Full Text

Введение Формирование удобной и комфортной среды в крупных городах и мегаполисах сопровождается активным использованием подземного пространства. Развитие метрополитена, строительство и реконструкция объектов с развитой подземной частью, устройство новых и переоборудование старых инженерных сетей - решению всех этих задач сопутствуют большие объемы открытых выработок, устройство которых должно обеспечивать наименьшее воздействие на существующие здания и сооружения. Отечественные и зарубежные коллеги имеют большой объем накопленного опыта в реализации проектов любой степени сложности. Множество объектов возведено в сложной инженерно-геологической и гидрогеологической ситуации, в условиях повышенной плотности и близости окружающей застройки. Зачастую реализация этих проектов возможна только с применением различных видов защитных активных и пассивных мероприятий. В стесненных городских условиях выемка грунта из котлованов осуществляется под защитой различных ограждающих конструкций с применением всевозможных распорных систем. Выбор конструктивного типа ограждения зависит от глубины котлована, близости существующей застройки и коммуникаций к месту работ, инженерно-геологических и гидрогеологических условий участка строительства. В отечественной строительной практике устройства котлованов чаще всего применяются ограждение из труб с различной частотой погружения, шпунтовое ограждение котлована и «стена в грунте» траншейного типа [1]. Наиболее универсальным с точки зрения сопоставления технических показателей является третий из вышеупомянутых типов ограждения [2]. «Стена в грунте» имеет ряд преимуществ, связанных с минимизацией шума и вибрации при устройстве ограждающих конструкций, влиянием на окружающую застройку, высокой жесткостью и прочностью, возможностью применения в любых грунтовых и гидрогеологических условиях [2; 3], а также совмещением функции ограждения котлована с несущими конструкциями возводимого сооружения [3; 4]. Н.С. Никифоровой экспериментальным путем установлено [5], что при глубине открытых выработок более 10 м в сложных грунтовых условиях относительная величина горизонтальных перемещений ограждения котлованов может достигать 0,3-0,5 % от глубины котлована. Кроме того, авторы других работ зафиксировали, что, по результатам наблюдений, в слабых грунтах зона максимального горизонтального смещения располагается на участке 0,5-1,0 Нк от земной поверхности [6], а средняя величина горизонтальных смещений стены составляет 0,87 % от глубины котлована [7]. Данные значения перемещений могут привести не только к предельным деформациям зданий и сооружений, но и снижению эксплуатационной надежности самой ограждающей конструкции. М.А. Безгодов и С.В. Калошина [8] в процессе проектирования выяснили, что увеличение защемления ограждения от 1/6 до 1,0 Нк снижает дополнительную осадку фундаментов на 60 %. Р.А. Мангушев и Д.А. Сапин в своей работе [9] с помощью метода конечных элементов определили, что увеличение величины заделки ограждения на длину более глубины котлована при любой его жесткости практически не приводит к снижению вертикальных перемещений массива грунта за пределами котлована, а увеличения толщины стены в разумных пределах иногда недостаточно для требуемой жесткости ограждения. Поэтому в отдельных случаях необходимо предусматривать разработку мероприятий по сохранности несущих конструкций зданий и сооружений, попадающих в зону интенсивных деформаций. М.Г. Зерцалов и соавторы [10] провели исследование влияния нескольких факторов на дополнительную осадку здания и методом факторного анализа выяснили, что наибольшее воздействие оказывают расстояние от ограждения котлована до дома, глубина открытой выработки и модуль деформации массива грунта. Вместе с тем установлено, что на дополнительные перемещения соседней застройки также оказывают влияние технологические факторы, доля которых при устройстве траншейной «стены в грунте» может достигать 70 % [11], основными из них являются: расстояние между стеной и траншеей, размеры захватки, нагрузка под подошвой фундамента и плотность бентонитового раствора [12]. Согласно нормативной литературе (СП 248.1325800.2016) в наиболее распространённых условиях осадки от технологического воздействия при устройстве «стены в грунте» допускается принимать как процент от прогнозируемых дополнительных деформаций, что для открытого способа работ составляет от 5 до 15 % в зависимости от грунтовых условий. Интересным представляется исследование В.С. Поспехова [13], посвященное изучению углового эффекта котлована. Автором приводятся данные мониторинга, доказывающие влияние угловых зон, и рекомендуется трехмерная постановка задачи для возможности учета в геотехническом прогнозе вертикальной и горизонтальной жесткости конструкций ограждения. Наряду с этим тайваньскими учеными [16] подтверждено воздействие угловой зоны на перемещение ограждения, а также установлено, что длина этой зоны равняется ширине выемки. Hsii-Sheng Hsieh и соавторы [17], рассматривая защитные мероприятия (введение контрфорсных участков, поперечных стен и цементацию дна котлована), также отмечают расхождение прогнозных и фактических деформация ограждения и связывают это с недоучетом трехмерного напряженного состояния. Таким образом, оценка влияния строительства на окружающую застройку зависит от многих факторов и является актуальной и необходимой задачей, способной предотвратить потенциальные аварийные ситуации [14], связанные с многочисленными рисками, возникающими при проектировании и производстве строительно-монтажных работ [15]. Материалы и методы В данной статье рассматривается строительство котлована монтажно-щитовой камеры открытым способом с применением защитных мероприятий в виде поперечных стен и влияние строительства на близрасположенное жилое здание. Расчеты показали необходимость проектирования дополнительных мероприятий, поскольку прогнозные дополнительные деформации фундаментов здания превышали предельно допустимые значения. Особенностью этого котлована стало устройство поперечных стен внутри сооружения для придания дополнительной жесткости системе ограждающих конструкций. По мере разработки грунта внутренние стены демонтируются с помощью алмазной фрезы. Такая технология должна обеспечить наименьшее влияние на объекты, попадающие в расчетную зону. Размер котлована в плане 52,5 ´ 25,6 м, что является минимально достаточным для монтажа и старта тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК), используемого при строительстве данного участка. Глубина котлована составляет 19,9 м. Стены ограждения котлована заглублены на 19,0 м ниже отметки дна с заходом в слой глины, служащей водоупором. Данное решение позволяет избежать притока грунтовых вод через дно котлована и отказаться от внешнего водопонижения, что, в свою очередь, ведет к уменьшению вероятности осадки поверхности территории, прилегающей к котловану. Ограждающие конструкции котлована монтажной камеры «стена в грунте» траншейного типа толщиной 800 мм, из бетона класса В25. Совместно со стенами периметра котлована монтажно-щитовой камеры (МЩК) сооружаются две отсечные стенки без арматурных каркасов. Стены котлована крепятся раскосами и расстрелами из металлических труб, через продольные пояса из пакетов двутавровых балок, по мере производства земляных работ. Количество ярусов крепления пять. Сечения распорного крепления представлены на рис. 1, 2. После разработки грунта до отметки дна котлована возводится железобетонный лоток, выполняющий роль распорки и основания для старта ТПМК. Демонтаж последнего яруса (в уровне ТПМК) осуществлялся только после набора прочности железобетонного лотка не менее 80 % от проектной. Рис. 1. План распорного крепления котлована: 1 - разрез, приведенный на рис. 2 Fig. 1. Plan of the foundation pit spacer mounting: 1 - section shown in Fig. 2 Рис. 2. Продольный разрез котлована и скважина Fig. 2. Longitudinal section of the pit В непосредственной близости, на расстоянии 13 м, от открытой выработки находится пятиэтажный жилой дом с габаритными размерами 72,5 ´ 12,5 м, имеющий вытянутую прямоугольную конфигурацию в плане. Дом построен по проекту типовой серии I-511 в 1966 г. Фундамент состоит из сплошных фундаментных блоков на фундаментной подушке, глубиной заложения 0,61 м от уровня чистого пола подвального этажа и 2,2 м от поверхности земли. Здание имеет работоспособную II категорию технического состояния. Массив грунта, вмещающий котлован, состоит из следующих грунтов в порядке залегания (механические характеристики представлены по основным ИГИ): ¨ 1-40 - техногенный грунт: песок средней крупности, с прослоями суглинка и супеси (Е = 13 МПа, φ = 30°; с = 1 кПа); ¨ 15-5-3-1 - песок коричневый, средней крупности, глинистый, плотный, малой и средней степени водонасыщения (Е = 39 МПа, φ = 36°; с = 1 кПа); ¨ 24-3-3 - суглинок коричневый, песчанистый, с линзами песка, с дресвой, гравием и щебнем, тугопластичный, прослоями - мягкопластичный (Е = 22 МПа, φ = 28°; с = 45 кПа); ¨ 25-5-5-1 - песок коричневато-серый, пылеватый, глинистый, с глинистыми прослоями, плотный, водонасыщенный (Е = 28 МПа, φ = 32°; с = 6 кПа); ¨ 25-5-4-1 - песок мелкий, с глинистыми прослоями, средней плотности, водонасыщенный (Е = 40 МПа, φ = 35°; с = 4 кПа); ¨ 39-2-3 - глины пылеватые, с прослоями песка, тугопластичные (Е = 25 МПа, φ = 25°; с = 47 кПа); ¨ 41-2-2 - глины пылеватые, слюдистые, полутвёрдые (Е = 22 МПа, φ = 16°; с = 90 кПа). Рис. 3. План расположения дома и котлована Fig. 3. Layout of the house and the pit В рамках данной статьи с целью определения эффективности и рассмотрения особенностей работы дополнительных поперечных стен, были смоделированы восемь расчетных схем. Рассматривались трехмерные схемы с учетом защитных мероприятий и без них, а также аналогичные двумерные схемы для возможности сравнения и оценки применимости трехмерной и двумерной постановки. Защитные мероприятия в 2D задаче учитывались путем увеличения жесткости в зоне пассивного отпора, для этого грунту на глубину дополнительных поперечных стен был назначен линейно-упругий материал со средневзвешенным значением модуля деформации грунта и бетона, значение которого составило 1804 МПа. Также, согласно указанию СП 63.13330.2018, были рассмотрены аналогичные расчетные схемы, но с учетом ползучести бетона. Ползучесть учитывалась путем снижения начального модуля упругости бетона согласно рекомендациям свода правил. Таким образом, для ограждения были приняты следующие значения: начальный модуль упругости Eb = 30 000 МПа и модуль деформации с учетом ползучести Eb,τ = 10 714 МПа. Рис. 4. Трехмерная расчетная схема Fig. 4. Three-dimensional design scheme Рис. 5. Двумерная расчетная схема Fig. 5. Two-dimensional design scheme Следует отметить, что при рассмотрении геометрических характеристик системы ограждающих конструкций половины котлована (рис. 6) с усилением и без момент инерции Iv с учетом дополнительных стен возрастает в 1,66 раз с 924,7 до 1534,5 м4, что говорит о значительном повышении жесткости ограждения и эффективности данных мероприятий. Также, допуская работу «стены в грунте» в горизонтальной плоскости за счет обвязочной балки, распределительных поясов и сдвиговой жесткости шпонок между захватками, введённые дополнительные стенки будут являться дополнительными точками опоры, за счет чего пролет снижается в три раза, что также сказывается на системной жесткости котлована и перемещениях СВГ. а б Рис. 6. Схема к определению момента инерции половины котлована: а - без поперечных стенок; б - с поперечными стенками Fig. 6. Scheme for determining the moment of inertia of half of the pit: a - without transverse walls; б - with transverse walls Моделирование расчетных схем производилось в программном комплексе PLAXIS [18] с использованием упругопластической модели грунта Hardening soil [19], для которой были выполнены и обработаны специальные лабораторные испытания. К преимуществам данной модели относятся: нелинейное поведение, зависимость жесткости от уровня напряжения, упрочнение при сдвиге и изотропном сжатии, возможность учета исторического напряженного состояния. Однако данная модель также не лишена недостатков, по опыту использования модель зависима от глубины расчетной области. Поэтому нижняя граница расчетной схемы была ограничена в соответствии с рекомендациями СП 249.1325800.2016. Ограждающие конструкции котлована моделировались ортотропными, неспособными воспринимать изгибающий момент в горизонтальной плоскости, однако учитывалась сдвиговая жесткость в горизонтальном направлении (по конструктивным особенностям «стены в грунте»). Расчетные схемы моделировались в соответствии со следующими основными этапами: - определение напряженно-деформированного состояния грунтового массива с учетом существующего дома; - выполнение работ по устройству ограждения «стена в грунте» и приложение равномерно распределённой нагрузки от техники и складирования материалов на бровку котлована. Обнуление деформаций; - поярусная разработка грунта, устройство распорного крепления и демонтаж поперечных стен (в соответствующей схеме); - бетонирование временного лотка и деактивация последнего яруса крепления. Результаты Таким образом, по результатам расчетов были определены дополнительные осадки фундаментов (рис. 7), деформации стен и возникающие изгибающие моменты. Результаты расчетов представлены в таблице. Результаты расчетов Results of calculation Расчетная схема Максимальное горизонтальное перемещение СВГ, мм Глубина расположения точки максимального смещения в долях глубины котлована, Нк Изгибающий момент в стене со стороны котлована на последней фазе, кНм Осадка здания, мм прогнозируемая предельно допустимая фактическая, по данным мониторинга 3D Без поперечных стенок, с модулем упругости Eb 52,9 (0,27 % Нк) 0,92 1582 22,7 30 3 С поперечными стенками, с модулем упругости Eb 36,5 (0,18 % Нк) 0,87 1452 10,1 Без поперечных стенок, с модулем деформации Eb,τ 70,5 (0,36 % Нк) 0,92 1129 32,1 С поперечными стенками, с модулем деформации Eb,τ 51,7 (0,26 % Нк) 0,87 998 14,7 2D С модулем упругости Eb 50,7 (0,26 % Нк) 0,92 1487 29,2 С учетом поперечных стенок и модулем упругости Eb 28,4 (0,15 % Нк) 0,87 1146 15,2 С модулем деформации Eb,τ 67,4 (0,34 % Нк) 0,91 867 38,4 С учетом поперечных стенок и модулем деформации Eb,τ 37,9 (0,20 % Нк) 0,85 664 19,7 Рассмотрев полученные показатели, можно сделать следующие выводы (значения в скобках соответствуют плоской задаче): 1. Введение поперечных стенок снизило дополнительные деформации фундаментов на 55 (48) %. 2. С учетом отсечных стен горизонтальные перемещения СВГ снизились на 29 (44) % и составили 0,18 (0,15) % Нк и 0,26 (0,20) % Нк для начального Eb и с учетом ползучести Eb,τ модулей соответственно. 3. Максимальные горизонтальные деформации отмечены на глубине 0,87 и 0,92Нк для котлована с мероприятиями и без них соответственно. 4. Введение дополнительных стен снизило изгибающий момент в СВГ на 10 (23) %. 5. Использование модуля деформации с учетом ползучести Eb,τ увеличило горизонтальные перемещения в среднем на 37 (33) %, однако снизило изгибающий момент в СВГ на 30 (42) %. 6. Фактическая осадка составила 10 % относительно предельно допустимой, но расчетные значения составили 33,6 (50,1) % для Eb и 49 (65,7) % для Eb,τ. 7. Предложенная методика учета дополнительных поперечных стенок в плоской постановке дает близкие значения эффективности данных мероприятий по отношению к трехмерной задаче. В то же время осадки фундаментов, рассчитанные в плоской постановке, несколько больше из-за недоучета пространственной жесткости. 8. 3D-модели без мероприятий дают хорошую сходимость в деформациях СВГ с 2D-схемами, равную порядка 95 %. 9. Прогнозируемая осадка превышает фактическую, даже без учета технологического воздействия. Рис. 7. Дополнительные вертикальные перемещения здания с учетом усиления Fig. 7. Additional vertical movements of the building with reinforcement Обсуждение Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы: ¨ Устройство дополнительных поперечных стен является эффективным, защитным мероприятием, позволяющим реализовать пассивную защиту еще на этапе проектирования. ¨ Наилучшая сходимость результатов отмечается в трехмерной модели с использованием начального модуля упругости бетона Eb, поэтому использование модуля деформации бетона с учетом ползучести требует дальнейшего изучения. ¨ Разница фактических и прогнозируемых дополнительных деформаций объясняется возможными несовершенствами расчётной схемы, результатов инженерно-геологических и инженерно-геотехнических изысканий, а также зависимостью используемой модели от глубины расчетной области. Вследствие совершенного типа «стены в грунте» глубина расчетной схемы не могла быть ограничена в полной мере. Поэтому для лучшей сходимости результатов возможно использование модели Hardening soil small с учетом жесткости при малых деформациях [20]. а б в г Рис. 8. Горизонтальные перемещения «стены в грунте»: а - без поперечных стенок; б - с поперечными стенками, в - дополнительные деформации без поперечных стенок; г - дополнительные деформации с поперечными стенками Fig. 8. Horizontal movements of the «slurry wall»: a - without transverse walls; б - with transverse walls, в - additional deformations without transverse walls; г - additional deformations with transverse walls ¨ Характер горизонтальных перемещений ограждения говорит об участии горизонтальной жесткости в «системной» работе ограждения (рис. 8), поэтому полноценный и корректный учет углового эффекта и данных мероприятий возможен только с использованием трехмерных моделей. ¨ На основе анализа результатов трехмерных и двумерных расчетов подтверждена возможность расчета ограждающих конструкций котлованов с соотношением длины к ширине более 2/1 в рамках задачи плоской деформации, однако деформации окружающей застройки все равно несколько завышаются из-за недоучета пространственной жесткости. ¨ Полноценный учет проектных решений данной типа невозможен в рамках плоской задачи, однако предложенная методика позволяет быстро оценить эффективность данных мероприятий на этапе предварительных расчетов, и также может быть полезна проектным организациям, не имеющим соответствующего трехмерного программного обеспечения. Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.

About the authors

A. Z Ter-Martirosian

Moscow State (National Research) University of Civil Engineering

R. H Cherkesov

Mosinzhproekt

I. O Isaev

Mosinzhproekt

V. S Grishin

Mosinzhproekt

References

Statistics

Views

Abstract - 945

PDF (Russian) - 275

Refbacks

• There are currently no refbacks.