Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 3

29 

 

а) 

 

б) 

 

Рисунок 2.2.3 - Конструкция опытного котлована:  

а) план котлована; б) сечение по А-А 

30 

 

2.3 Условия проведения экспериментальных исследований 

Исследования  проведены  в  большом  грунтовом  лотке  Экспериментального 

корпуса АО "НИЦ "Строительство" НИИОСП им. Н.М. Герсеванова размерами в 
плане  14х4м,  высотой  6,0м,  в  песчаном  грунте  нарушенной  структуры.  Песок 
среднезернистый аллювиальный четвертичного отложения. 

Физические  и  механические  свойства  грунта  определены  отбором  12  проб 

грунта в четырех точках на глубине 0,3м, 1,0м и 2,0м методом режущего кольца 
по [13].  

Влажность грунта определена весовым способом по [13]. 
Угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта приняты на основании 

испытаний в срезном приборе. 

Модуль деформации грунта определен испытаниями прессиометром в четырех 

точках на глубинах 1,0м, 2,0м, 3,0м.  

Ниже приведены физико-механические характеристики грунта. 
Плотность - 1,65 г/см

3

. 

Влажность - 1,7%. 
Коэффициент пористости - 0,64. 
Угол внутреннего трения - 36 град. 
Удельное сцепление - 1 кПа. 
Модуль деформации - 22 МПа. 
Схема расположения точек отбора образцов грунта и точек испытания грунта 

прессиометром  приведена  на  рисунке  2.3.1.  Общий  вид  оборудования  для 
испытания грунтов прессиометром на рисунке 2.3.2. 

 

 

31 

 

а) 

 

 

б) 

 

Рисунок 2.3.1 – Схема отбора образцов грунта и точек испытания грунтов 

прессиометром: а) план котлована; б) сечение по А-А 

 

32 

 

 

Рисунок 2.3.2 - Общий вид контрольно-измерительного оборудования при 

проведении испытания грунтов прессиометром 

 

 

33 

 

2.4 Методика планирования и проведения экспериментальных 

исследований 

Экспериментальные  исследования  на  модели  выполнялись  на  основании 

результатов численных исследований (глава 4) и с учетом теории планирования 
многофакторного эксперимента [1, 2]. 

Анализ  результатов  численных  исследований  позволил  выбрать  факторы, 

которые  являются  определяющими  при  формировании  напряженно-
деформируемого  состояния  конструкции ограждения  котлованов,  подверженных 
температурным  воздействиям.  К  этим  факторам  относятся:  величина 
температурного  воздействия  (изменение  средней  по  сечению  и  длине 
температуры  распорок),  жесткость  грунта  за  ограждающей  стенкой,  длина 
распорок, глубина котлована, тип ограждающей стены. 

Глубина котлована выбрана в соответствии с условиями моделирования (глава 

2) и в ходе опытов не изменялась. Опытами было предусмотрено моделирование 
изменения  температуры  распорок  на  60°С  (возможный  сезонный  перепад 
температуры  распорок,  незащищенных  теплоизоляцией,  в  условиях  средней 
полосы России) длиной 2,2м (фактическая длина) и 15м (условная длина) для двух 
типов ограждающих стен: сплошной стены и стены из отдельных элементов. 

Выбор  плана  проведения  экспериментов  определялся  числом  принятых 

факторов,  их  уровней,  конструкцией  модели  и  технологией  проведения 
крупномасштабных опытов в грунтовом лотке. 

Выбранный  план  предусматривал  проведение  двух  серий  опытов,  по  два 

опыта в каждой, с трехкратным повторением каждого опыта. Общее количество 
опытов – 12. 

Матрица  планирования,  описывающая  порядок  проведения  опытов, 

представлена в таблице 2.4.1 

 

 

34 

 

Таблица 2.4.1 – Матрица планирования эксперимента 
Серия 

опытов 

Опыт 

Тип 

ограждения 

Перепад 

температуры, °С 

Длина 

распорок, м 

1 

1.1 

Сплошное 

0-60 

2,2 

1.2 

15,0 

2 

2.1 

Из отдельных 
элементов 

0-60 

2,2 

2.2 

15,0 

В  соответствии  с  планом  эксперимента  в  ходе  опытов  необходимо  было 

моделировать удлинение/укорочение распорок при изменении температуры. Для 
изменения  температурного  состояния  распорок  на  модели  до  60°С  был 
использован  греющий  кабель,  который  навивался  на  каждую  распорку  с  шагом 
между  витками  ~10см  с  последующей  теплоизоляцией  базальт-картоном. 
Температура нагрева распорок регулировала система, состоящая из реле (рисунок 
2.4.1) и датчика температуры, установленного на распорке (рисунок 2.4.2). 

В связи с тем, что при длине распорок модельного котлована 2,2м удлинения 

распорок  при  повышении  их  температуры  относительно  малы,  вторым  этапом 
были  проведены  испытания  с  применением  гидравлических  домкратов, 
моделирующих  удлинение  распорок  большей  длины  (15м)  в  том  же  диапазоне 
изменения температуры. 

Эксперимент произведен по следующей технологической схеме: 

- 

с  помощью  монтажной  балки  и  гидравлических  домкратов  в  грунт 

погружены трубы ограждающей стенки и стальная забирка (в зоне А); 

- 

грунт в опытном котловане разработан на глубину 0,7м; 

- 

установлены обвязочные балки, распорки и опытные домкраты; 

- 

грунт в опытном котловане разработан на глубину 2,0м; 

- 

в  зоне  А  (ограждение  с  забиркой)  смонтированы  реперные  балки  внутри 

котлована  и  над  поверхностью  грунта,  окружающего  котлован,  а  также 
тензодатчики на распорки и трубы ограждения; 

- 

в  зоне  А  на  распорки  установлены  датчики  температуры  и  навит 

электрический греющий кабель с последующей теплоизоляцией; 

35 

 

- 

тензодатчики  подключены  к  даталоггерам,  а  датчики  температуры  к 

температурным реле; 

- 

на  реперную  систему  установлено  измерительное  оборудование: 

прогибомеры, индикаторы часового типа; 

- 

зафиксированы  начальные  показания  всех  датчиков  и  приборов, 

установленных  на  модели  опытного  котлована:  тензодатчиков,  прогибомеров, 
индикаторов часового типа; 

- 

выполнены  три  цикла  последовательного  синхронного  и  ступенчатого  по 

10

°

С  нагрева  распорок  на  60°С  с  последующим  остыванием  с  фиксацией  на 

каждой ступени: усилий в распорках и ограждении, горизонтальных перемещений 
ограждающих  стенок  и  вертикальных  перемещений  поверхности  грунта  за 
ограждением; 

- 

после  обнуления  показаний  всех  датчиков  и  измерительных  приборов 

проведены  три  цикла  последовательного  синхронного  и  ступенчатого  по  1,8мм 
моделирования  при  помощи  домкратов  удлинения/укорочения  распорок  на 
10,8мм,  что  соответствовало  температурному  удлинению/укорочению  распорки 
длиной  15  м  при  перепаде  температуры  60°С  с  фиксацией  на  каждой  ступени: 
усилий  в  распорках  и  ограждении,  горизонтальных  перемещений  ограждающих 
стенок и вертикальных перемещений поверхности грунта за ограждением; 

- 

после  демонтажа  оборудования  в  зоне  А  и  переустановки  его  в  зону  Б 

(ограждение  без  забирки)  в  описанной  выше  последовательности  проведена 
вторая серия опытов в зоне Б по схеме аналогичной испытаниям в зоне А. 

 

 

36 

 

 

Рисунок 2.4.1 - Реле для регулирования изменения температуры нагрева 

распорки 

 

Рисунок 2.4.2 - Датчик для измерения  температуры распорки 

37 

 

2.5 Метрологическое обеспечение эксперимента 

В  соответствии  с  задачами  экспериментальных  исследований  в  период 

проведения  опытов  на  модели  конструкции  ограждения  котлована  был 
организован контроль: 

- 

температурного состояния распорок; 

- 

горизонтальных перемещений ограждающих стенок; 

- 

осевых усилий в распорках; 

- 

напряжений в ограждающих стенках; 

- 

вертикальных перемещений поверхности грунта за ограждающими стенками. 

Общая  схема  расстановки  контрольно-измерительного  оборудования  и 

приборов приведена на рисунке 2.5.1. Общий вид - на рисунке 2.5.2. 

При обработке результатов измерений использованы положения [20]. 
Для  контроля  усилий  в  конструкциях  модели  ограждения  котлована 

сформирована  автоматизированная  система  мониторинга  напряжений  в 
конструкциях  СИТИС:  Спрут  (далее  АСМК).  Подробное  описание  системы 
приведено в п. 3.2, Главы 3. 

Система  включала  16  накладных  струнных  тензометров  (рисунок  2.5.3),  4 

даталоггера  "Игла"  (рисунок  2.5.4),  ноутбук  и  программное  обеспечение  СКАТ 
Лайт  (версия  1.15).  Для  определения  усилий  в  распорной  системе  на  каждую 
распорку  установлено  по  3  тензометра,  равномерно  распределённых  по 
окружности  в  одном  сечении  на  4,  8  и  12  часов.  Для  определения  усилий  в 
ограждении  на  трубы  ограждающей  стенки  в  уровне  максимального  расчетного 
момента  установлены  4  тензометра  (по  одному  тензометру  с  противоположных 
сторон котлована в створе с каждой распоркой).  

Тензометры  к  трубам  закреплены  при  помощи  концевых  блоков, 

предварительно  привариваемых  к  их  поверхности  электродуговой  сваркой  с 
использованием установочного шаблона.  

 

 

38 

 

а) 

 

б) 

 

Рисунок 2.5.1 – Общая схема расстановки оборудования и приборов:  

а) план котлована; б) сечение по А-А 

 

 

39 

 

 

Рисунок 2.5.2 - Общий вид установленного оборудования и приборов 

 

Тензодатчики 

Распорки  

Р1 и Р2 

Прогибомеры 

ПСК-МГ4 

Даталоггеры 

«Игла» 

40 

 

 

Рисунок 2.5.3 - Общий вид струнных тензометров, установленных на 

распорку 

 

Рисунок 2.5.4 - Общий вид даталоггеров «Игла» 

41 

 

 

Рисунок 2.5.5 - Общий вид марок и индикаторов часового типа для измерения 

вертикальных деформаций массива грунта 

 

 

Рисунок 2.5.6 - Общий вид прогибомера ПСК-МГ4 для измерения 

перемещений ограждения

 

42 

 

Для  учета  погрешности  показаний  вследствие  воздействия  температуры  на 

струну  тензометра  для  каждой  распорки  было  предусмотрены  по  1-му 
дополнительному  контрольному  тензометру  без  нагрузки  и  по  1-му 
дополнительному  контрольному  тензометру  на  противоположных  сторонах 
котлована для труб в створе с каждой распоркой.  

Для  измерения  вертикальных  перемещений  поверхности  окружающего 

котлован  массива  грунта  на  предварительно  тщательно  выровненную  и 
притрамбованную поверхность были установлены марки (рисунок 2.5.5). Марки - 
металлические  пластины  размером  50х50х4мм.  Перемещения  марок  измеряли 
индикаторами часового типа (ИЧ) с ценой деления 0,01мм.  

Перемещения ограждающих  стенок измеряли прогибомерами  ПСК-МГ4 и 6-

ПАО-0,01 с ценой деления 0,01мм (рисунок 2.5.6). 

Перемещения,  создаваемые  домкратами,  контролировались  электронными 

прогибомерами ПСК-МГ4 с точностью измерения 0,01мм. 

2

.6 Результаты экспериментальных исследований 

Экспериментальные  исследования  на  модели  ограждающей  конструкции 

котлована проведены в соответствии с матрицей планирования (таблица 2.4.1). 

В  таблицах  2.6.1  и  2.6.2  для  каждого  опыта  приведены  результаты 

экспериментальных значений откликов: N – продольных усилий в распорках; М – 
изгибающих  моментов  ограждающих  стенках;  s  –  вертикальных  перемещений 
поверхности массива грунта. 

 

 

43 

 

Таблица 2.6.1 – Результаты измерения продольных усилий в распорках модели 

Номер 

серии 

опытов  

Номер 

опыта   Цикл 

 

Расп

орка 

Усилия в распорках N, кН/м при 

изменении температуры распорок, °С 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

1 

1.1 

1 

Р1 

-1,06 

-1,24 

-1,95 

-2,71 

-3,53 

-4,12 

Р2 

-0,19 

-0,98 

-1,93 

-2,35 

-2,43 

-4,15 

2 

Р1 

-1,35 

-1,34 

-2,88 

-4,06 

-5,88 

-7,19 

Р2 

-0,51 

-0,75 

-2,10 

-3,29 

-4,95 

-6,37 

3 

Р1 

-1,58 

-1,97 

-3,26 

-4,58 

-5,64 

-7,93 

Р2 

-0,14 

-1,15 

-2,28 

-3,70 

-4,07 

-6,66 

1.2 

1 

Р1 

-3,52 

-7,54  -11,84  -16,38  -20,13  -23,99 

Р2 

-3,83 

-8,21  -12,62  -15,96  -19,34  -23,85 

2 

Р1 

-2,59 

-5,76 

-9,47  -14,18  -19,02  -23,60 

Р2 

-4,60 

-7,69  -11,75  -15,84  -19,43  -22,91 

3 

Р1 

-2,70 

-5,94 

-9,70  -14,25  -19,44  -23,97 

Р2 

-3,42 

-6,85  -10,62  -14,55  -18,34  -21,67 

2 

2.1 

1 

Р1 

-1,29 

-0,64 

-1,69 

-2,66 

-3,60 

-6,72 

Р2 

0,88 

0,64 

0,56 

0,45 

1,36 

1,72 

2 

Р1 

-1,60 

-1,79 

-3,54 

-5,39 

-7,43  -10,85 

Р2 

-0,47 

-1,20 

-1,65 

-1,73 

-4,23 

-6,07 

3 

Р1 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

Р2 

- 

- 

- 

- 

- 

- 

2.2 

1 

Р1 

-4,63  -10,24  -15,76  -19,08  -23,28  -26,22 

Р2 

-2,30 

-5,66 

-9,36  -12,29  -14,43  -14,67 

2 

Р1 

-2,10 

-4,65 

-8,55  -13,62  -18,48  -22,31 

Р2 

-1,61 

-3,80 

-6,59  -10,33  -13,95  -16,82 

3 

Р1 

-1,91 

-4,08 

-7,01  -11,41  -16,06  -18,82 

Р2 

-1,23 

-3,28 

-6,46 

-9,91  -13,33  -16,55 

 

 

 

44 

 

а) 

 

б) 

 

Рисунок 2.6.1 – Усилия в распорках при изменении температуры. Серия опытов 1 

(сплошное ограждение): а) опыт 1.1 (испытания греющим кабелем); б) опыт 1.2 

(испытание домкратами) 

 

 

-9.00 

-8.00 

-7.00 

-6.00 

-5.00 

-4.00 

-3.00 

-2.00 

-1.00 

0.00 

0 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

N

, кН/м 

Δt, °C 

1.1.1 (Р1)  
1.1.1 (Р2)  
1.1.2 (Р2)  
1.1.3 (Р1)  
1.1.3 (Р2)  
1.1.2 (Р1)  

-30.00 

-25.00 

-20.00 

-15.00 

-10.00 

-5.00 

0.00 

0 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

N

, кН/м 

Δt, °C 

1.2.1 (Р1)  
1.2.1 (Р2)  
1.2.2 (Р2)  
1.2.3 (Р1)  
1.2.3 (Р2)  
1.2.2 (Р1)