Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 5

61 

 

 

Рисунок 2.7.5 – Графики экспериментальных и расчетных значений усилий в 

распорках при изменении температуры (испытание греющим кабелем) 

 

Рисунок 2.7.6 – Графики экспериментальных и расчетных значений усилий в 

распорках при изменении температуры (испытание домкратами) 

 

-7.00 

-6.00 

-5.00 

-4.00 

-3.00 

-2.00 

-1.00 

0.00 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

N

, кН/м 

Δt, °C 

1.1 ЭКСП. 

2.1 ЭКСП. 

1.1 РАСЧ. 

2.1 РАСЧ. 

2.1 

ЭКСП. 

1.1 

ЭКСП. 

2.1 

РАСЧ. 

1.1 

РАСЧ. 

-40.00 

-35.00 

-30.00 

-25.00 

-20.00 

-15.00 

-10.00 

-5.00 

0.00 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

N

, кН/м 

Δt, °C 

1.2 ЭКСП. 
2.2 ЭКСП. 
1.2 РАСЧ. 
2.2 РАСЧ. 

2.2 

ЭКСП. 

1.2 

ЭКСП. 

1.2 

РАСЧ. 

2.2 

РАСЧ. 

62 

 

 

Рисунок 2.7.7 – Графики экспериментальных и расчетных значений изгибающих 

моментов в ограждении при изменении температуры (испытание греющим 

кабелем) 

 

Рисунок 2.7.8 – Графики экспериментальных и расчетных значений изгибающих 

моментов в ограждении при изменении температуры (испытание домкратами) 

 

0.00 

0.05 

0.10 

0.15 

0.20 

0.25 

0.30 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

М, кНм/м 

Δt, °C 

1.1 ЭКСП. 
2.1 ЭКСП. 
1.1 РАСЧ. 

1.1 

РАСЧ. 

2.1 

ЭКСП. 

1.1 

ЭКСП. 

0.00 

0.50 

1.00 

1.50 

2.00 

2.50 

3.00 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

М, кНм/м 

Δt, °C 

1.2 ЭКСП. 

2.2 ЭКСП. 

1.2 РАСЧ. 

1.2 

РАСЧ. 

2.2 

ЭКСП. 

1.2 

ЭКСП. 

63 

 

Таблица  2.7.7  –  Сопоставление  экспериментальных  и  расчетных  значений 
вертикальных деформаций поверхности массива грунта s  

Серия 

опытов 

Опыт 

Максимальные вертикальные 

деформации s, мм 

Средняя 

ошибка 

𝛅

ср

, % 

S

эксп.

 

Расчетные PLAXIS 

S

расч.

 

δ, % 

1 

1.2 

-2,0 

-2,2 

5 

25 

Примечание: 

- 

ошибка определена из условия: δ=

S

эксп.

−S

расч.

S

эксп.

+S

расч.

∙ 100% 

- 

средняя ошибка из условия: δ

ср

=

∑ δ

i

N

оп

 

 

 

Рисунок2.7.9 - Графики вертикальных деформаций s поверхности массива грунта 

при моделировании изменения температуры распорок на Δt=-60°С (серия опытов 

1, опыт 2 - испытание домкратами): 1 – экспериментальных значений; 2 - 

расчетных значений 

 

 

-2.50 

-2.00 

-1.50 

-1.00 

-0.50 

0.00 

0,4 

0,8 

1,2 

1,6 

2,0 

s

, мм 

r, 

м 

1 

2 

64 

 

Выводы по главе 2 

По  результатам  экспериментальных  исследований  напряженного  состояния 

модели  конструкции  ограждения  котлована  могут  быть  сделаны  следующие 
выводы: 

1. 

Сходимость дополнительных усилий в конструкциях ограждения котлована 

и  осадок  окружающего  котлован  массива  грунта  при  изменении  температуры 
распорок  по  результатам  расчетно-теоретических  и  экспериментальных 
исследований достаточно хорошая.  

2. 

Результаты  испытаний  показали,  что  усилия  в  конструкциях  ограждения 

котлована  от  действия  статических  нагрузок  при  повышении  температуры 
распорок в среднем увеличиваются: на 50% - продольные усилия в распорках; на 

10% - 

изгибающие моменты в ограждающей стенке. 

3. 

По  данным  измерений  усилия  в  распорках  опытного  котлована  при 

моделировании  изменения  температуры  составляют  до  0,14  от  расчетных 
значений, определенных по схеме с неподвижно-жесткими опорами.  

4. 

Экспериментальные  данные  подтверждают,  что  ограждение  из  одиночных 

элементов в сравнении со сплошным ограждением при прочих равных условиях 
обладает  большей  податливостью,  и  температурные  усилия  в  распорках  с 
подобным типом ограждения будут ниже на 15-25%. 

5. 

В  ходе  проведенных  опытов  установлено,  что  понижение  температуры 

распорок  оказывает  влияние  на  дополнительные  осадки  поверхности  массива 
грунта  в  пределах  расстояния  от  ограждения,  не  превышающего  глубину 
котлована.  

 

65 

 

ГЛАВА 3. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ 

ТЕМПЕРАТУРЫ НА УСИЛИЯ В РАСПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ 

ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНА 

Для  выявления  фактического  напряженно-деформированного  состояния  в 

распорной  системе  ограждающей  конструкции  котлована  при  изменении 
температуры  проведены  натурные  экспериментальные  исследования  при 
устройстве  котлована  для  строительства  подземной  части  многоквартирного 
жилого дома в г. Москве.  

3.1 Задачи натурных исследований 

Основной  задачей  натурных  экспериментальных  исследований  являлось 

определение  фактических  значений  усилий  в  распорках  ограждающей 
конструкции котлована, возникающих при изменении температуры. 

В основу натурных исследований положен метод прямого измерения осевых 

усилий в распорках. Преимущество этого метода исследований применительно к 
системе «массив грунта – ограждение котлована – распорная крепь» заключается, 
с  одной  стороны,  в  том,  что  определяемые  усилия  в  распорках  отражают 
действительную работу этой системы, с другой в стороны – в его относительной 
простоте и надежности получаемых данных. Данный метод широко применяется 
в  натурных  исследованиях  напряженного  состояния  строительных  конструкций 

[46]. 

3.2 Описание объекта и методики натурных исследований 

Натурные  исследования  влияния  изменения  температуры  на  усилия  в 

распорных конструкциях котлована были проведены летом 2017 года на объекте: 
Многоквартирный  жилой  дом  с  подземной  автостоянкой  и  нежилыми 
помещениями по адресу: г. Москва, внутригородское муниципальное образование 
Хамовники,  Всеволожский  переулок,  вл.  5.  Строительство  подземной  части 
здания  предусматривало  устройство  котлована  глубиной  9,4-11,0м.  Ограждение 

66 

 

котлована  выполнено  в  виде  «стены  в  грунте»  из  бурокасательных  свай 
диаметром  820мм,  длиной  15,9-17,1м.  Ограждающая  стена  раскреплена  двумя 
ярусами распорок из труб диаметром 630х8мм длиной до 23,5м, установленных с 
шагом  4-6,4м.  Распорки  верхнего  яруса  упираются  в  монолитный  обвязочный 
пояс, нижнего яруса - в распределительную балку из 2-х двутавров 50Б1. Общий 
вид  котлована  приведен  на  рисунке  3.2.1,  план  ограждающей  конструкции 
котлована и верхнего яруса распорной системы - на рисунке 3.2.2. 

Инженерно-геологические  условия  площадки  строительства  относятся  к 

средней  степени  сложности.  В  геоморфологическом  отношении  участок 
расположен в пределах 2-й надпойменной (Мневниковской) террасы р. Москвы. 
Поверхность участка ровная с абсолютными отметками 133,90–135,45м.  

В  геологическом  отношении  площадка  сложена  напластованием:  насыпных 

грунтов  до  глубины  3,7-5,4м,  песчано-глинистого  состава,  преимущественно 
рыхлых  и  неслежавшихся;  песков  мелких  с  редкими  прослоями  песков  средней 
крупности,  средней  плотности  и  плотных,  толщиной  5,9-7,3м;  песков  средней 
крупности  и  гравелистых,  средней  плотности  и  плотных,  толщиной  4,6-6,3м; 
щебня,  дресвы  и  мелких  глыб  доломитов  с  заполнением  из  доломитовой  муки, 
толщиной  0,8-4,3м;  доломитами  и  известняками  средней  прочности, 
трещиноватыми,  общей  толщиной  2,7-4,6м;  глинами  полутвердыми, 
известковистыми, местами с щебнем известняка, вскрытой толщиной 7,6м.  

Гидрогеологические  условия  площадки  представлены  безнапорными 

подземными  водами,  залегающими  на  глубине  13,3-14,2м  от  уровня  дневной 
поверхности, что ниже дна котлована. 

 

 

67 

 

Таблица 3.2.1 – Основные нормативные характеристики грунтов 

Номер и наименование инженерно-геологического 

элемента (ИГЭ) 

е,  

д.е. 

Е,  

МПа 

С,  

кПа 

φ,  

град. 

γ,  

г/см

3

 

ИГЭ-1. Насыпной грунт песчано-глинистого состава, 

с включением битого кирпича и другого 

строительного мусора, рыхлый, неслежавшийся, 

влажный (t-Q

IV

) 

Расчетное сопротивление 

грунта R=70кПа 

1,63 

ИГЭ-1а. Насыпной грунт песчаного состава с 

включением битого кирпича и другого строительного 

мусора, рыхлый, неслежавшийся, влажный (t-QIV) 

Расчетное сопротивление 

грунта R=90кПа 

1,65 

ИГЭ-1б. Насыпной грунт песчаного состава с 

включением битого кирпича и другого строительного 

мусора, плотный, слежавшийся, влажный (t-QIV) 

Расчетное сопротивление 

грунта R=120кПа 

1,67 

ИГЭ-2. Песок мелкий, средней плотности, средней 

степени водонасыщения (a-Q

2

III

) 

0,67 

31 

2 

31 

1,80 

ИГЭ-3. Песок мелкий, плотный, средней степени 

водонасыщения (a-Q

2

III

) 

0,57 

36 

4 

35 

1,89 

ИГЭ-4. Песок средней крупности, плотный, средней 

степени водонасыщения (fg-Q

II

O-D

) 

0,53 

46 

2 

38 

1,92 

ИГЭ-5. Песок гравелистый, разуплотненный, средней 

степени водонасыщения и насыщенный водой (fg-
Q

II

O-D

) 

0,70 

25 

0 

37 

1,77/1,95 

ИГЭ-6. Песок гравелистый, средней степени 

водонасыщения и насыщенный водой (fg-Q

II

O-D

) 

0,50 

45 

2 

41 

1,95/2,06 

ИГЭ-7. Элювий: дресва, щебень и обломки доломита 

с глинистым заполнителем (доломитовая мука) до 30-

40%, обводненный (eC

3

) 

- 

120 

5 

36 

2,06 

ИГЭ-8. Доломит средней прочности, 

сильнотрещиноватый, слабокавернозный, местами 

окремнелый, водоносный (C

3

pr

ks

) 

Расчетное сопротивление одноосному 

сжатию в водонасыщенном состоянии 

Rсж= 25,5 МПа 

ИГЭ-9. Известняк средней прочности, 

мелкозернистый, кавернозный, сильнотрещиноватый, 

водоносный (C

3

pr

ks

) 

Расчетное сопротивление одноосному 

сжатию в водонасыщенном состоянии 

Rсж= 19,5 МПа 

ИГЭ-10. Глина полутвердой консистенции, 

известковистая (C

3

nv

ks

) 

0,68 

33 

64 

23 

2,03 

 

 

68 

 

а) 

 

б) 

 

Рисунок 3.2.1 – Общий вид котлована: а) на этапе начала эксперимента; б) на 

этапе завершения эксперимента 

 

Контрольные распорки 

Место установки 

тензометров 

Контрольные распорки 

Место установки 

тензометров 

69 

 

 

 

Рисунок 3.2.2 – План ограждающей конструкции котлована и верхнего яруса 

распорной системы 

 

Рисунок 3.2.3 – Разрез 1-1 

Контрольные распорки 

Работы по строительству нулевого 

цикла завершены 

70 

 

Изменения  продольных  усилий  в  распорной  системе  в  зависимости  от 

температуры воздуха измерены на распорках верхнего яруса (рисунок 3.2.2) при 
помощи  автоматизированной  системы  мониторинга  напряжений  в  конструкциях 
СИТИС:  Спрут  (далее  АСМК),  изготовленной  ООО  «Ситис»  в  г.  Екатеринбург. 
Система  имеет  свидетельство  об  утверждении  типа  средств  измерений 

RU

.С.27.005.А  №48070,  утвержденное  приказом  Федерального  агентства  по 

техническому  регулированию  и  метрологии  от  13  сентября  2012г  №751.  После 
изготовления  аппаратура  прошла  заводскую  метрологическую  аттестацию  в 
соответствии  с  ГОСТ  [15],  что  гарантирует  ее  надежность  и  точность  при 
эксплуатации. 

Ключевые объекты АСМК: 

- 

датчик  -  первичное  средство  измерения,  предназначенное  для    измерения 

внешнего воздействия на конструкцию; 

- 

даталоггер  -  устройство,  предназначенное  для  считывания,  обработки, 

хранения и передачи показаний датчиков; 

- 

хост  -  программное  устройство,  предназначенное  для  формирования  сети 

АСМК из групп даталоггеров, предварительной обработки, хранения и передачи 
данных с даталоггеров в базу данных системы; 

- 

программное  обеспечение  -  приложение,  предназначенное  для  управления 

устройствами  АСМК,  визуализации  данных,  формирования  оповещений  и 
отчетов. 

Распорки  оснащались  накладными  струнными  тензометрами  (рисунок  3.2.5), 

количество  которых  для  точного  определения  средней  нагрузки  согласно 
исследованиям  осевых  напряжений  на  расстоянии  трех  диаметров  от  конца 
неравномерно  нагруженного  трубчатого  элемента  не  должно  быть  меньше  трех 

[64

]. Этими же исследованиями установлено, что увеличение количества датчиков 

до шести точность измерения не повышает.  

На  каждую  распорку  было  установлено  по  четыре  рабочих  тензометра, 

равномерно распределённых по окружности в одном сечении на 3, 6, 9 и 12 часов 

71 

 

и по два контрольных тензометра на 1 и 7 часов на расстоянии, соответствующем 
трем диаметрам труб распорок, где эффект опорных напряжений незначителен.  

Тензометры  закреплены  к  трубам  при  помощи  концевых  блоков, 

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

Для  учета  погрешности  показаний  вследствие  воздействия  температуры  на 

струну  тензометра  для  каждой  распорки  было  предусмотрены  по  два 
дополнительных контрольных тензометра без нагрузки.  

Измерение  температуры  осуществлялось  при  помощи  встроенного  в  каждый 

тензометр  цифрового  термометра  с  диапазоном  измерения  от  -40°С  до  +85°С 
(чувствительность 0,1°С, точность ±2°С) 

Для  систематических  измерений  показаний  тензометров  в  систему  было 

интегрировано  4  даталоггера  "Игла"  (по  2  на  каждую  контрольную  распорку). 
Даталоггеры  размещались  в  защитных  металлических  боксах  (рисунок  3.2.4). 
Измерения производились автоматически с интервалом 60 минут. 

 

 

Рисунок 3.2.4 – Вид на даталоггер "Игла" и защитный бокс (распора Р1) 

72 

 

а) 

 

б) 

 

Рисунок 3.2.5 – Вид на распорку Р1 и установленные тензометры:  

а) на этапе установки; б) на этапе мониторинга 

 

 

73 

 

Струнные  датчики  установлены  на  этапе  монтажа  нижнего  яруса  распорной 

системы.  Показания  измеряли  круглосуточно  с  27  июля  по  21  августа  2017  г. 
после  разработки  котлована  до  проектной  отметки  и  на  этапах  устройства 
бетонной  подготовки,  бетонирования  фундаментной  плиты,  возведения  стен  и 
перекрытия -2 го этажа, демонтажа распорок нижнего яруса. 

В  основу  работы  струнного  тензометра  положен  принцип  зависимости 

частоты  колебаний  струны  от  степени  её  натяжения.  При  деформации 
конструкции,  на  которой  установлен  датчик,  изменяется  натяжение  струны. 
Натяжение  струны  прямо  пропорционально  деформации.  Корпус  струнного 
тензометра  состоит  из  металлической  трубки,  в  ее  полость  помещена 
высокопрочная  стальная  струна  (рисунок  3.2.6).  Струна  натянута  между  двумя 
концевыми  блоками,  которые  предназначены  для  передачи  нагрузок  с 
наблюдаемой  конструкции.  Посередине  корпуса  датчика  установлена 
электромагнитная катушка для возбуждения колебаний струны и считывания их 
частоты.  К  электромагнитной  катушке  подключен  сигнальный  кабель, 
соединяющий тензометр со считывающим устройством, по которому передаются 
данные с датчика. 

Измеренные  тензометром  частоты  колебаний  струны  автоматически 

преобразовывались  программным  обеспечением  в  относительную  линейную 
деформацию конструкции.  

 

Рисунок 3.2.6 – Конструкция струнного накладного тензометра 

 

74 

 

Осевое  усилие  N  в  распорках,  оснащенных  тензометрами,  определено  из 

условия: 

N

= Σ Ni/n 

 

 

 

 

(3.2.1) 

где  Ni

 

–

усилия в i –ом тензометре; 

n – 

количество тензометров n=4. 

Ni

= ∆με E A   

 

 

 

(3.2.2) 

где  𝛥𝜇𝜀

 

–

относительная линейная деформация конструкции; 

E – 

модуль упругости стали; 

A – 

площадь поперечного сечения распорки. 

Помимо  нагрузок,  приложенных  к  конструкции,  на  которой  установлен 

тензометр,  на  значение  относительной  деформации  струны  датчика  оказывало 
влияние  изменение  температуры,  которое  учтено  контрольными  датчиками  без 
нагрузки,  установленными  в  том  же  сечении.  В  итоге  относительная  линейная 
деформация распорки вычислялась из условия:  

𝛥𝜇𝜀= 𝜇𝜀−(𝜇𝜀0-𝜇𝜀t)   

 

 

(3.2.3) 

где με – текущее значение относительной деформации, полученное с 

помощью тензометра; 

με0 - начальное показание относительной деформации; 

𝜇𝜀

t

. - 

текущее значение относительной деформации, полученное с 

помощью контрольного тензометра без нагрузки. 

Так  как  при  производстве  датчиков  существуют  погрешности  значений 

параметров  материала,  длины  проволоки  и  т.п.,  для  реальных  измерений 
использовался  калибровочный  параметр  датчика,  учитывающий  вариации 
струнного блока, электромагнитной катушки и т.п. Калибровочный коэффициент 
записан  на  заводе  изготовителе  в  электронную  метку  каждого  струнного 
тензометра  и  учитывался  автоматически  при  определении  относительных 
деформаций. 

 

 

75 

 

3.3 Основные результаты натурных исследований 

За  период  наблюдений  с  27.07.2017г.  по  21.08.2017г.  по  установленным  на 

контрольных распорках датчикам средняя температура изменялась в диапазоне от 
13,1°С (ночное время) до 38,9°С (дневное время при солнечной погоде). При этом 
максимальная  температура  на  участках,  незащищенных  от  солнечных  лучей, 
составила 47,9°С (рисунок 3.3.1). Таким образом, максимальный перепад средней 
температуры  в  контрольных  распорках  составил:  за  весь  период  наблюдений  - 
25,8°С; в течении суток - 21,2°С.  

а) 

 

б) 

 

Рисунок 3.3.1 – График изменения температуры по тензометрам за весь 

период наблюдения: а – Р1; б – Р2 

76 

 

После  обработки  полученных  результатов  измерений  построены  графики 

изменения  усилий  и  средней  температуры  в  распорках  за  период  наблюдений 
(рисунок  3.3.2).  Для  детального  анализа  выбран  интервал  с  06.08.17г.  по 
10.08.17г., находящийся между работами по бетонированию фундаментной плиты 
(30.07.17г.) и демонтажем распорок нижнего яруса (15.08.17г.). Шкала времени на 
графиках принята по Гринвичу. 

В рассмотренном интервале времени дополнительные усилия в распорках при 

изменении  температуры  на  18°C  составили  порядка  400  кН,  что  увеличивает 
усилия  от  расчетных  статических  нагрузок  до  80%.  Расчетные  дополнительные 
усилия  в  распорках,  определенные  по схеме с  неподвижными опорами,  должны 
быть 700 кН (рисунок 3.3.3), т.е. зафиксированные значения усилий в распорках в 
среднем составляют 0,46, достигая 0,56 от расчетных усилий. 

Расхождение  с  расчетными  дополнительными  усилиями  в  распорке, 

определенными численным расчетом, составило не более 15%. 

Зависимость между дополнительными усилиями Nt в распорках и изменением 

температуры согласно обобщенным данным за весь период наблюдения близка к 
линейной  (рисунок  3.3.4).  По  данным  суточных  измерений  дополнительные 
усилия  от  изменения  температуры  обратимы  (рисунок  3.3.5).  Средние  значения 
коэффициента  m

t

=Nt/

∆t

ср

 

соотношения  температурных  усилий  и  перепада 

температуры для контрольных распорок определены равными 0,21. 

Сводные результаты  измерения продольных  усилий  в распорках  за период с 

06.08.17г. по 10.08.17г. приведены в Таблице 3.3.1. 

Таблица 3.3.1 – Сводные результаты измерения продольных усилий в распорках 

∆t

ср

max

, °C 

N

t

max

, кН 

N

t

fix

,  

кН 

k=N

t

/

∆t

ср

 

η =N

t

/N

t

fix

 

част. 

средн. 

част. 

средн. 

17,7 

393 

697 

22 

21 

0,56 

0,46