Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован

109

Рисунок 5.2.1 - Зависимости коэффициента С

от изгибной жесткости

ограждающей стены (на глубине z=1,5м) в грунтах с модулем деформации:

1 –

Е=50МПа; 2 – Е=35МПа; 3 – Е=20МПа; 4 – Е=5МПа; 5 – МНК

Обработав кривые зависимостей С

(ЕI) методом наименьших квадратов

получено уравнение регрессии, описывающее единую для различных грунтовых
условий зависимость коэффициента С

от жесткости ограждающей стены.

(5.2.3)

где С

–

коэффициент податливости ограждающей стены при EI ограждения,

стремящемся к нулю, кН/м;
ζ

–

коэффициент, учитывающий жесткость ограждающей стены;

=γ

·ЕI, кН/м;

коэффициент пропорциональности жесткости ограждающей стены;

= 0,0014,

-3

;

ЕI – жесткость ограждающей стен на 1 м.п., кНм

5000

10000

15000

20000

25000

, кН/м

, кНм

Е=50 мПа

Е=5 мПа

Е=35 мПа

Е=20 мПа

Со

33750

67500

135000

270000

540000

1080000

110

Аппроксимировав расчетные зависимости прямыми по уравнению регрессии

(5.2.3) и приняв за базовые значения коэффициенты С

, определенные при

жесткости ограждающей стены EI=2,7·10

кНм

(точка перехода на линейную

зависимость), определили значения С

при различных модулях деформации

грунта (см. рисунок 5.2.2).

Значения коэффициента С

, определенного из условия 5.2.3, отличаются от

расчетных С

в зависимости от жесткости ограждающей стены и грунтов.

Средняя ошибка при определении С

для различных грунтовых условий

составляет 1,5-8,2% (см. таблицу 5.2.2). При этом коэффициент С

получается

больше расчетного, что обеспечивает запас при определении усилий в распорной
системе. В интервале жесткостей ограждающих стен EI=2,7·10

- 5,4·10

кНм

(стены из бетона толщиной до 0,6м) значения С

и С

практически совпадают.

Рисунок 5.2.2 - Зависимости коэффициента С

на глубине z=1,5м от изгибной

жесткости ограждающей стены: - по результатам расчета - 1÷4 (сплошная линия);

по уравнению регрессии - 5÷8 (пунктирная линия)

5000

10000

15000

20000

25000

, кН/м

, кНм

Е=50 мПа

Е=5 мПа

Е=35 мПа

Е=20 мПа

33750

67500

135000

270000

540000

1080000

р.

111

Таблица 5.2.2 – Сопоставление расчетных и приведенных значений
коэффициентов податливости ограждения С

Е,

МПа

Коэффициенты податливости С

, кН/м, при

конструкции ограждающей стены

Средняя

ошибка

𝛅

ср

, %

из

металлопроката

из бетона

толщиной до

600мм

из бетона

толщиной до

1000мм

δ, % С

δ, %

20716 22488

4,1

23150 23197

0,1

23770 23953

0,4

1,5

14443 15614

3,9

16321 16323

0,0

16587 17079

1,5

1,8

7948

8738

4,7

9299

9446

0,8

9440

10202

3,9

3,1

2065

2014

-1,2

2365

2723

7,0

2385

3479

18,7

8,2

Примечание:

ошибка определена из условия: δ=

𝑡р

−С

𝑡

𝑡р

+С

𝑡

∙ 100%

средняя ошибка из условия: 𝛿

ср

∑ 𝛿

𝑖

𝑛

На следующем этапе были установлены зависимости коэффициента С

от

глубины установки распорной системы z для различных грунтовых условий
(рисунке 5.2.3), из которых следует, что коэффициент С

по глубине

увеличивается равномерно, в среднем с интенсивностью 0,63·z, и эту зависимость
возможно представить в виде:

=К

(5.2.4)

где К

–

коэффициент пропорциональности податливости ограждающей стены

в зависимости от вида грунта, кН/м

;

–

коэффициент, учитывающий глубину установки распорной

системы; β

+0,63·z

, м;

z –

глубина, для которой определяется С

;

–

размерный коэффициент, учета глубины z; γ

=1, м.

112

Рисунок 5.2.3 - Зависимости коэффициента С

от глубины z в различных

грунтовых условиях: - по результатам расчета- 1÷4 (сплошная линия); - по

условию 5.2.4 - 5÷8 (пунктирная линия)

Средняя ошибка при определении коэффициента С

по условию 5.2.4 не

превышает 3,2% (см. Таблицу 5.2.3).

10000

20000

30000

40000

0.5

1.5

2.5

, кН/м

, м

113

Таблица 5.2.3 – Сопоставление расчетных и приведенных значений
коэффициентов С

Е, мПа

Коэффициенты С

, кН/м, при глубине z, м

Средняя

ошибка

𝛅

ср

, %

1,0

2,0

3,0

δ, % С

δ, %

18446 19106

1,8

26530

26490

-0,1

34660 33874

-1,1

0,4

12880 13692

3,1

18487

18983

1,3

24648 24275

-0,8

1,5

7227

8006

5,1

8690

11101

3,5

14180 14195

0,1

3,2

1620

1798

5,2

2363

2493

2,7

3396

3189

-3,1

2,2

Примечание:

ошибка определена из условия: δ=

𝑡0р

−С

𝑡0

𝑡0р

+С

𝑡0

∙ 100%

средняя ошибка из условия: 𝛿

ср

∑ 𝛿

𝑖

𝑛

С учетом полученных зависимостей (5.2.3) и (5.2.4) условие для определения

коэффициента податливости сплошной ограждающей стены С

может быть

представлено в следующем виде:

(5.2.5)

Податливость дискретной стены из отдельных элементов в сравнении со

сплошным ограждением при прочих равных условиях больше. Дополнительные
усилия в распорной системе при повышении температуры распорок с подобным
типом ограждения ниже на 15-25% (глава 2), что учтено в методике определения
усилий в распорной системе коэффициентом условий работы ограждающей стены
γ

=0,85.

Значения коэффициента К

для различных грунтовых условий, определенные

на основании численных расчетов (глава 4), приведены в таблице 5.2.4.

114

Таблица 5.2.4 - Коэффициент К

для различных типов грунтов

№

п/п

Тип грунтов и их характеристик

кН/м

Пески мелкие (0,45≤e≤0,65), средние и крупные

(0,45≤e≤0,6)

8 000 - 12 000

Пески пылеватые (0,45≤e≤0,7), средние и крупные

(0,6≤e≤0,75)

4 000 - 10 000

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<

≤0,5)

3 000 – 7 000

Пески пылеватые (0,75≤e≤0,85), мелкие (e>0,8);

суглинки и глины мягкопластичные (0,5< I

≤0,75)

1 000 – 4 000

Пески пылеватые (e>0,85)

500 – 1 000

Примечание:
В пределах значений, указанных в таблице, коэффициенты К

принимают тем

большими, чем плотнее грунт.

Рисунок 5.2.4 - Зависимости коэффициента К

от модуля деформации грунтов

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

К, кН/м

Е, МПа

115

5.3 Методика определения усилий в распорной системе конструкции

ограждения котлована при изменении температуры распорок

В результате проведенных исследований для определения дополнительных

усилий в распорной системе конструкции ограждения котлована N

кН,

возникающих при изменении температуры распорок, предлагается использовать
условие:

𝜸

𝒄

𝜶·𝒍·

∆

𝒕

�

𝒍

𝑬𝑨

𝟏

С𝒕

�

(5.3.1)

где γ

–

коэффициент условий работы ограждающей стены: γ

=1 (для

сплошных стен); γ

=0,85(для стен из отдельных элементов);

α - коэффициент линейного температурного расширения материала распорных
конструкций, °С

-1

;

l -

длина распорки, м;

∆

t -

перепад температуры, °С;

E –

модуль упругости материала распорных конструкций, кН/м

;

A –

площадь поперечного сечения распорных конструкций на 1 м.п., м

;

коэффициент податливости ограждающих стен котлована при

температурных деформациях распорок, кН/м, определяемый из условия:

+ ζ

(5.3.2)

где К

–

коэффициент пропорциональности податливости ограждающей стены

в зависимости от вида грунта, кН/м

;

z –

глубина установки распорной системы, м;

–

коэффициент, учитывающий глубину установки распорной

системы; β

+0,63·z,

м;

–

размерный коэффициент, учета глубины z; γ

=1, м.

–

коэффициент, учитывающий жесткость ограждающей стены;

ЕI, кН/м;

116

коэффициент пропорциональности жесткости ограждающей стены;

= 0,0014

, м

-3

;

E –

модуль упругости материала ограждающей стены, кН/м

;

I –

момент инерции ограждающей стены на 1 м.п., м

= γ

(5.3.3)

К – коэффициент пропорциональности для расчета свай на горизонтальную
нагрузку, принимаемы по Таблице В.1 [54];
γ

–

коэффициент перехода.

Коэффициенты γ

для различных типов грунта, определенные на основании

численных расчетов приведены в Таблице 5.3.1.

Таблица 5.3.1 - Коэффициент γ

для различных типов грунта

№

п/п

Грунты и их характеристики

Глины и суглинки текучепластичные (0,75≤I

≤1)

0,2

Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем; Пески

гравелистые и крупные (0,55≤e≤0,7); супеси твердые (I

<0);

глины и суглинки от твердых до мягкопластичных (0< I

≤0,75)

0,33

Пески мелкие (0,6≤e≤0,75) и пылеватые (0,6≤e≤0,8)

0,45

Пески средней крупности (0,55≤e≤0,7), супеси пластичные

(0≤I

≤0,75)

0,55

Для напластования грунтов, залегающих в пределах глубины ограждающей

стены, следует применять приведенное значение коэффициента К

. Условие

(5.3.4)

для определения приведенного значения К

получено в предположении,

что на деформации ограждающей стены котлована и на усилия, возникающие в
распорной системе, в основном влияют значения К

, относящиеся к верхним

слоям грунта (рисунок 5.3.1). Подобное предположение использовано для
определения приведенного значения коэффициента пропорциональности при
расчетах свай на горизонтальную нагрузку [19].

118

Вывод по главе 5

Разработанная методика позволяет без выполнения расчетов в

геотехнических  программных  комплексах  определить  дополнительные  усилия  в
распорной  системе  конструкций  ограждения  котлована  при  изменении
температурно-деформированного  состояния  распорок  с  учетом  податливости
ограждающих стен.

Установлено, что податливость ограждающих стен в большей степени

обусловлена типом грунта и возрастает с глубиной.

Определены значения коэффициентов пропорциональности податливости

ограждающих стен для различных грунтов и зависимость изменения указанных
коэффициентов от глубины.

Установлены условия применения коэффициентов пропорциональности для

расчета свай на действие горизонтальных нагрузок (таблица В.1, СП

24.13330.2011 [54

]) к расчету дополнительных усилий в распорной системе при

повышении температуры распорок.

119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По

результатам

расчетно-теоретических

экспериментальных

исследований  установлено  влияние  на  дополнительные  усилия  в  конструкциях
ограждения  котлованов  с  одноярусным  креплением  различных  факторов:
геологических  (вида  грунта  и  его  характеристик),  гидрогеологии,  глубины
котлована,  длины  распорок,  жесткостей  ограждающей  стены  котлована  и
распорных  конструкций.  Наиболее  значимыми  факторами  для  дополнительных
усилий  в  распорной  системе  являются  геологические  условия  и  жесткость
распорок, для ограждения котлована - геологические условия, глубина котлована
и жесткость ограждающей стены.

Сезонные температурные воздействия оказывают существенное влияние на

напряженно-деформируемое  состояние  конструкций  ограждения  котлована.  В
среднем  при  повышении  температуры  распорок  на  30°С  приращения  усилий  в
распорной  системе  относительно  усилий,  определенных  статическим  расчетом,
составляют 60%, приращения изгибающих моментов в ограждающей стене - 15%.

Дополнительные усилия в конструкциях ограждения котлованов при

изменении НДС распорной системы практически пропорциональны модулю
деформации окружающего котлован массива грунта. Чем выше значение модуля
деформации, тем при прочих равных условиях в конструкциях ограждения
котлована возникают большие значения дополнительных усилий.

Для учета влияния деформаций массива грунта, вмещающего котлован,

определены  коэффициенты  пропорциональности  сопротивления  (податливости)
ограждающей  стены  воздействию  дополнительного  усилия  в  распорках  для
различных песчаных и пылевато-глинистых дисперсных грунтов ненарушенного
сложения.

Дополнительные «температурные» усилия в распорках, определенные с

учетом податливости ограждающих стен, существенно меньше усилий,
определенных по схеме с неподвижными опорами, используемой в расчетах в

120

настоящее время. Для рассмотренных условий соотношение усилий определено в
диапазоне от 0,09 для грунтов с Е=5МПа до 0,46 для грунтов с Е=50МПа.

Разработанная в диссертации методика учета податливости грунта за

ограждающей стеной позволяет без выполнения расчетов в конечно-элементных
геотехнических программах достоверно определить дополнительные усилия в
распорной системе при температурных воздействиях на распорки с применением
коэффициентов пропорциональности, используемых при расчетах свай на
горизонтальную нагрузку СП 24.13330.2011.

Применение разработанной методики при проектировании и устройстве

конструкций ограждений котлованов позволит снизить материалоемкость, объем
строительно-монтажных работ и избежать возможных аварийных ситуаций.

Температурные деформации распорной системы при понижении

температуры в осенний период могут оказывать существенное влияние на
дополнительные осадки окружающего котлован массива грунта и в меньшей
степени на зону влияния, определенную статическим расчетом.

Результаты расчетно-теоретических исследований достаточно хорошо

согласуются с данными экспериментальных лабораторных и натурных
исследований.

10.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке

проекта изм. 2 СП22.13330.2011.

Рекомендациями и перспективами дальнейшей разработки темы

являются:

исследование влияния давления деформаций морозного пучения грунта за

ограждающей стеной на НДС конструкций ограждения котлованов;

разработка методики расчета дополнительных усилий в конструкциях

ограждения котлована с двумя и более ярусами распорной системы;

разработка конструктивных решений позволяющих компенсировать

негативное влияние температурных деформаций распорной системы при
сезонном изменении температуры.

121

Список используемой литературы

Адлер, Ю.П. Введение в планирование эксперимента / Ю.П. Адлер. –

М.: Металлургия, 1969. – 155с.

Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных

условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Марков, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976. – 280с.

Алабужев, П.М. Теория подобия и размерностей. Моделирование /

П.М. Алабужев, В.Б. Геронимус, Л.М. Минкевич, Б.А. Шеховцев. – М.: Высшая
школа, 1968. – 206с.

Белышев И.А. О выборе исходных температур воздуха для

статических расчетов конструкций // Развитие методики расчета по предельным
состояниям. – М.: Стройиздат, 1971.

Белышев, И.А. Нормирование температурных климатических

воздействий для расчета конструкций зданий / И.А. Белышев // Тр. ЦНИИСК им.
В.А. Кучеренко, Вып. 42 «Расчет строительных конструкций». – 1976. – С. 23-36.

Белышев, И.А. Статистический анализ данных о температуре воздуха

для расчета конструкций / И.А. Белышев, Л.В. Клепников // Исследование
нагрузок на сооружения и надежность строительных конструкций. Тр. ЦНИИСК
им. В.А. Кучеренко. – 1976. – С. 11-34.

Бугров, А.К. О решении смешанной задачи теории упругости и теории

пластичности грунтов / А.К.Бугров // Основания, фундаменты и механика
грунтов.– 1974. –№ 6. – С. 20-23.

Буданов, В.Г. О причинах деформации основания здания при

строительстве вплотную к нему подземной автостоянке ниже подошвы его
фундамента / В.Г. Буданов, А.Н. Скачко, И.В. Шлеев // Российская архитектурно-
строительная энциклопедия. - 2008. - С. 270-273.

Будин, А.Я. Тонкие подпорные стенки / А.Я. Будин. -Л.: Стройиздат,

1974. -

192с.

122

10.

Герсеванов, Н.М. Применение математической логики к расчету

сооружений. Собрание сочинений, т. I / Н.М. Герсеванов – М.:
Стройвоенмориздат, 1960. – 457с.

11.

Гордеев, В.Н. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / В.Н.

Гордеев, А.И. Лантух-Лященко, В.А. Пашинский и др. – 2006. – С.262-264.

12.

ГОСТ 25100-2001 Грунты. Классификация.

13.

ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения

физических характеристик.

14.

ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе. Структура

и правила оформления.

15.

ГОСТ 8.543-86 ГСИ Государственная поверочная схема для средств

измерения деформаций.

16.

Даревский, В.Э. Проектирование сооружений, обеспечивающих

устойчивость грунтовых массивов (набережные, берегоукрепления, подпорные
стены, защита от оползней и пр.) / В.Э. Даревский, А.М. Романов. – М.: Мастер,

2011. –

596с.

17.

Заварина, М.В. Строительная климатология. / М.В. Заварина. –

Ленинград: Гидрометеоиздат, 1976. – 312с.

18.

Завриев, К.С. Исследование несущей способности фундаментов опор

контактной сети: сборник. Вып.39 / К. С. Завриев, Е. П., Крюков, Г. С. – М.:
Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение Министерства путей
сообщения, 1960. – 216 с.

19.

Завриев, К.С. Расчет фундаментов мостовых опор глубокого

заложения / К.С. Завриев, Г.С. Шпиро. – М.: Транспорт, 1970. – 216с.

20.

Зайдель, А.Н. Ошибки измерений физических величин / А.Н. Зайдель.

–

Ленинград: Наука, 1974. – 108с.

21.

Зерцалов, М.Г. Исследование влияния разработки котлована на

окружающую застройку / М.Г. Зерцалов, С.А. Казаченко, Д.С. Конюхов //
Вестник МГСУ. – 2014. – № 6. – С.77-86.

123

22.

Ильичев, В.А. Опыт освоения подземного пространства российских

мегаполисов / В.А. Ильичев, Р.А. Мангушев, Н.С. Никифорова // Основания,
фундаменты и механика грунтов.– 2012. –№2. – С. 15–17.

23.

Ильичев, В.А. Опыт устройства котлованов при возведении зданий и

сооружений в стесненных условиях города Москвы / В.А. Ильичев, В.В.
Знаменский, Морозов Е.Б. // Вестник МГСУ. – 2010. – № 4-2. – С.222-230.

24.

Кассандрова, О.Н. Обработка результатов наблюдений / О.Н.

Кассандрова, В.В. Лебедев. – М.: Наука, 1970. –104с.

25.

Кикин, А.И. Повышение долговечности металлических конструкций

промышленных зданий / Кикин, А.И., Васильев А.А., Кошутин Б.Н. и др. – М.:
Стройиздат, 1984. – 301с.

26.

Колыбин, И.В. Подземные сооружения и котлованы в городских

условиях – опыт последнего десятилетия / И.В. Колыбин // Тр. Юбилейной
конференции, посвященной 50-летию РОМГГиФ «Российская геотехника – шаг в

XXI

век». –2007. – Том I. –С 114-153.

27.

Колыбин, И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве

котлованов в городских условиях / И.В. Колыбин // Развитие городов и
геотехническое строительство. – 2008. – №12. – С 90-124.

28.

Конюхов, Д.С. Использование подземного пространства / Д.С.

Конюхов – М.: Архитектура-С, 2004. – 296с.

29.

Конюхов, Д.С. Расчёт технологических деформаций существующих

зданий в процессе изготовления ограждающих конструкций котлованов / Д.С.
Конюхов, А.И. Свиридов // Вестник МГСУ. – 2011.– № 5. – С.99-103.

30.

Мангушев, Р.А. Основания и фундаменты / Р.А. Мангушев, В.Д.

Карлов, И.И. Сахаров, А.И. Осокин. – М.: АСВ, 2013. – 388с.

31.

Мангушев, Р.А. Проектирование и устройство подземных сооружений

в открытых котлованах / Р.А. Мангушев, Н.С. Никифорова, В.В. Конюшков, А.И.
Осокин, Д.А. Сапин. – СПб.: АСВ, 2013. – 256 с.

124

32.

Мангушев, Р.А. Технологические осадки зданий и сооружений в зоне

влияния подземного строительства / Р.А. Мангушев, Н.С. Никифорова. – М.:
АСВ, 2017. – 160с.

33.

Метелюк Н.С. Сопротивление изгибу стержня конечной жесткости в

упруго-податливой среде / Н.С. Метелюк, Г.Ф. Шишко // Строительные
конструкции. – 1971. – С.168-175.

34.

Никифорова, Н.С. Закономерности деформирования оснований

зданий вблизи глубоких котлованов и защитные мероприятия: дис. … д-ра техн.
наук: 05.23.02 / Никифорова Надежда Сергеевна.– М., 2008.– 324 с.

35.

Николаевский М.Ю. Температурные напряжения в свайных

ростверках: дис. …канд. техн. наук: 05.23.02 / Николаевский Михаил
Ювинальевич.- Ленинград., 1984. - 205 с.

36.

Николаевский, М.Ю. Температурные напряжения в сваях и массивном

монолитном ростверке / М.Ю. Николаевский // Сборник ЦБНТИ
Минмонтажспецстроя. – 1983. – Вып. 7. – С. 23-30.

37.

Николаевский, М.Ю. Усилия в сваях от температурных деформаций

монолитного ростверка / М.Ю. Николаевский // Сборник ЦБНТИ
Минмонтажспецстроя. – 1980. – Вып. 12. – С. 19-23.

38.

Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник

геотехника. – М.: АСВ, 2013. – 728с.

39.

Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник

проектировщика. – М.: Стройиздат, 1985. – 480с.

40.

Петрухин, В.П. Новые способы геотехнического проектирования и

строительства / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачева. – М.: ACB, 2015.

–

224 с.

41.

Петрухин, В.П. Ограждающие конструкции котлованов, методы

строительства подземных и заглубленных сооружений / В.П. Петрухин, И.В.
Колыбин, Д.Е. Разводовский // Российская архитектурно-строительная
энциклопедия. – 2008. – С. 212-219.

Влияние деформаций массива грунта, вмещающего котлован - часть 8