Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован

Рисунок 3.3.2 – График изменения средней температуры и усилий в распорках за

период наблюдений

Рисунок 3.3.3 – График изменения средней температуры (1) и усилий в

распорках, за период с 06.08.17г. по 10.08.17г. (фрагмент 1, рисунок 3.3.2) : 2 – по

результатам измерений; 3 – по расчету с неподвижными опорами

Фрагмент 1

26.07.2017 устройство бетонной

подготовки и армирования фунд. плиты

30.07.2017

бетонирование

фундаментной плиты

11.08.2017

демонтаж нижнего яруса

распорной системы

Вывод по главе 3

Анализ данных натурных исследований напряженного состояния распорок

ограждения котлована из буросекущихся свай в песчаных грунтах позволяет
сделать следующие выводы:

Усилия в распорках при изменении температуры с учетом податливости

ограждающих стен меньше значений, определенных по схеме с неподвижно-
жесткими опорами. Соотношение зафиксированных усилий в распорках и
расчетных усилий при «жесткой» схеме в среднем достигает 0,46, достигая 0,56.

Зависимость дополнительных усилий в распорках от изменения

температуры близка к линейной и носит обратимый характер.

Полученные результаты согласуются с данными аналогичных натурных

исследований других, в т.ч. зарубежных авторов.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПОРОК НА НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРУЕМОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ «МАССИВ ГРУНТА –

КОНСТРУКЦИИ ОГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНА»

4.1 Задачи расчетно-теоретических исследований

Для изучения факторов, влияющих на формирование напряженно-

деформируемого состояния системы «массив грунта - ограждающая конструкция

распорная крепь» в условиях изменения температуры последней,

прогнозирования значений усилий в конструкциях ограждения котлована и
величин осадок поверхности окружающего массива грунта проведены численные
исследования, в основные задачи которых вошли:

выбор расчетной модели ограждающей конструкции котлована,

подверженной температурным воздействиям;

определение методики оценки термонапряженного состояния в конструкциях

котлована при изменении температуры распорок;

выявление зависимости усилий в конструкциях ограждения котлована и

осадок окружающего котлован массива грунта, обусловленных температурными
деформациями распорок от изменения грунтовых и гидрогеологических условий,
глубин котлованов, типов ограждения и параметров распорных систем.

4.2 Методика и состав расчетно-теоретических исследований

Численные исследования напряженного состояния системы "массив грунта -

ограждающая конструкция - распорная крепь" с учетом изменения температуры
на  распорную  систему  выполнены  с  помощью  геотехнического  конечно-
элементного  программного  комплекса.  В  исследованиях  смоделировано
удлинение  распорок,  возникающее  под  воздействием  повышения  температуры
при смене времен года.

Рассмотрены температурные деформации распорок длиной 18м за счет

перепада температуры

∆

до 60°С (от -30°С до +30°С. Возможный сезонный

перепад температуры в средней полосе России).

Моделирование выполнялось в конечно-элементной программе PLAXIS AE

(лицензия № 2-1328829), разработанная фирмой PLAXIS BV (г. Дельфт,
Нидерланды) [73].

Программа PLAXIS предназначена для расчета деформаций и устойчивости

геотехнических сооружений методом конечных элементов.

Изменение длины, моделирующего распорку стержня при изменении

температуры на величину

∆

реализовано в расчетах при помощи, имеющейся в

программе PLAXIS процедуры prescribed displacement (заданные смещения).

∆

= α·l·

∆

(4.2.1)

где α - коэффициент линейного температурного расширения материала

распорки;

l -

длина распорки;

∆

t -

перепад температуры;

Расчет усилий в конструкциях ограждения котлована при перепаде температур

состоял  из  следующих  этапов.  Формирования  начального  напряженно-
деформируемого  состояния  (этап  0),  разработки  грунта  в  котловане  до  отметки
установки  распорной  системы  (этап  1),  с  последующий  установкой  распорки  и
экскавация грунта до отметки дна котлована (этап 2). На этапе 3 активировалось
заданное смещение.

В расчетах влияния изменения температуры распорок на усилия в

конструкциях ограждения котлована использована нелинейная упруго-идеально-
пластическая грунтовая модель Кулона-Мора (MC) [7], а при оценке влияния на
деформации окружающего котлован массив грунта - модель упрочняющегося
грунта (Hardening soil) [74].

Для проведения исследований была принята модель котлована в однородном

массиве грунта под защитой сплошной ограждающей стены с креплением

распорной системой. В качестве базовой расчетной схемы принят котлован
глубиной 6м с одним ярусом распорной системы.

При выполнении исследований варьированию подвергались 7 основных

параметров:

грунтовые условия;

гидрогеологические условия;

глубина котлована;

длина распорных конструкций;

жесткость ограждающей стены котлована;

жесткость распорных конструкций;

возможное разуплотнение грунта на контакте с ограждающей стенкой.

Параметры, варьируемые при выполнении расчетов, приведены в таблице

4.2.1. Обобщенный вид расчетной схемы котлована приведен на рисунке 4.2.1.

Рисунок 4.2.1 - Обобщенный вид расчетной схемы котлована

1,5

Распорки

УГВ -6,0м

Ограждающая стенка

Отметка дна

котлована

-3м

-7

6,0

Заданные смещения

(prescribed displacement)

10-20

,5м

УГВ -3,0м

УГВ -12,0м

УГВ 0,0м

Таблица 4.2.1 - Параметры, варьируемые при выполнении расчетов

№

п/п

Наименование

параметра

Характеристика

Исследуемый

диапазон

Грунтовые условия

1.1

Песчаные грунты

Крупность

крупные - пылеватые

Плотность

плотные - рыхлые

1.2

Пылевато-глинистые

грунты

Супеси

твердые - полутвердые

Суглинки

полутвердые –

мягкопластичные

Глины

Гидрогеологические условия

2.1

Уровень грунтовых вод

Глубина

залегания

поверхность-дно

котлована

Глубина котлована

3.1

Глубина

, м

4-7

Жесткость ограждающей стены котлована

Жесткость

ЕI, кН/м

20000-2000000

Жесткость и длина распорных конструкций

5.1

Жесткость

ЕА, кН

250000-2500000

5.2

Длина

, м

20-40

Разуплотнение грунта на контакте с ограждающей стенкой

6.1

Толщина зоны

разуплотнения

, м

0-0,03

Значения прочностных и деформационных характеристик песчаных и

глинистых грунтов назначены с учетом Приложения Б [53].

Таблица 4.2.2 - Физико-механические характеристики, принятые в расчетах

песчаных грунтов

Крупность

песка

Плотность песка

Характеристики грунта

γ,

кН/м3

Е,

МПа

С,

кПа.

φ,°

Крупные

Плотные

0,45

1,88

Средней плотности 0,60

1,71

Рыхлые

0,75

1,56

Средней

крупности

Плотные

0,45

1,88

Средней плотности 0,60

1,71

Рыхлые

0,75

1,56

Мелкие

Плотные

0,45

1,88

Средней плотности 0,65

1,65

Рыхлые

0,80

1,52

Пылеватые

Плотные

0,45

1,88

Средней плотности 0,70

1,61

Рыхлые

0,85

1,48

Таблица 4.2.3 - Физико-механические характеристики, принятые в расчетах

пылевато-глинистых грунтов

Тип

пылевато-

глинистого

грунта

Консистенция

Характеристики грунта

γ,

кН/м3

Е,

МПа

С,

кПа.

φ,°

Супеси

Твердные

0,60

2,03

Пластичные

0,60

2,11

Суглинки

Полутвердые

0,70

1,91

Тугопластичные

0,70

1,99

Мягкопластичные

0,80

1,96

Глины

Полутвердые

0,80

1,90

Тугопластичные

0,85

1,93

Мягкопластичные

0,85

2,00

Для выполнения сравнительного анализа влияния изменения температуры

распорок на усилия в конструкциях ограждения котлована были определены
зависимости: дополнительных усилий в распорной системе ∆N

и изгибающих

моментов в ограждающей стене ∆М

и их приращений

𝑵

𝑴

от изменения

температуры распорок к усилиям, определенным статическим расчетом:

∆N

𝑵

𝒕𝒊

− 𝑵

𝒕𝟎

(4.2.2)

∆М

𝒕𝒊

− М

𝒕𝟎

(4.2.3)

𝑵

𝒕𝒊

−𝑵

𝒕𝟎

𝑵

𝒕𝟎

∙ 𝟏𝟎𝟎%

(4.2.4)

𝑴

𝒕𝒊

−𝑴

𝒕𝟎

𝑴

𝒕𝟎

∙ 𝟏𝟎𝟎%

(4.2.5)

где 𝑵

𝒕𝒊

, 𝑴

𝒕𝒊

значения усилий в распорках и изгибающие моменты в

ограждающей стене при повышении температуры распорок до +60°С;

𝑵

𝒕𝟎

, 𝑴

𝒕𝟎

значения усилий в распорках и изгибающих моментов в

ограждающей стенке, определенных статическим расчетом.

Дополнительные усилия в распорках по результатам численных исследований

∆N

сопоставлены с усилиями, определенными по схеме с неподвижными

опорами ∆N

fix

∆N

fix

= α·

∆

·ЕА

(4.2.6)

где ЕА – осевая жесткость распорок.
Соотношение усилий в распорках характеризуется коэффициентом η.

η =

∆𝑵

𝒕

∆𝑵

𝒕

𝒇𝒊𝒙

(4.2.7)

4.3 Влияние геологических и гидрогеологических условий

При анализе зависимости изменения НДС в конструкциях ограждения

котлована при изменении температуры распорок в рассматриваемом диапазоне
геологических условий (см. таблицу 4.2.1) установлено следующее:

повышение температуры распорок приводит к увеличению усилий в

конструкциях ограждения котлована (таблица 4.3.1). При повышении
температуры распорок на Δt=60°С приращения усилий в распорной системе

𝑵

достигают порядка 300% в песчаных грунтах и 70% в пылевато-глинистых
грунтах (рисунок 4.3.1).

приращения изгибающих моментов в ограждающей стенке

𝑴

достигают

80% в песчаных грунтах и до 20% в пылевато-глинистых грунтах при повышении
температуры распорок на Δt=60°С (рисунок 4.3.2).

Таблица 4.3.1 - Максимальные значения приращений усилий в конструкциях
ограждения котлована при повышении температуры в распорках до 60°С

№

п/п

Исследуемый

параметр

Тип грунта

Приращение усилий в распорной

системе

𝑵

(%) и ограждении

котлована

𝑴

(%), при

повышении температуры

распорок на Δt=60,°С

𝑵

𝑴

Грунтовые

условия

Песчаные грунты

17÷322

5÷80

Пылевато-глинистые

грунты

27÷73

9÷20

Максимальные значения приращения усилий в конструкциях ограждения

котлована в песчаных грунтах различной крупности и плотности и пылевато-
глинистых грунтах различной консистенции приведены в таблицах 4.3.2 и 4.3.3.

Таблица 4.3.2 - Максимальные значения приращений усилий в конструкциях
ограждения котлована при повышении температуры в распорках до 60°С в
песчаных грунтах различной плотности и крупности

Грунтовые условия

Приращение усилий в распорной системе

𝑵

(%) и

ограждении котлована

𝑴

(%), при повышении

температуры распорок

на Δt=60°С

пески плотные пески средней

плотности

пески рыхлые

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

Пески крупные

322

201

Пески средние

290

184

Пески мелкие

269

129

Пески пылеватые

205

Таблица 4.3.3 - Максимальные значения приращений усилий в конструкциях
ограждения котлована при повышении температуры в распорках до 60°С в
пылевато-глинистых грунтах различной консистенции

Грунтовые

условия

Приращение усилий в распорной системе

𝑵

(%) и ограждении

котлована

𝑴

(%), при повышении температуры распорок

на

Δt=60°С

твердые

полутвердые

туго-

пластичные пластичные

мягко-

пластичные

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

𝑵

𝑴

Супеси

Суглинки

Глины

а)

б)

Рисунок 4.3.1 - Зависимость приращения усилий в распорной системе

𝑵

𝒕𝒊

−𝑵

𝒕𝟎

𝑵

𝒕𝟎

∙ 𝟏𝟎𝟎% от изменения температуры распорок. а) в песчаных грунтах; б) в

пылевато-глинистых грунтах

100

150

200

250

300

350

Δt, °C

, %

1 -

Песок крупный, плотный

2 -

Песок крупный, средней плотности

3 -

Песок крупный, рыхлый

4 -

Песок средний, плотный

5 -

Песок средний, средней плотности

6 -

Песок средний, рыхлый

7 -

Песок мелкий, плотный

8 -

Песок мелкий, средней плотности

9 -

Песок мелкий, рыхлый

10 -

Песок пылеватый, плотный

11 -

Песок пылеватый, средней плотности

12 -

Песок пылеватый, рыхлый

Δt, °C

, %

1 -

Супеси твердые

2 -

Супеси пластичные

3 -

Суглинки полутвердые

4 -

Суглинки тугопластичне

5 -

Суглинки мягкопластичне

6 -

Глины полутвердые

7 -

Глины тугопластичне

8 -

Глины мягкопластичне

а)

б)

Рисунок 4.3.2 - Зависимость приращения изгибающих моментов в ограждении

𝒕𝒊

−М

𝒕𝟎

∙ 𝟏𝟎𝟎% от изменения температуры распорок. а) в песчаных грунтах; б)

в пылевато-глинистых грунтах

100

Δt, °C

, %

1 -

Песок крупный, плотный

2 -

Песок крупный, средней плотности

3 -

Песок крупный, рыхлый

4 -

Песок средний, плотный

5 -

Песок средний, средней плотности

6 -

Песок средний, рыхлый

7 -

Песок мелкий, плотный

8 -

Песок мелкий, средней плотности

9 -

Песок мелкий, рыхлый

10 -

Песок пылеватый, плотный

11 -

Песок пылеватый, средней плотности

12 -

Песок пылеватый, рыхлый

Δt, °C

, %

1 -

Супеси твердые

2 -

Супеси пластичные

3 -

Суглинки полутвердые

4 -

Суглинки тугопластичне

5 -

Суглинки мягкопластичне

6 -

Глины полутвердые

7 -

Глины тугопластичне

8 -

Глины мягкопластичне

Установленные расчетом зависимости дополнительных продольных усилий

∆N

в распорной системе и изгибающих моментов ∆М

в ограждении от изменения

температуры распорок линейны. Угловые коэффициенты к

∆Nt

∆𝑵

𝒕

∆𝒕

определены

равными от 0,25 до 1,8 в песчаных грунтах (рисунок 4.3.3а) и от 0,52 до 0,98 в

пылевато-глинистых грунтах (рисунок 4.3.3б), а коэффициенты к

∆Mt

∆𝑴

𝒕

∆𝒕

от 0,14

до 0,67 в песчаных грунтах (рисунок 4.3.1.4а) и от 0,26 до 0,44 в пылевато-
глинистых грунтах (рисунок 4.3.4б).

Отношение расчетных усилий ∆N

в распорках к усилиям, определенным по

схеме с неподвижными опорами ∆N

fix

определены в диапазоне δ=0,09÷0,46.

Полученные коэффициенты к и η зависят от коэффициента пористости

песчаных грунтов и консистенции пылевато-глинистых грунтов. По полученным
результатам для рассмотренных грунтовых условий выделены группы грунтов со
схожим диапазоном коэффициентов (таблица 4.3.4).

Таблица 4.3.4 - Коэффициенты к и η в различных грунтовых условиях

№

п/п

Тип грунта

∆Nt

∆Mt

Пески мелкие (0,45≤e≤0,65), средние и

крупные (0,45≤e≤0,6)

1,8-1,16

0,67-0,58

0,46-0,37

Пески пылеватые (0,45≤e≤0,7), средние

и крупные (0,6≤e≤0,75)

1,52-0,7

0,60-0,37

0,4-0,23

Пески мелкие (0,65≤e≤0,8), крупные и

средние (e>0,75); супеси твердые

(0≤I

≤0,25) и пластичные (0,25< I

≤0,75); суглинки и глины полутвердые

(0≤I

≤0,25); суглинки и глины

тугопластичные (0,25< I

≤0,5)

1,16-0,52

0,53-0,26

0,32-0,16

Пески пылеватые (0,75≤e≤0,85),

мелкие (e>0,8); суглинки и глины

мягкопластичные (0,5< I

≤0,75)

0,7-0,25

0,34-0,14

0,21-0,09

Пески пылеватые (e>0,85)

0,25-0,05

0,14-0,01

0,09-0,05

а)

б)

Рисунок 4.3.3 - Зависимость дополнительных продольных усилий в распорной

системе от изменения температуры распорок. Угловой коэффициент к=

∆𝑵

𝒕

∆𝒕

а) в песчаных грунтах; б) в пылевато-глинистых грунтах

120

Δt, °C

∆N

кН

1 -

Песок крупный, плотный

2 -

Песок крупный, средней плотности

3 -

Песок крупный, рыхлый

4 -

Песок средний, плотный

5 -

Песок средний, средней плотности

6 -

Песок средний, рыхлый

7 -

Песок мелкий, плотный

8 -

Песок мелкий, средней плотности

9 -

Песок мелкий, рыхлый

10 -

Песок пылеватый, плотный

11 -

Песок пылеватый, средней плотности

12 -

Песок пылеватый, рыхлый

k=1,80

k=0,25

k=0,60

k=0,70

k=0,87

k=1,16

k=1,37

k=1,38

k=1,79

k=1,52

k=1,76

Пески плотные

Пески ср. плотности

Пески рыхлые

Δt, °C

∆N

кН

1 -

Супеси твердые

2 -

Супеси пластичные

3 -

Суглинки полутвердые

4 -

Суглинки тугопластичне

5 -

Суглинки мягкопластичне

6 -

Глины полутвердые

7 -

Глины тугопластичне

8 -

Глины мягкопластичне

3
2
1

k=0,52

k=0,64

k=0,77

k=0,82

k=0,90

k=0,98

k=0,93

Мягкопластичные

Тугопластичные

Полутвердые

а)

б)

Рисунок 4.3.4 - Зависимость дополнительных изгибающих моментов в

ограждении от изменения температуры распорок. Угловой коэффициент к=

∆М

𝒕

∆𝒕

а) в песчаных грунтах; б) в пылевато-глинистых грунтах

Δt, °C

∆М

кН·м

1 -

Песок крупный, плотный

2 -

Песок крупный, средней плотности

3 -

Песок крупный, рыхлый

4 -

Песок средний, плотный

5 -

Песок средний, средней плотности

6 -

Песок средний, рыхлый

7 -

Песок мелкий, плотный

8 -

Песок мелкий, средней плотности

9 -

Песок мелкий, рыхлый

10 -

Песок пылеватый, плотный

11 -

Песок пылеватый, средней плотности

12 -

Песок пылеватый, рыхлый

6
3
11

k=0,66

k=0,65

k=0,60

k=0,59

k=0,58

k=0,44

k=0,43

k=0,34

k=0,33

k=0,14

Пески плотные

k=0,67

Пески ср. плотности

Пески рыхлые

k=0,53

Δt, °C

∆М

кН·м

1 -

Супеси твердые

2 -

Супеси пластичные

3 -

Суглинки полутвердые

4 -

Суглинки тугопластичне

5 -

Суглинки мягкопластичне

6 -

Глины полутвердые

7 -

Глины тугопластичне

8 -

Глины мягкопластичне

1
2
4
7
8

k=0,26

k=0,32

k=0,37

k=0,39

k=0,42

k=0,43

k=0,44

Мягкопластичные

Тугопластичные

Полутвердые

Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 6