Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 2

 

  Главная      Учебники - Разные     Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован, на усилия в конструкциях ограждения котлована при сезонном изменении температуры

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..      1      2      3      ..

 

 

Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 2

 

В научно-технической литературе достаточно широко изучен и освещен вопрос учета температурных воздействий в строительный и эксплуатационный период при расчете зданий из железобетонных, металлических, каменных и армокаменных конструкций [4-6, 25]. В работах [35-37] приведены результаты натурных и расчетно-теоретических исследований НДС свайных ростверков при изменении температуры. При этом вопросы температурных деформаций и напряжений в элементах ограждения котлована, связанных с грунтом основания, имеющим податливость, изучены еще недостаточно.

14 

 

Последний  компонент,  вызывающий  в  элементе  лишь  бимоменты  высоких 

порядков, обычно не учитывают. 

 

Рисунок 1.2.1 - Компоненты температурного поля [11] 

Конструкции, напряженно-деформированное состояние которых определяется 

главным  образом  осевыми  температурными  деформациями  элементов, 
рассчитываются на ∆t - изменение во времени средней по сечению температуры 
конструкций по отношению к начальной температуре t

0

 

(рисунок 1.2.2а).  

Примыкающие друг к другу элементы и их соединения при различных осевых 

температурных деформациях рассчитываются на сдвиг (рисунок 1.2.2б).  

Конструкции, в которых возникают неравномерные температуры по сечению, 

рассчитываются на перепад температуры по сечению (рисунок 1.2.2в). 

 

 

Рисунок 1.2.2 - Виды температурных деформаций элементов: а - осевых 

удлинений (укорочений); б - сдвиговых; в - поперечных изгибных [11] 

 

Следует  отметить,  что  реализуемые  в  настоящее  время  расчетные  схемы 

зданий существенно отличаются от схем, применяемых для расчета конструкций 
ограждений  котлована.  В  большинстве  случаев  здания  рассчитываются  по 

15 

 

системе  "надфундаментные  конструкции  -  фундаменты  -  основание".  При  этом 
взаимодействие  основания  с  подземной  часть  здания  моделируется  только  в 
горизонтальной  плоскости  фундамента.  Взаимодействие  массива  грунта  с 
вертикальными  несущими  конструкциями  подземной  части  заменяются 
горизонтальным давлением грунта на поверхность наружных заглубленных стен. 
При  расчете  зданий,  в  т.ч.  на  температурные  воздействия,  данная  схема 
допустима  в  связи  с  высокой  жесткостью  конструкций  и  минимальными 
температурными перепадами в подземной части здания в период эксплуатации. 

Подход при расчете котлованов иной. Конструкции ограждений котлованов в 

общем виде представляют собой двух- или трехкомпонентную системы: "массив 
грунта  -  ограждающая  конструкция  котлована"  (для  котлованов  с  консольным 
типом  ограждающей  стены);  "массив  грунта  -  ограждающая  конструкция 
котлована  -  распорные  конструкции"  (для  котлованов  с  дополнительным 
креплением).  При  расчете подобных  схем  усилия,  возникающие  в конструкциях 
ограждения  котлована  от  температурных  воздействий,  зависят  от  податливости 
грунта  за  ограждающей  стенкой.  Взаимодействие  фундаментов  и  подземных 
сооружений  с  грунтовыми  массивами  при  действии  горизонтальных  нагрузок 
освящено в работах [9, 16, 18, 33, 47, 59] и многих других авторов.  

Изменение  напряженно-деформируемого  состояния  конструкций  ограждения 

связано  с  размерами  котлована,  характеристиками  массива  грунта,  типом 
ограждающей стены и технологией её устройства. 

Температурные  напряжения  могут  быть  вызваны  как  температурным 

воздействием  непосредственно  на  конструкции  ограждения  котлована,  так  и  на 
массив грунта за ограждением.  

В  первом  случае  распорные  конструкции  рассчитываются  с  учетом  осевых 

температурных  деформаций,  а  ограждения  -  с  учетом  деформаций,  связанных  с 
неравномерным нагревом сечения со стороны грунта и со стороны котлована. 

В  современной  практике  проектирования  котлованов  расчеты  элементов 

крепления на температурные воздействия, как правило, производятся по схеме с 
неподвижно-защемленными  опорами.  При  подобном  подходе  определенные 

16 

 

расчетом  температурные  напряжения  в  распорных  конструкциях  превышают 
напряжения, определенные с учетом податливости стен котлована. В результате 
проектирование ведется с перерасходом материала. 

Проектирование котлованов без учета температурных воздействий на работу и 

поведение  конструкций  ограждения  котлованов  может  послужить  причиной 
аварийных  ситуаций,  связанных  как  непосредственно  с  ограждениями 
котлованов,  так  и  с  окружающей  застройкой.  Одним  из  примеров  является 
предаварийная  ситуация,  произошедшая  в  1995г.  при  строительстве  торгового 
центра "Охотный ряд" на Манежной площади в Москве, описанная Колыбиным 
И.В.  [27].  Конструкции  ограждения  котлована  глубиной  10м  в  виде  "стены  в 
грунте"  толщиной  0,9м  с  креплением  в  уровне  её  головы  с  помощью 
фундаментной плиты малозаглубленной части комплекса были забетонированы в 
летний период. В осенне-зимний период в месте объединения "стены в грунте" и 
фундаментной  плиты  вследствие  разрыва  связей  образовалась  трещина, 
раскрытие которой в процессе сезонного понижения температуры достигло 32мм. 
Проведенный  анализ,  включавший  поверочный  расчет  конструкций  с  учетом 
температурных  воздействий  показал,  что  разрыв  связей  произошел  за  счет 
уменьшения длины плиты при охлаждении. Похожий случай освещен в [50]. 

Современные  программные  комплексы,  такие  как  GeoSoft  Alterra  (Россия), 

PLAXIS  2D 

и  3D  (Нидерланды),  MIDAS  GTS  NX  и  SoilWorks  (Южная  Корея), 

ZSOIL.PC 

(Швейцария),  Fine  GEO  5  (Чешская  Республика)  и  др.  позволяют 

решать  геотехнические  задачи,  связанные  с  расчетом  подземных  сооружений,  в 
т.ч.  и  ограждений  котлованов.  Многие  из  перечисленных  программ  имеют 
инструментарий,  позволяющий  моделировать  перепады  температуры  в  расчете. 
Однако методики и требования к проведению подобных расчетов отсутствуют в 
современной  научно-технической  литературе  и  в  действующих  нормативных 
документах.  

Вышеизложенное  дает  основание  сделать  вывод  о  необходимости 

дополнительных  исследований  учета  сезонного  изменения  температуры  при 

17 

 

проектировании  ограждающих  конструкций  котлованов  и  выполнении 
геотехнического прогноза.

 

1.3 

Обзор современных методов расчета конструкций ограждения 

котлованов с учетом температурных воздействий 

Обеспечение  безопасности,  надежности,  долговечности  и  экономичности 

конструкций  ограждения  котлована  при  их  проектировании  базируется  на 
расчетах по первому и второму предельным состояниям.  

Классические  методы  аналитического  или  графоаналитического  расчетов 

применимы для ограждений, работающих по консольной схеме или имеющих не 
более  двух  ярусов  распорок.  Данные  методы  не  учитывают  последовательность 
разработки котлована и др. факторы.  

Для  расчета  прочности  и  устойчивости  ограждений  котлованов  в  настоящее 

время  применяются  численные  методы  расчета,  в  которых  рассматривается 
контактная  задача  взаимодействия  гибкой  подпорной  конструкции  с 
упругопластическим  основанием,  описываемым  переменным  коэффициентом 
жесткости. Данный принцип реализован в отечественных (Wall-3, GeoWall и др.) 
и  зарубежных  программах  (ReWaRD,  BMWALL  и  др.).  Указанные  программы 
подтвердили  свою  эффективность  при  расчете  прочности  и  устойчивости 
ограждающих  конструкций,  однако  выполнить  оценку  влияния  нового 
строительства на существующую застройку данными методами невозможно. 

Для  моделирования  взаимодействия  массива  грунта  с  ограждающей 

конструкцией  котлованов  используются  программы,  основанные  на  методе 
конечных  элементов.  В  современной  практике  широкое  применение  получили 
программные комплексы PLAXIS 2D и 3D (Нидерланды), ZSOIL.PC (Швейцария), 

MIDAS GTS NX 

и SoilWorks (Южная Корея) и многие другие. Данные программы 

имеют  широкий  инструментарий  и  библиотеку  моделей  грунта,  что  позволяет 
решать  с  их  помощью  сложные  геотехнические  задачи  как  в  плоской,  так  и  в 
пространственной постановке.  

18 

 

Исследование деформаций окружающего грунтового массива, а также зданий 

и  сооружений  вследствие  строительства  котлованов  можно  разбить  на  две 
основные  группы:  численные  исследования,  экспериментальные  исследования. 
Также  в  работе  Никифоровой  Н.С.  [34]  получил  развитие  полуаналитический 
метод определения деформаций зданий вблизи котлована.  

В разное время проблемой устройства подземных сооружений, котлованов и 

их влиянием на окружающую застройку занимались отечественные ученые, такие 
как Ильичев В.А. [22, 23], Мангушев Р.А. [22, 30-32], Никифорова Н.С. [22, 31, 32, 

34], 

Тер-Мартиросян  З.Г.,  Тер-Мартиросян  А.З.,  Готман  А.Л.,  Готман  Н.З., 

Знаменский  В.В.  [23],  Колыбин И.В.  [26,  27],  Петрухин  В.П.,  Мозгачева  О.А., 
Шулятьев О.А. [40-44, 61-63], Разводовский Д.Е., Скориков В.А. [41, 48], Буданов 
В.Г., Скачко А.Н. [8], Ставницер Л.Р., Шейнин В.И., Шишки В.Я. [45], Улицкий 
В.М. [58], Зерцалов М.Г. [21], Конюхов Д.С. [28, 29], Шапиро Д.М. [60] и др., а 
также  зарубежные  ученые:  Burland  J.В.,  Standing,  J.R.,  Jardine  F.M.  [65], 

Moormann, Ch [66, 69, 70

], Moormann, Н.R. [69], Реск, R В [72] и др.

 

1.4 Обзор экспериментальных исследований температурных 

воздействий на конструкции ограждения котлованов 

Исследования  влияния  изменения  температуры  на  усилия  в  конструкциях 

ограждения  котлованов  и  на  осадки  окружающего  котлован  массива  грунта 
проводились Петрухиным В.П., Шулятьевым О.А., Мозгачевой О.А., Поспеховым 
В.С.  [42-44,  61-63].  В  исследованиях  авторами  приводятся  данные  о 
дополнительных  усилиях,  возникающих  в  распорной  системе  котлована  при 
изменении  температуры,  а  также  данные  натурных  наблюдений  за 
горизонтальными  перемещениями  ограждающей  стены  котлована  и  осадками 
окружающей застройки при устройстве котлована в осенне-зимний период. 

Результаты  мониторинга  распорной  системы  из  стальных  труб,  ограждения 

котлована для строительства офисно-административного комплекса [62] в Москве 
описаны  в  работе  [61].  Измерениями  усилий  в  распорках  из  стальных  труб, 
расположенных в четырех уровнях, при глубине котлована до 18м, выполненного 

19 

 

под  защитой  монолитной  железобетонной  «стены  в  грунте»  толщиной  600мм  и 
800мм  было  установлено,  что  в  результате  циклического  нагрева  и  охлаждения 
напряжения  в  распорках  при  постоянной  температуре  14°С  увеличились  более 
чем  на  50%  относительно  расчетных  значений  (рисунок  1.4.1,  1.4.2).  Авторы 
исследования объясняют это перемещением ограждения котлована за счет сжатия 
распорок  при  падении  температуры  и  невозможностью  вернуться  в  исходное 
состояние  при  последующим  увеличении  температуры  ввиду  того,  что  этому 
препятствует пассивное давление грунта. 

 

 

Рисунок 1.4.1 – График изменения относительных деформаций в распорке: 1 – 

температура воздуха; 2 – усилия в распорках [61] 

 

20 

 

  

Рисунок 1.4.2 – График изменения напряжений в распорках во времени при 

одинаковой температуре воздуха 14°С: 1, 2, 3, 4 –датчики установленные на 

распорках [61] 

 

Экспериментальные  данные  [66]  так  же  показывают  увеличение  усилий  в 

распорной системе при повышении температуры распорок. В котловане глубиной 
16м  с  четырьмя  ярусами  распорок,  выполненного  для  строительства  подземной 
части здания Main Tower (г. Франкфурт, Германия), при повышении температуры 
на  20°С  зафиксировано  увеличение  усилий  в  распорках  до  60%  (рисунок  1.4.3). 
Автором  предложено  условие  зависимости дополнительных  усилий  в  распорках 
от  податливости  грунта  за  ограждением  котлована.  Эмпирически  получен 
понижающий  коэффициент  f

t

 

для  определения  усилий  в  распорной  системе  с 

учетом податливости грунта для конкретных условий (условие 1.4.1).  

∆N=f

t

·

α

t

·∆T·EA 

 

 

 

 

(1.4.1) 

где ЕА – осевая жестокость распорок; 
α

t

 - 

коэффициент линейного температурного расширения материала распорки; 

21 

 

T - 

перепад температуры; 

f

– 

понижающий  коэффициент,  учитывающий  податливость  ограждающих 

стен котлована. 

 

Для  ограждения  глубокого  котлована  в  виде  «стены  в  грунте»  из 

буросекущихся свай в полутвердых глинах коэффициент f

определен в диапазоне 

от  0,2  до  0,3.  Ранее  в  работах  [76,  77]  были  предложены  следующие  значения 
коэффициента f

: 0,15- 

для ограждения котлована из отдельных элементов; 0,25-

0,35 – 

для сплошного ограждения котлована в виде «стены в грунте» траншейного 

типа или из буросекущихся свай. В работах [67, 68] рассматривались аналогичные 
эмпирические подходы. 

Следует отметить, что предложенный метод определения усилий в распорной 

системе, основанный на понижении значения усилий, определенных для распорок 
с неподвижными опорами, не учитывает длину и глубину установки распорок, а 
также податливость ограждающей стены в различных грунтовых условиях. 

Другие данные [71] получены при строительстве станции Esplanade Station (г. 

Перт, Западная Австралия) в котловане глубиной 13м с тремя ярусами распорок 
из  труб  ∅406x9,5мм  и  ∅1016x16мм  средней  длиной  23,5м.  Грунтовые  условия 
площадки  представлены  преимущественно  песками  с  прослойками  суглинка. 
Результаты  эксперимента  показали,  что  при  повышении  температуры  на  25°С 
дополнительные  усилия  в  распорке  верхнего  яруса  увеличиваются  на  30% 
(рисунок 1.4.4). 

 

22 

 

 

Рисунок 1.4.3 – Данные натурных испытаний влияния суточного изменения 

температуры на усилия в распорках ограждения котлована (строительство Main 

Tower в г. Франкфурт, Германия) [66] 

 

 

Рисунок 1.4.4 – Результаты измерения усилий в распорках ограждения 

котлована при изменении температуры за трехдневный период (строительство 

Esplanade Station в г. Перт, Западная Австралия) [71]. 

 

23 

 

Выводы по главе 1, цели и задачи исследований 

1. 

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что температурно-

деформированное состояние распорной системы может изменяться в достаточно 
большом  диапазоне,  что,  в  свою  очередь,  может  приводить  к  значительным 
дополнительным  усилиям  в  конструкциях  ограждения  котлованов,  осадкам 
окружающего массива грунта и существующей застройки.  

2. 

В  настоящее  время  отсутствуют  нормативные  данные  по  учету 

температурного  фактора  при  расчете  и  проектировании  ограждающих 
конструкций  котлованов,  но  в  литературе  существуют  предложения  по 
выполнению оценочных расчетов дополнительных усилий в распорках с учетом 
температурных  воздействий.  Однако  вопросы  напряженно-деформированного 
состояния  системы  «массив  грунта  –  ограждающая  конструкция  котлована» 
изучены еще недостаточно. 

На  основании  вышеизложенных  выводов  целесообразной  областью 

исследования  является  влияние  сезонного  изменения  температуры  на  НДС 
системы "массив грунта - ограждающая конструкция котлована", цель которого - 
разработка  методики  расчета  распорной  системы  конструкций  ограждения 
котлованов с учетом изменения температуры распорок, позволяющей уменьшить 
или  исключить  негативное  влияние  температурного  фактора  и  оптимизировать 
материалоемкость при проектировании. 

Для достижения указанной цели в основные задачи диссертационной работы 

ставились: 

анализ существующего состояния вопроса исследования; 

планирование  и  проведение  расчетно-теоретических  и  экспериментальных 

исследований  для  изучения  влияния  изменения  температуры  распорок  на 
напряженно-деформируемое  состояние  системы  «массив  грунта  –  конструкции 
ограждения котлована»; 

разработка методики определения усилий в распорной системе конструкции 

ограждения котлована при повышении температуры распорок. 

24 

 

При  планировании  работы  были  учтены  некоторые  основные  принципы 

создания  расчетных  моделей,  предложенные  Н.М.  Герсевановым  [10] 
применительно  к  гидротехническим  сооружениям,  но  имеющие  общее  значение 
для любых строительных конструкций. 

Основываясь на данных принципах, диссертационная работа была построена 

следующим образом: 

планирование и выполнение многофакторного эксперимента в лабораторных 

условиях на крупномасштабных моделях; 

исследование в натурных условиях физико-механических явлений; 

создание  расчетной  модели  и  проведение  расчетно-теоретических 

исследований; 

разработка практических рекомендаций. 

 

 

25 

 

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ 

ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПОРОК НА НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «МАССИВ ГРУНТА – 

КОНСТРУКЦИИ ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНА» 

2.1 

Цель и задачи экспериментальных исследований 

Цель  экспериментальных  исследований  -  определение  закономерностей 

формирования  НДС  конструкций  ограждения  котлованов,  подверженных 
температурным воздействиям. 

Результаты исследований после сравнения их с расчетными данными должны 

обосновывать  выводы,  полученные  в  главе  4  и  правомерность  применения 
разработанной  в  главе  5  методики  оценки  усилий  в  распорной  системе 
конструкций ограждения котлованов при температурных воздействиях. 

По  данным  численных  исследований  (глава  4)  было  установлено,  что 

основным  фактором,  влияющим  на  температурные  усилия  в  конструкциях 
котлована при изменении температуры, является податливость ограждающих стен 
котлована.  При  этом  податливость  связана  с  жесткостью  грунта  и  типом 
конструкции  ограждающей  стены  котлована.  При  одинаковой  жесткости  грунта 
податливость стены из отдельных элементов выше, чем податливость сплошной 
стены. 

Учитывая  изложенное,  в  ходе  экспериментальных  исследований  на  модели 

ограждения котлована были поставлены следующие задачи: 

выявление  характера  действительных  условий  работы  ограждающих  и 

распорных  конструкций  ограждения  котлована,  подверженных  температурным 
воздействиям; 

изучение влияния типа ограждающей стены на формирование напряженно-

деформируемого состояния в конструкциях ограждения котлована при изменении 
температуры распорок; 

определение  влияния  уменьшения  длины  распорок  при  температурных 

перепадах на осадки поверхности окружающего котлован массива грунта. 

26 

 

В  соответствии  с  задачами  экспериментальных  исследований  на  модели 

ограждения котлована необходимо было обеспечить контроль и измерение: 

температурного состояния распорок; 

горизонтальных перемещений ограждающих стен; 

осевых усилий в распорках; 

напряжений в ограждающих стенках; 

вертикальных перемещений поверхности грунта за ограждающими стенками. 

2.2 Обоснование параметров модели ограждения котлована 

Для  изучения  влияния  изменения  температуры  распорок  на  формирование 

напряженно-деформируемого состояния системы «массив грунта – ограждающая 
конструкция котлована» было приято решение о проведении экспериментальных 
исследований  на  крупномасштабной  физической  модели  ограждающей 
конструкции котлована. 

В практике исследований различают следующие виды моделирования [57]: 

физическое  моделирование,  когда  исследование  ведется  на  моделях, 

сохраняющих  физическую  природу  изучаемого  явления.  При  этом 
соответствующие величины, характеризующие явления, для прототипа и модели 
отличаются лишь количественно; 

аналоговое  моделирование  –  исследования  на  моделях  иной  физической 

природы, однако, имеющих такое же математическое описание, что и прототип. 

В настоящем разделе рассматривается только физическое моделирование. 
Условия  подобия  [3],  лежащие  в  основе  моделирования,  устанавливаются 

путем анализа размерностей величин, характеризующих исследуемое явление. 

Напряженно-деформируемое  состояние  двух  тел,  например,  прототипа  и 

модели,  называются  подобными,  если  напряжения, деформации,  перемещения  и 
другие  величины,  характеризующие  изучаемое  явление,  в  сходных  точках  этих 
двух тел в сходные моменты времени связаны соотношением вида: 

α

н

=m

α

·α

м  

 

 

 

 

 

(2.2.1) 

27 

 

где  α

н 

и  α

м

  – 

значения  рассматриваемой  величины  соответственно  для 

прототипа (натурного объекта) и модели; 

m

α

·- 

масштаб этой величины. 

Прототипом  физической  модели  послужил  котлован  глубиной  6,0м  с 

ограждением  из  труб  ∅426х8мм  длиной  9,0м  с  шагом  1,0м  и  одним  ярусом 
распорок из труб ∅426х8мм с шагом 4,5м на глубине 1,5м.  

Учитывая  габариты  грунтового  лотка,  модель  котлована  принята  в  виде 

пропорционально уменьшенного в 3 раза котлована-прототипа. 

Жесткость  ограждающей  стены  и  распорок  применительно  к  условиям 

моделирования  в  грунтовом  лотке  приняты  на  соблюдении  простого  подобия 
относительных расчетных деформаций ограждающих стен котлованов: прототипа 
и модели (рисунок 2.2.1). 

В  результате  модельный  котлован  принят  глубиной  2,0м,  шириной  3м. 

Ограждающие стенки изготовлены из металлических труб ∅89х4мм длиной 3,0м 
с шагом 0,2м. Распорная система, включающая обвязочные пояса из сваренных в 
коробку  швеллеров  №12  и  распорок  из  труб  ∅89х4мм  с  шагом  1,0м, 
устанавливалась на глубине 0,5м. 

В  соответствии  с  задачами  экспериментальных  исследований  для 

моделирования  ограждающих  стен  двух  типов:  сплошной  и  из  отдельных 
элементов,  на  одной  половине  модели  котлована  стенка  из  труб  выполнена  с 
забиркой в виде сплошного металлического листа со стороны грунта (зона А), на 
другой половине - без забирки (зона В).  

Для  исключения  возможного  технологического  разуплотнения  грунта  на 

контакте  с  ограждающей  стенкой,  трубы  и  металлическая  забирка  погружены 
задавливанием статической нагрузкой.  

Общий  вид  опытного  котлована  приведен  на  рисунке  2.2.2.  Конструкция 

модели котлована - на рисунке 2.2.3.  

 

 

28 

 

а) 

б) 

 

 

Рисунок 2.2.1 - Эпюры горизонтальных перемещений ограждающих стен 

котлована-прототипа (а) и опытного (б) котлована 

 

 

Рисунок 2.2.2 - Общий вид опытного котлована 

Ограждающая стенка 

без забирки (зона В) 

Ограждающая стенка 

с забиркой (зона А) 

Деф. шов в 

обвязочном поясе 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..      1      2      3      ..