Сезонные изменения усилий в ограждении котлованов

УДК 624.1

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСИЛИЙ В ОГРАЖДЕНИИ КОТЛОВАНОВ

И. В. Хритин

НИИОСП им. Н.М. Герсеванова

 Устройство котлована в условиях сезонных перепадов температуры, обязывает учитывать влияние данного фактора на изменение напряженно-деформируемого состояния в конструкциях крепи. В данной работе приведены результаты теоретического исследования зависимости приращения усилий в распорной системе котлована при температурных воздействиях от податливости грунта, вмещающего котлован.

Ключевые слова: температурные воздействия, перепад температуры, прогнозируемые приращения усилий, удлинение распорок при повышении температуры, податливость грунта за ограждением котлована.

The excavation unit in terms of seasonal temperature changes, required to take into account the influence of this factor on the change in the stress-deformed state in the construction of shoring. In this paper there are the results of theoretical studies of the dependence of the increment of effort in the support system of the pit due to temperature influence from compliance of soil contained a pit.

Keywords: the effects of temperature, differential temperature, the prediction of increment of effort, the extension of the struts support pipe due to the temperature increases, the complipance of the soil behind the pit

Введение

Учитывая, что длительность работ в котлованах может составлять 6-12мес, при их проектировании возникает необходимость учесть воздействие изменения напряженно-деформируемого состояния ограждающих и распорных конструкций, обусловленное переменой температуры при смене времен года. 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. Данный фактор особенно существенен при проектировании систем с распорками длиной свыше 15м.

В настоящей работе рассмотрено влияние увеличения температуры наружного воздуха на усилия в распорках. С этой целью  в экспериментально-технологическом отделении НИИОСП им. Н.М. Герсеванова сделана попытка проанализировать зависимость приращения усилий, вызванных изменением температуры в распорных конструкциях ограждающих стенок котлованов, выполненных в песчаных грунтах, с учетом податливости его стенок.

Поставленная задача решена с помощью программы PLAXIS 2D, позволяющая выполнить на основании МКЭ моделирование изменения НДС массива грунта, окружающего котлован, и учесть удлинение распорок при повышении температуры.

Расчетная схема включала в себя однородный массив грунта 30х13(h)м, ограждение котлована и распорные конструкции, в виде балочных элементов (рис. 1). Узел крепления распорки к ограждению принят шарнирным. В расчетной схеме при определении усилий исключен фактор продольного изгиба распорки.

Грунтовый массив представлен простой и устойчивой нелинейной моделью грунта Кулона-Мора.

stroi_image001-copy
Рис. 1
Общий вид расчетной схемы

Удлинение распорки при повышении температуры на величину t учтено в модели при помощи реализованой в PLAXIS процедуры prescribed displacement (заданные смещения). Заданные смещение равные 0,5Lt (т.к. в расчетной схеме представлена половина симметричного котлована) приложены к стержню, моделирующего распорку в месте его сопряжения с правой границей модели.

Рассмотрены варианы, учитывающие различные сочетания длин распорок: 20м, 30м, 40м и перепада температур от 5˚С до 30˚С (с градацией в 5˚С).

Для анализа принят котлован глубиной 6м, выполняемый в песчаных грунтах под защитой ограждающей конструкции в виде «стены в грунте» толщиной 600мм с одноярусной распорной системой с распорками из металлических труб. Характеристики рассматриваемых песчаных грунтов: Е=10-40Мпа, j=20-40˚, с=1кПа.

Расчет усилий в распорках 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, равное удлинению распорки при перепаде температур.

В результате на последнем этапе происходит частичная компенсация горизонтальных перемещений стенки (рис. 2), полученных на этапах 1-2. Что касается распорки, то за счет обжатия грунтом горизонтальные перемещения на опоре меньше заданных смещений в центре распорки. Поэтому нереализуемые деформации приводят к увеличению внутренних усилий.

Полученные результаты в виде графиков (рис. 3) показывают прогнозируемые приращения усилий в распорной системе котлована с учетом различных грунтовых условий, длин распорок и перепада температуры.

Например,  для распорки длиной 30м из-за перепада температур t=30˚ при заданном смещении — 0,5Lt=0,0054м горизонтальные перемещения за 3-й этап в контрольной точке А, расположенной в месте сопряжения распорки и ограждающей стенки, составят 0,00618-0,00212=0,00406м (рис. 2). Разница между заданным смещением в центре распорки и перемещением на опоре – 0,00134м, в связи с чем усилие в распорке увеличивается в 1,49 раза относительно определенного на этапе 2.

stroi_image002Рис. 2. Изополя горизонтальных перемещений массива грунта и гистограмма горизонтальных перемещений контрольной точки А (при E=30МПа, j=30˚, L=30м, Dt=30˚).

В результате выполненного численного многовариантного расчета, включающего 216 различных сочетаний, установлены зависимости приращения усилий в распорных конструкциях ограждения котлована, от повышения температуры наружного воздуха на 5-30˚С (рис. 3). Под приращениями усилий подразумевается увеличение в процентном отношении усилий в распорках, определенных без учета температурных воздействий.

Экстремум приращений усилий, как и прогнозировалось, получен при максимальных значениях входных параметров, т.е. для грунта с наименьшей податливостью при максимальных длине распорок и перепаде температур. Расчетные приращения установлены в диапазоне от 2% до 110%. При этом приращение усилий, определенные без учета податливости грунта за ограждением котлована, достигает 270%. Таким образом, расчетные приращения усилий в распорках котлована с податливыми стенками до 2,5 раз меньше тех же приращений, определенных для распорок с неподвижными жестко защемленными концами.

При понижении температуры зафиксировано уменьшение продольных усилий в распорках до 25%.

В результате дальнейшего анализа установлена чувствительность результатов расчета к входным параметрам. В данном случае речь уже идет об относительном приращении усилий, т.е. анализируются увеличения в долях единицы усилий, полученных для крайних значений одного из изменяемых параметров.

Фактором, оказывающим наибольшее влияние на увеличение усилий, является перепад температуры в диапазоне от 5˚С до 30˚С, при котором их относительное приращение увеличивается в 4,7-5,7 раза.

Параметры грунта влияют на увеличение усилий в следующей степени: повышение модуля деформации грунта с 10МПа до 40МПа, приводит к относительному увеличению приращения усилий в 2,7-3,7 раза; повышение угла внутреннего трения с 20˚ до 40˚ — к относительному увеличению приращения усилий в 2,1-2,9 раза.

Приращения усилий для распорок длиной 40м в 1,8-1,9 раза больше, относительно результатов полученных для распорок длиной 20м.

Максимальные значения приведенных выше значений относительных приращений получены при определении чувствительности системы к входным параметрам в грунтовых условиях с наибольшими прочностными и деформационными характеристиками.

а) б)
stroi_image003 stroi_image004
в) г)
 stroi_image005  

stroi_image006

Рис. 3. Зависимости приращения усилий в распорной системе ограждения котлована, выполненного в песчаных грунта с модулем деформации: а) Е=40МПа; б) Е=30МПа; в) Е=20МПа; г) Е=10МПа, от повышения температуры наружного воздуха.

Удлинение распорок при положительном перепаде температуры и связанное с этим увеличение давления отпора грунта на ограждающую стенку, так же влияет на внутренние усилия в ограждении. В рассмотренных условиях при повышении температуры изгибающие моменты в ограждении возрастают на величину до 46%.

Краткий анализ решения обратной задачи, показал, что при понижение температуры происходит уменьшение усилий в распорках на 1-25% и понижение давления грунта на ограждение на 2-14,5%.

Следует так же отметить, что за счет укорочения распорок, при понижении температуры, дополнительные горизонтальные перемещения ограждения котлована в контрольной точке А достигают 7мм. Данные перемещения могут приводить к дополнительным осадкам поверхности массива грунта на расстоянии до 9м от ограждения котлована.

Заключение

 Серией численных расчетов, выполненных для системы «ограждающие и распорные конструкции котлована – грунтовый массив», в виде котлована с одноярусным креплением в песчаных грунтах различной крупности и плотности, установлена необходимость учета сезонных изменений температуры на усилия в распорной системе и моменты в ограждении и чем лучше грунтовые условия, тем влияние данного фактора значительней. Но в любом случае учет податливости грунта за стеками котлована уменьшают дополнительные усилия в распорках до 2,5раз по сравнению с жестко закрепленными концами труб.

Так же при оценке влияния устройства котлована с распорками длиной более 15м на окружающую застройку и инженерных сетей следует принимать во внимание возможные дополнительные перемещения ограждения при понижении температуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. СП 132.13330.2011. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. Нормы проектирования.
  2. СП 22.13330.2011. СНиП Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования.
  3. С.П. Тимошенко. Сопротивление материалов, т.1//Издательство «НАУКА». М.: 1965. – 364 с.
  4. Колыбин И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве котлованов в городских условиях. – Развитие городов и геотехническое строительство, №12. СПб: Издательство «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2008. – С 90-124.