Влияние температурно-деформированного состояния распорной системы на дополнительные 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

В статье приведены результаты комплексных расчетно-теоретических и экспериментальных (лабораторных и натурных) исследований воздействия сезонных изменений температур на напряженно-деформируемое состояние системы «массив грунта — ограждающая конструкция — распорная крепь». Выполнен анализ влияния различных факторов: геологических, гидрогеологических условий и параметров котлована (глубины котлована, длины распорок, жесткостей ограждающей стенки котлована и распорных конструкций), на изменение НДС в ограждающих и распорных конструкциях котлованов. Показано, что усилия в распорной системе с учетом податливости ограждающих стенок, существенно меньше усилий, определенных по схеме с неподвижными опорами. Полученные результаты сопоставлены с данными ранее выполненных исследований, в т.ч. зарубежных авторов.

Одним из самых распространенных способов для сооружения подземных частей зданий, а также других заглубленных сооружений в городских условиях являются котлованы. Устройство котлованов может производиться под защитой естественного откоса грунта, но по большей части используется различные ограждающие конструкции.

Современное строительство имеет тенденцию к увеличению габаритов подземных сооружений. Значительная часть котлованов имею глубину 15м и больше. В совокупности с увеличением размера котлована в плане это ведет к усложнению конструкций ограждения котлованов. Температурные воздействия в данных условиях становятся существенным фактором, влияющим на их проектирование.

Для конструкций, не защищенных от суточных и сезонных изменений температуры, СП20.13330.2011 предусмотрено учитывать изменение во времени средней температуры и перепад температуры по сечению элемента. Требование учитывать температурно-климатические воздействия при проектировании основания подземных частей сооружений и при геотехническом прогнозе, так же приведены в СП22.13330.2011.

Следует учитывать, что длительность работ в котлованах может составлять до года и более, при этом сезонный перепад температуры конструкций ограждения котлованов в условиях средней полосы России может достигать 60°С. В результате 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.

Отдельные аварийные ситуации, связанные температурными воздействиями на конструкции ограждения котлованов, освещены в работах [1-3]. Так же в исследованиях [4-7] приводятся данные о влиянии изменения температуры в осенне-зимний период на горизонтальные перемещения ограждающих стенок котлована и дополнительные осадки окружающей застройки при устройстве котлована.

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%. 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. Результаты эксперимента показали, что при повышении температуры на 25°С дополнительные усилия в распорке верхнего яруса увеличиваются на 30%.

В работе [8] предложено условие зависимости дополнительных усилий в распорках от податливости грунта за ограждением котлована (1).

N=ft·αt·∆EA                                            (1)

где ЕАосевая жестокость распорок;

αtкоэффициент линейного температурного расширения материала распорки;

DTперепад температуры;

ft – понижающий коэффициент, учитывающий податливость ограждающих стенок котлована.

Эмпирически получен понижающий коэффициент ft для определения усилий в распорной системе с учетом податливости грунта для конкретных условий. Для ограждения глубокого котлована в виде «стены в грунте» из буросекущихся свай в полутвердых глинах, коэффициент ft определен в диапазоне от 0,2 до 0,3. Ранее в работах [10, 11] были предложены следующие значения коэффициента ft : 0,15- для ограждения котлована из отдельных элементов; 0,25-0,35 – для сплошного ограждения котлована в виде «стены в грунте» траншейного типа или из буросекущихся свай. В работах [12, 13] рассматривались аналогичные эмпирические подходы.

Следует отметить, что предложенный метод определения усилий в распорной системе, основанный на понижении значения усилий определенных для распорок с неподвижными опорами не учитывает длину и глубину установки распорок. Понижающий коэффициент приведен для конкретных грунтовых условиях.

При этом, в современной практике проектирования котлованов, расчеты элементов крепления на температурные воздействия, как правило, производят по схеме с неподвижными опорами. При подобном подходе определенные расчетом температурные напряжения в распорных конструкциях превышают напряжения, определенные с учетом податливости стенок котлована. В результате проектирование ведется с перерасходом материала.

Проведенные автором натурные исследования влияния изменения температуры на усилия в распорных конструкциях котлована показали, что дополнительные усилия в распорках при изменении температуры на 18°C составили порядка 400 кН. Расчетные дополнительные усилия в распорках, определенные по схеме с неподвижными опорами достигли бы 700 кН (рис. 1). В среднем зафиксированные значения усилий в распорках составили 0,46 от расчетных усилий, определенных по схеме с неподвижными опорами. Исследования проведены при устройстве котлована глубиной 9,4-11,0м для строительства подземной части многоквартирного жилого дома в г. Москве. Ограждение котлована выполнено в виде «стены в грунте» из бурокасательных свай диаметром 820мм, длиной 15,9-17,1м. Крепление ограждающей стенки реализовано двумя ярусами распорок из труб диаметром 630х8мм, длиной до 23,5м, установленных с шагом 4-6,4м.

image001Рисунок 1 – График изменения средней температуры и усилий в распорках: 1- расчетное усилие в распорках при неподвижных опорах; 2- средняя температура распорок; 3 – фактическое усилие в распорках.

Для определения факторов, влияющих на формирование напряженно-деформируемого состояния системы «массив грунта — ограждающая конструкция — распорная крепь» в условиях изменения температуры последней и прогнозирования величин усилий в конструкциях ограждения котлована и величин осадок поверхности окружающего массива грунта, в экспериментально-технологическом отделении НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, АО «НИЦ «Строительство» проведены расчетно-теоретические исследования.

Исследования выполнены с помощью геотехнического конечно-элементного программного комплекса PLAXIS AE, разработаннаго фирмой PLAXIS BV (г. Дельфт, Нидерланды), в котором смоделировано удлинение/укорочение распорок, возникающее под воздействием повышения/понижения температуры при смене времен года.

Рассмотрены температурные деформации распорок длиной 18м за счет перепада температуры Δt до 60°С. Исследовано, как повышение температуры (от -30°С до +30°С), так и понижение (от +30°С до -30°С).

Изменение длины, моделирующего распорку стержня при изменении температуры на величину Δt, реализовано в расчетах при помощи, имеющейся в программе PLAXIS процедуры prescribed displacement (заданные смещения). В расчетах использована нелинейная упруго-идеально-пластическая грунтовая модель Кулона-Мора.

Для проведения исследований была принята модель котлована в однородном массиве грунта под защитой сплошной ограждающей стенки с креплением распорной системой. В качестве базовой расчетной схемы принят котлован глубиной 6м с одним ярусом распорной системы.

При выполнении исследований варьированию подвергалось 6 основных параметров: грунтовые условия, гидрогеологические условия, глубина котлована, жесткость ограждающей стенки котлована, жесткость распорных конструкций, возможное разуплотнение грунта на контакте с ограждающей стенкой. Обобщенный вид расчетной схемы котлована приведен на рис. 2.

image002Рисунок 2 — Обобщенный вид расчетной схемы котлована

 Анализ полученных результатов показал, что дополнительные усилия в конструкциях ограждения котлована пропорциональны жесткости массива грунта, окружающего котлован. Максимальные значения получены для песков плотного сложения, минимальные — для мелких и пылеватых, рыхлых песков любой крупности, глин тугопластичных и мягкопластичных, суглинков мягкопластичных. Практически прямо пропорциональны дополнительные усилия и длине распорок, что объяснимо прямой зависимостью потенциальных температурных деформации распорок от длины. Глубина котлована, жесткость распорных и ограждающих конструкций ограждения котлованов, так же оказывает значительное влияние на дополнительные усилия в ограждающей стенке. При этом влияние указанных факторов на усилия в распорной системе, незначительное (табл. 1).

Установленные по расчету зависимости дополнительных продольных усилий ΔNt в распорной системе и изгибающих моментов ΔМt в ограждении от изменения температуры распорок линейные (рис. 3, 4).

Отношение, расчетных усилий ΔNt в распорках к усилиям, определенным по схеме с неподвижными опорами ΔNtfix определены в диапазоне ft =0,09¸÷0,46, что соотносится с данными [8, 10, 11].

Полученные коэффициенты к и ft для рассмотренных грунтовых условий возможно выделить в группы со схожим диапазоном коэффициентов (табл. 2).


Таблица 1 — Влияние грунтовых условий, гидрогеологических условий и параметров конструкций ограждения котлована на дополнительные усилия ΔNt, ΔMt в конструкциях ограждения котлованов

Исследуемый параметр Влияние исследуемых параметров на значения δ1, % усилия в конструкциях ограждения котлованов при повышении температуры распорок
низкое среднее высокое
Грунтовые условия δΔN=87

δΔM=80

Длина распорных конструкций δΔN=48

δΔM=52

Глубина котлована δΔN=4 δΔM=58
Гидрогеологические условия δΔN=2

δΔM=10

Жесткость ограждающей стенки котлована δΔN=10 δΔM=72
Жесткость распорных конструкций δΔN=29

δΔM=33

 
Разуплотнение грунта на контакте с ограждением δΔN=19

δΔM=14

Примечания:

1 — значения δ определены из условия:

screen-shot-2018-07-23-at-12-52-31

а)

image005б)

image006Рисунок 3 — Зависимость дополнительных продольных усилий в распорной системе Nt от изменения температуры распорок.

Угловой коэффициент screen-shot-2018-07-23-at-13-29-32

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

а)

image008б)

image009Рисунок 4 — Зависимость дополнительных изгибающих моментов в ограждении от изменения температуры распорок. Угловой коэффициент к= :

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

Таблица 2 — Коэффициенты к и ft в различных грунтовых условиях

№ п/п Тип грунта к ft
к∆Nt к∆Mt
1 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
2 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
3 Пески мелкие (0,65≤e≤0,8), крупные и средние (e>0,75); супеси твердые (0≤IL≤0,25) и пластичные (0,25< IL ≤0,75); суглинки и глины полутвердые (0≤IL≤0,25); суглинки и глины тугопластичные (0,25< IL ≤0,5) 1,16-0,52 0,53-0,26 0,32-0,16
4 Пески пылеватые (0,75≤e≤0,85), мелкие (e>0,8); суглинки и глины мягкопластичные (0,5< IL ≤0,75) 0,7-0,25 0,34-0,14 0,21-0,09
5 Пески пылеватые (e>0,85) 0,25-0,05 0,14-0,01 0,09-0,05

 

Данные экспериментальных исследований [14], проведенных в большом грунтовом лотке Экспериментального корпуса НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, на крупномасштабной физической модели конструкции ограждения котлована, подтвердили результаты расчетно-теоретических исследований.

Следует отметить, что эксперимент проводился для двух типов ограждающих стенок: из отдельных элементов и сплошной (стенка из труб выполнена с забиркой в виде сплошного металлического листа со стороны грунта). Результаты измерения усилий в распорках для двух типов ограждающих стенок, были сопоставлены с данными численного расчета в пространственной постановке в программе PLAXIS (рис. 5).

В результате экспериментальные и расчетные данные показали, 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% (рис. 6).

а)

image011б)

image012Рисунок 5 – Деформированная схема конечных элементов при численном расчете модели котлована в PLAXIS (перемещения увеличены в 200 раз): а) сплошное ограждение; б) ограждение из отдельных элементов.

image013Рисунок 6 – Графики экспериментальных и расчетных значений усилий в распорках при изменении температуры.

 

Заключение

На основании экспериментальных и расчетно-теоретических исследований сделан вывод о том, что дополнительные усилия в конструкциях ограждения котлованов при изменении температурно-деформированного состояния распорной системы практически пропорциональны жесткости окружающего котлован массива грунта. Более жесткий грунт, при прочих равных условиях, обуславливает появление в конструкциях ограждения котлована наибольших дополнительных усилий.

При определении дополнительных усилий в конструкциях ограждения котлованов следует учитывать длину распорок, глубину котлована, жесткость распорных конструкций и ограждающих стенок.

Расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями подтверждено, что дополнительные «температурные» усилия в распорках, определенные с учетом податливости ограждающих стенок, существенно меньше усилий, определенных по схеме с неподвижными опорами. Для рассмотренных условий соотношение усилий определено в диапазоне от 0,09 до 0,46, что согласуется с данными натурных наблюдений.

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. Колыбин И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве котлованов в городских условиях // Развитие городов и геотехническое строительство. 2008. №12.С 90-124.
  2. Teparaksa, W., Thasnanipan, N., Maung, A.W. & Tangseng, P. 1999. Lessons from the collapse during construction of an inlet pumping station: Geotechnical instrumentation aspects.// Field measurements in geomechanics. Proc. of the 5-th Int. Symposium, Singapore. — pp. 247-252.
  3. Шулятьев О.А., Поспехов В.С. Анализ работы распорной системы ограждения глубокого котлована в условиях изменения температуры//Промышленное и гражданское строительство. 2017. №4. С. 50-54.
  4. Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Мозгачева О.А. Особенности строительства Турецкого торгового центра. Основания и фундаменты, №2. М.:  Издательство Издательский дом «ЭСТ», 2003. 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, №5. М.:  Издательство Издательский дом «ЭСТ», 2004. 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. Жилищного строительство. №9. М.:  ООО РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2012. 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. WeiBenbach, A. 1992. Einfluss der Temperatur auf die Krafte in der Aussteifung tiefer Baugruben. // Beitriige zum 7. Chr. Veder Kolloquium, Mitteil. Institut fur Bodenmechanik, Felsmechanik und Grundbau, Techn. Univ. Graz (in German).
  11. WeiBenbach, A. 1993. Einfluss der Temperatur auf die Bemessung der Aussteifung tiefer Baugruben. // Mitteilungen des Instituts jiir Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau, Universitat Hannover, Heft 36(in German). – pp. 275-285.
  12. Chapman, K.R., Cording,.E.I., Schnabel, H. Perfonnance of a braced excavation in granular and cohesive soils. // Proc, Spec. Conf. Earth Supported Structures, ASCE, 3. – pp. 271-293.
  13. Endo, M., Kawasaki, T. 1963. Study of thermal stresses acting on struts. Transact. // Architect. Inst. Japan -AIJ 63. – pp. 689-692.
  14. Хритин И.В. Экспериментальные исследования влияния сезонных изменений температуры на усилия в конструкциях ограждения котлованов // Вестник гражданских инженеров. 2017. №2 (61) C. 154-162.