Экспериментальные исследования влияния сезонных изменений тем-пературы на усилия в конструкциях ограждения котлованов

УДК 624.1

© И. В. Хритин, старший научный сотрудник

(АО «НИЦ «Строительство» НИИОСП им. Н.М. Герсеванова)

E-mail: ilyas-niiosp@yandex.ru

© I. V. Khritin, senior researcher

(OJSC SRC «Stroitelstvo» NIIOSP named after N. M. Gersevanov)
E-mail: ilyas-niiosp@yandex.ru

 

Экспериментальные исследования влияния сезонных изменений температуры на усилия в конструкциях ограждения котлованов

Experimental study of the effect of seasonal temperature changes on the efforts of construction of excavation shoring

Устройство котлована в условиях сезонных перепадов температуры, обязывает учитывать влияние данного фактора на изменение напряженно-деформируемого состояния в конструкциях крепи. В статье приведены результаты экспериментальных исследований воздействия сезонных изменений температур на напряженно-деформируемое состояние системы «массив грунта — ограждающая конструкция — распорная крепь» проведенных экспериментально-технологическим отделением НИИОСП им. Н.М. Герсеванова на крупномасштабной физической модели котлована в большом грунтовом лотке. Описаны методика проведения исследований и применяемое оборудование. Определены зависимости изменения усилий в конструкциях ограждения котлована при изменении температуры распорок. Экспериментальные данные сопоставлены с результатами проведенных ранее численных исследований.

Ключевые слова: температурные усилия в распорной системе, сезонные изменения температуры, приращения усилий, геотехнический прогноз, податливость грунта за ограждением котлована, изгибающие моменты в ограждающей стенке.

The pit excavation in the conditions of the seasonal temperature changes requires to consider the impact of this factor on the change of the stress-strain state in the construction of excavation shoring. In the paper are shown the results of experimental studies on the effects of seasonal temperature changes on the stress-strain state of system «soil – shoring – support system of pit» conducted experimental technological department of NIIOSP named after N. M. Gersevanov on large-scale physical model of the pit. The method of research and the equipment are described in the paper. The dependence between changes of the force of pit shoring and changes of temperature of pipe of support system are shown. Experimental data are compared with the results of earlier numerical studies.

Key words: thermal forces in the support system, the seasonal temperature changes, the increment of forces, geotechnical prediction, soil behavior behind the pit, bending moments in the pit shoring.

 

Температурные воздействия на строительные конструкции могут иметь самое разнообразное происхождение, но чаще всего рассматриваются климатические температурные воздействия.

Учитывая, что длительность работ в котлованах может составлять до года и более, при их проектировании появляется необходимость учитывать воздействие сезонного изменения температуры на напряженно-деформируемого состояния (НДС) ограждающих и распорных конструкций котлована. Смонтированные в холодные периоды года распорки в теплые периоды удлиняются и, как следствие, в них увеличиваются внутренние усилия, возникающие из-за сопротивления окружающего котлован массива грунта. В системах, смонтированных в летний период, наоборот, в осенне-зимний период распорки укорачиваются, что приводит к дополнительным горизонтальным перемещениями ограждения котлована и осадкам прилегающей к котловану территории. В условиях средней полосы России сезонный перепад температуры распорок, не защищенных теплоизоляцией, может достигать 60°С.

В научно-технической литературе [1-3] и нормативной 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. При этом, вопросы температурных деформаций и напряжений в элементах ограждения котлована, связанных с грунтом основания имеющим податливость, изучены еще недостаточно.

Современные исследования [4-7] показывают необходимость учета влияния сезонных изменений температуры на дополнительные усилия, возникающие в распорной системе котлована при изменении температуры последних.

Данные натурных экспериментов [8] и [9] так же подтверждают 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).

issled-image001Рис. 1. Данные натурных испытаний влияния суточного изменения температуры на усилия в распорках ограждения котлована (строительство Main Tower в г. Франкфурт, Германия) [8].

Другие данные, получены при строительстве станции Esplanade Station (г. Перт, Западная Австралия), в котловане глубиной 13м, с тремя ярусами распорок из труб  ⌀406×9,5мм и  ⌀1016×16мм средней длиной 23,5м. Грунтовые условия площадки представлены преимущественно пересылающимися слоями песка и суглинка. Результаты эксперимента показали, что при повышении температуры на 25°С дополнительные усилия в распорке верхнего яруса увеличиваются на 30% (рисунок 2).

issled-image002Рис. 2. Результаты измерения усилий в распорках ограждения котлована при изменении температуры за трехдневный период (строительство Esplanade Station в г. Перт, Западная Австралия) [9].

Ранее, авторами статьи проведена серия численных исследований [10] закономерности изменения НДС конструкций ограждения котлована и окружающего массива грунта при изменении температуры в распорной системе. По результатам были определены зависимости приращений «температурных» усилий в конструкциях ограждения котлована глубиной 6м с одноярусным креплением, в песчаных грунтах различной крупности и плотности. Установлено, что при длине распорок 40м и увеличении температур на 30°С усилия в последних увеличиваются до 110%, изгибающие моменты в ограждении возрастают до 46%. Основным фактором влияющим, на температурные усилия в распорках является податливость грунта за стенками котлована, и чем лучше грунтовые условия, тем влияние данного фактора значительней.

В современном практике проектирования котлованов расчеты распорок на температурные воздействия, как правило, производятся по схеме с неподвижно-защемленными опорами (без учета податливости грунтового массива). При этом численными исследованиями установлено, что в случае учета податливости грунта за стенками котлована дополнительные усилия в распорках минимум в 2,5 раза меньше. В результате проектирование осуществляется с перерасходом материала.

Однако, 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. [11].

В продолжение численных исследований для выявления характера действительных условий работы ограждающих и распорных конструкций ограждения котлована и сравнения их результатов с расчетными данными были проведены экспериментальные опыты на крупномасштабной физической модели конструкции ограждения котлована.

Исследования проводились летом 2017 года в большом грунтовом лотке Экспериментального корпуса НИИОСП им. Н.М. Герсеванова размерами в плане 14х4м, высотой 6,0м в песчаном грунте нарушенной структуры.

Принцип физического моделирования позволил вести исследование на модели, сохраняющей физическую природу изучаемого явления. При этом соответствующие величины, характеризующие явление, для прототипа и модели отличаются лишь количественно.

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. Модель котлована принята в виде пропорционально уменьшенного в 3 раза котлована-прототипа. Выбор масштаба модели, жесткости ограждающей стенки и распорок применительно к условиям моделирования в грунтовом лотке основывался на соблюдении простого подобия относительных расчетных деформаций ограждающих стенок котлована-прототипа и модели (рисунок 3).

а) б)
 issled-image003  

issled-image004

Рис. 3. Эпюры горизонтальных перемещений ограждающих стенок котлована-прототипа (а) и опытного (б) котлована.

В результате модельный котлован принят глубиной 2,0м, шириной 3м. Ограждающая стенка – 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 (рисунок 4, 5).

issled-image005Рис. 4. Конструкция опытного котлована.

issled-image006Рис. 5. Общий вид опытного котлована.

Для исключения возможного технологического разуплотнения грунта на контакте с ограждающей стенкой трубы и металлическая забирка погружались задавливанием статической нагрузкой.

Экспериментальными исследованиями было предусмотрено моделирование удлинения распорок возникающих при изменении температуры. Для изменение температурного состояния распорок на модели до 60°С использовался греющий кабель, который навивался на каждую распорку с последующей теплоизоляцией материалом базальт-картон. Температура нагрева распорок регулировалась системой состоящей из реле и датчика температуры, установленного на распорке.

В связи с тем, что при длине распорок модельного котлована 2,2м удлинения распорок при повышении их температуры относительно малы, там же были проведены испытания с применением домкратов, моделирующих удлинение распорок большей длины (15м) в том же диапазоне изменения температуры.

В процессе эксперимента нагрев распорок осуществлен синхронно и ступенчато по 10°С. При работе с домкратами принят тот же принцип и реализация изменения длины распорок выполнена ступенчато: с шагом по 1,8мм, что соответствовало температурному удлинению распорки при перепаде температуры 10°С.

В соответствии с задачами исследований на каждой ступени контролировались: усилия в распорках и ограждении, горизонтальные перемещения ограждающих стенок и вертикальные перемещения поверхности грунта за ограждением.

Для определения усилий в конструкциях котлована была сформирована автоматизированная система мониторинга напряжений на базе оборудования фирмы СИТИС (Россия), позволившая снимать показания, как по требованию (в режиме реального времени), так и с заданным промежутком времени. Система включала накладные струнные тензометры, даталоггеры «Игла», ноутбук, программное обеспечение и модуль беспроводной сети. На каждую распорку устанавливается по 3 тензометра, равномерно распределённые по окружности в одном сечении на 4, 8 и 12 часов и 4 тензометра (по одному тензометру с противоположных сторон котлована в створе с каждой распоркой) на трубы ограждающей стенки в уровне максимального расчетного момента. Для учета погрешности показаний вследствие воздействия температуры на струну тензометра для распорок и ограждающих стенок были предусмотрены контрольные тензометры без нагрузки.

Контроль вертикальных перемещений поверхности окружающего опытный котлован массива грунта осуществился при помощи осадочных марок в виде металлических пластины размером 50х50х4мм и индикаторов часового типа, установленных с шагом 0,4м в перпендикулярном ограждению котлована направлении.

Перемещения ограждающих стенок измерялись электронными (ПСК-МГ4) и аналоговыми прогибомерами (6ПАО).

Общий вид установленного в опытном котловане измерительного оборудования приведен на рисунке 6.

issled-image007Рис. 6. Общий вид установленного измерительного оборудования.

По результатам проведенных экспериментов были определены зависимости изменения усилий в ограждающих конструкциях опытного котлована от изменения температуры распорок.

Максимальные дополнительные усилия в конструкциях опытного котлована определены равными:

  • при фактическом повышении температуры распорок греющим кабелем: P=6,8кН/м, М=0,2кНм/м, что в ~2,2 раза и в ~1,2 раза соответственно увеличивает начальные усилия от давления грунта;
  • при испытаниях с помощью домкратов: P=24кН/м, М=2,0кНм/м, что в ~5,2 раза и в ~2,6 раза соответственно увеличивает начальные усилия от давления грунта.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что зависимости изменения усилий в ограждающих конструкциях опытного котлована от изменения температуры распорок близки к линейным (Рисунок 7, 8). При этом данные экспериментальных исследований в опытном котловане достаточно хорошо согласуются с результатами численных расчетов в PLAXIS.

issled-image008

issled-image009Рис. 7. Сопоставление экспериментальных и расчетных и усилий в ограждении M (а) и распорках Р (б) опытного котлована от изменения температуры (при испытании греющим кабелем).

issled-image010

issled-image011Рис. 8. Сопоставление экспериментальных и расчетных и усилий в ограждении M (а) и распорках Р (б) опытного котлована от изменения температуры (при испытании домкратами).

 

Заключение.

В результате экспериментальных исследований получены данные, характеризующие напряженно-деформируемое состояние ограждающих конструкций котлованов, подверженных температурным воздействиям. Опытные данные, подтвердили результаты проведенных ранее численных исследований, показавших необходимость учета сезонных изменений температуры при проектировании ограждающих конструкций котлована, с учетом податливости грунта за ограждением.

Многие из современных программных комплексов имеют инструментарий позволяющий моделировать температурные воздействия при расчете геотехнических сооружений, в т.ч. ограждений котлованов и должны быть использованы при проектировании котлована.

Применение на практике учета податливости грунта при определении температурных воздействий на распорную систему ограждений, позволит сократить материалоемкость и объемы строительно-монтажных работ при устройстве котлованов, и избежать возможных аварийных ситуаций.

 

Библиографический список

  1. Пантелеев Н.Н., Безгеммер Д.А. Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндрических зданий при температурных воздействиях // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. №11. С. 105-112.
  2. Буадзе И.Э., Гагнидзе И.Ш., Ксениди В.С. Об особенностях расчета крупнопанельных зданий на температурные воздействия // Строительная механика и расчет сооружений. 2014. №3. С. 39-42.
  3. Шапиро Г.И., Коровкин В.С. К вопросу о напряженно-деформированном состоянии жилых и общественных зданий при температурных воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2008. №12. С. 5-8.
  4. Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Мозгачева О.А. Особенности строительства Турецкого торгового центра // Основания и фундаменты. 2003. №2. С. 6-8.
  5. Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Мозгачева О.А. Опыт проектирования и мониторинга подземной части Турецкого торгового центра // Основания и фундаменты. 2004. №5. С. 2-8.
  6. Петрухин В.П., Поспехов В.С., Шулятьев О.А. Опыт проектирования и мониторинга глубокого котлована // НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Сборник научных трудов. Выпуск 99. М.:  Издательство Издательский дом Экономика, строительство, транспорт, 2008. С. 139-148.
  7. Шулятьев О.А., Поспехов В.С., Шулятьев С.О. Из практики проектирования ограждающей конструкции и фундаментной плиты административного комплекса с четырехуровневой подземной автостоянкой // Жилищное строительство. 2012. №9. С. 50-53.
  8. Ch. Moormann. In-situ monitoring and analysis of braced excavations with irregular shape // Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Kastner, Emeriault, Dias, Guilloux (eds), 2002, Lyon.
  9. N. L. Zaremba. Experiences in strut load monitoring in excavations for the new metrorail city project. School of Civil and Resource Engineering // The University of Western Australia, 2007.
  10. Хритин И.В. Сезонные изменения усилий в ограждении котлованов // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 10. С. 85-89.
  11. Колыбин И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве котлованов в городских условиях // Развитие городов и геотехническое строительство. 2008. №12.С 90-124.