нарушения, допущенные в процессе проведения инженерно-геологических изысканий, проектирования объектов инженерных коммуникаций, проектировании технологий производства земляных работ. При этом особое внимание должно быть уделено проведению превентивных защитных мероприятий для существующих сооружений [1, 2].
При проектировании и строительстве инженерных коммуникаций необходимо учесть, что на территории Москвы наряду с благоприятными для строительства грунтовыми условиями (песчаные отложения средней плотности и плотные, глинистые отложения ледникового комплекса от твердой до тугопластичной консистенции) встречаются неблагоприятные специфические грунты и развиты негативные геологические и инженерно-геологические процессы.
Анализ технического состояния трубопроводов водопроводной и канализационной сетей г. Москвы показывает, что средний возраст стальных и чугунных трубопроводов составляет соответственно 20 и 40 лет. Для эффективного использования материальных ресурсов на их восстановление необходим научно обоснованный подход.
Строительство новых коммуникаций и реконструкция существующих часто производится при возведении вблизи них новых объектов. Имеется много примеров разрушения новых трубопроводов, расположенных вблизи существующих сооружений. В таких случаях не учтены особенности строительства трубопроводов на территории существующей застройки, влияние изменения свойств грунтов оснований при аварийных утечках и подъеме и снижения существующего уровня подземных вод.
Для прокладки и реконструкции трубопроводов часто используют открытый способ производства работ, а для применения закрытого способа не везде имеются необходимые технологические условия. Открытий способ предусматривает вскрытие грунтов на заданную глубину, подготовка основания трубопровода, прокладка трубопро-
вода, гидроизоляция и теплозащита трубопровода, обратная засыпка и уплотнение грунта в соответствии с проектом, восстановление растительного слоя или поверхности площадки строительства.
Эти работы часто проводятся вблизи существующих зданий и сооружений. Основными причинами деформаций существующих сооружений при строительстве вблизи них систем инженерных коммуникаций, в том числе зданий насосных станций водопровода и водоотведения могут являться:
- изменение гидрогеологических условий, в том числе подтопление, связанное с барражным эффектом при подземном строительстве, или понижение уровня подземных вод;
- увеличение вертикальных напряжений в основании под фундаментами существующих зданий, вызванное строительством вблизи них;
- устройство котлованов или изменение планировочных отметок;
- технологические факторы, такие как динамические воздействия, влияние устройства всех видов свай, фундаментов глубокого заложения и ограждающих конструкций котлованов, влияние устройства инъекционных анкеров, влияние специальных видов работ (замораживание, инъекция и пр.);
- негативные процессы в грунтовом массиве, связанные с выполнением геотехнических работ (суффозионные процессы, образование плывунов и пр.).
При проектировании и прокладке инженерных коммуникаций, а также при строительстве зданий насосных станций водопровода и водоотведения с глубоким расположением оснований и фундаментов в обязательном порядке должен быть выполнен геотехнический прогноз влияния строительства проектируемого объекта на существующие здания и сооружения окружающей застройки и на существующие инженерные коммуникации (водоводы, теплотрассы и т.д.). При этом моделирование изменений напряженно-деформированного состояния грунтового массива в процессе проектируемого строительства часто выполняется с использованием программы РЬЛХ1Б.
Разработка программы РЬЛХ1Б была начата в 1987 году Дельфтским Технологическим Университетом (Нидерланды) для проведения геотехнических расчетов. В разработке более поздних версий программы принимали участие также университеты городов Колорадо, Гренобля, Оксфорда и Штутгарта. В связи с большой популярностью созданного программного продукта в 1993 г создана фирма «PLAXIS BV».
При строительстве в стесненных условиях городов России, в том числе в г.Москве расчеты проводятся с помощью 8-ой версии программы, апробированной при проектировании и строительстве большого числа объектов в Европе. Программа позволяет определять напряженно-деформированное состояние как в грунтовом массиве, так и в конструкциях, взаимодействующих с грунтом на любой стадии их возведения. Для моделирования грунта программа используют 15-узловые или 6-узловые треугольные элементы. Для моделирования работы грунта программой могут быть использованы следующие модели:
• Упругая модель;
• Модель Кулона-Мора;
• Модифицированная модель Кулона-Мора;
• Модель Плаксиса (модифицированная Модель Кем-Клей, шатровая модель);
• Модель Кем-Клей (шатровая модель);
• Гиперболическая модель;
• Модель Дьюкера-Прагера.
Программой также могут использоваться другие специальные типы элементов:
2/2010 ВЕСТНИК _ 2/20™_МГСУ
- Интерфейсные элементы для моделирования взаимодействия конструкций на контакте с грунтом;
- Балочные элементы - линейные элементы для моделирования строительных конструкций, взаимодействующих с грунтом;
- Анкерные элементы - для моделирования анкеров и распорок;
- Туннельные элементы - для моделирования туннелей и обделок в грунте.
При выполнении прогноза влияния строительных работ геомеханическая модель грунтового массива для выполнения моделирования по расчетному сечению строится по результатам анализа и изучения инженерно-геологических разрезов и результатов лабораторных исследований физико-механических характеристик инженерно-геологических элементов.
Для моделировании механического поведения конструкционных материалов и инженерно-геологических элементов при изменении их напряженно-деформированного состояния могут быть использованы следующие математические модели:
В последнее время для многих объектов часто использует упругую модель и модифицированную модель Кулона-Мора.
Упругая модель. Упругая модель используется для моделирования работы конструкционных материалов (железобетон, бетон) элементов подземной части здания.
Модифицированная модель Кулона-Мора. Для моделирования работы грунтового массива может быть использована модифицированная упруго-пластическая модель Кулона-Мора, соответствующая полноте приводимых в материалах инженерно-геологических изысканий физико-механических характеристик грунтов основания.
Ниже приведены основные зависимости деформационной модифицированной модели Кулона-Мора, а также параметры модели, необходимые для расчетов.
Основой упругопластического поведения материалов является тот факт, что общие деформации в точке могут быть представлены суммой упругих и пластических деформаций. В теории пластичности вводится понятие функции текучести Г, определяющей упруго или пластически работает материал. В соответствии с классической теорией пластичности (ассоциированный закон) приращение пластических деформаций в точке может быть представлено:
* да
где X,- скалярный пластический множитель.
Известно, что при применении функции текучести Кулона-Мора в случае развитого течения и больших перемещений грунта эта теория преувеличивает дилатант-ность среды в пластической стадии деформирования. Поэтому, в дополнении к функции текучести Г вводится функция пластического потенциала g. Случай, когда g не равно £, называют не ассоциированным законом пластичности:
" До
Для того, чтобы определить пластический множитель используется условие сохранения пластического состояния в точке.
По Кулону-Мору функцию пластичности Г можно записать в виде:
Г, = &Я||+^ + <г3|-ааНф - со«(р > О Г, = — |Оз - СГ]| + + 0(1 ■ »Шф — с- СОКф > О
("а = |о, + я!пф — с - сокф > О
Функция пластического потенциала g может быть представлена в виде:
1\ I,1! I •
Ь .1, , §2 = 2Рз -01| + "Р1
где у- угол дилатансии.
Данный параметр требуется для моделирования пластических объемных деформаций. Особенно актуальным является применение данного параметра для плотных песков. Для глинистых грунтов угол дилатансии обычно принимается равным нулю. Дилатансия песков зависит как от их плотности, так и от угла внутреннего трения. Для кварцевых песков величина угла дилатансии принимается в соответствии с выражением:
V = Ф - 30°
Следует отметить, что отрицательное значение угла дилатансии применимо лишь для рыхлых песков.
Модель Кулона-Мора требует ввода 5 основных расчетных параметров, получаемых путем лабораторных или полевых испытаний грунтов:
О - Модуль сдвига (О = Б/2(1+у));
V - Коэффициент Пуассона;
ф - Угол внутреннего трения;
с - Сцепление;
у - Угол дилатансии.
При моделировании рассматриваются несколько сечений, проходящих через котлован и глубокую широкую траншею проектируемого объекта (здание, сооружение или инженерные коммуникации (трубопроводы)) фундаментные конструкции существующих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния строительных работ (земляных работ). Для составления расчетной схемы используются инженерно-геологические разрезы, приведенные в отчетах по инженерно-геологическим изысканиям.
Расчеты могут быть проведены по следующей методике.
Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива по выбранному расчетному сечению проводится в соответствии с историческим процессом его формирования. При проведении расчетов могут быть учтены только статические воздействия. При расчетах часто динамические и температурные воздействия не учитываются.
При проведении математического моделирования могут учтены следующие этапы:
- определение начального напряженно-деформированного состояния грунтового массива от действия собственного веса грунта в расчетной области;
2/2010 ВЕСТНИК
- моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива введением в расчетную модель существующее здание или сооружение;
- загружение полученной на предыдущем этапе расчетной модели нагрузкой от надземных конструкций существующего здания или сооружения;
- моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива при введении в расчетную модель элементов, моделирующих мероприятия по защите существующего здания или сооружения от влияния строительных работ (разделительная стенка, закрепление и усиление фундаментов);
- моделирование напряженно-деформированного состояния грунтового массива при введении в расчетную модель элементов, моделирующих ограждение котлована («стена в грунте», шпунтовое ограждение и т.д.);
- разные этапы разработки котлована или траншеи до разных отметок и введение в модель разных ярусов распорной системы;
- обнуление перемещений грунтового массива и конструкций здания или сооружения. Введение в модель фундамента и конструкций подземной части проектируемого объекта. Поэтапный демонтаж ярусов распорок;
- загружение расчетной модели полученной на предыдущем этапе нагрузкой от надземных конструкций проектируемого объекта и определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива с учетом этого типа нагрузки.
В результате проведенных расчетов устанавливается максимальная прогнозируемая величина дополнительной осадки и максимальная величина относительной разности осадок фундаментов существующих зданий или сооружений, попадающих в зону влияния строительных работ, с учетом проведения мероприятий по защите существующего здания или сооружения. При расчетах могут эти значения могут быть определены без учета мероприятий по защите зданий или сооружений, попадающих в зону влияния строительных работ. После этого производится сравнение полученных значений с максимально допустимыми значениями, регламентированными в нормативных документах.
По результатам моделирования напряженно-деформированного состояния грунтового массива определяются основные методы защиты существующих зданий или сооружений от влияния строительных работ при прокладке инженерных коммуникаций (водоводов) открытым способом.
Литература
1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых во-донасыщенных грунтах. М.: Стройиздат, 1983. - 248 с.
2. Щерба В.Г., Кочанов А.А., Абелев К.М., Храмов Д.В., Козьмодемьянский В.Г. Особенности возведения оснований и фундаментов зданий в стесненных условиях. Промышленное и гражданское строительство. М. 2008, № 12. С. 59-60.
Ключевые слова: исследование, деформация, здание, сооружение, реконструкция, коммуникация, проектирование, моделирование
Keywords: The research, the deformation, the building, the construction, the reconstruction, communications, projecting, modeling.
Рецензент: Абелев М.Ю. доктор технических наук, профессор, ГАСИС
e-mail автора: [email protected]
