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·∆T·EA (1)
где ЕА – осевая жестокость распорок;
αt — коэффициент линейного температурного расширения материала распорки;
DT — перепад 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.
Рисунок 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.
Рисунок 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:
а)
б)
Рисунок 3 — Зависимость дополнительных продольных усилий в распорной системе ∆Nt от изменения температуры распорок.
Угловой коэффициент 
а) в песчаных грунтах; б) в пылевато-глинистых грунтах.
а)
б)
Рисунок 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)
б)
Рисунок 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.
Рисунок 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
- Колыбин И.В. Уроки аварийных ситуаций при строительстве котлованов в городских условиях // Развитие городов и геотехническое строительство. 2008. №12.С 90-124.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- Endo, M., Kawasaki, T. 1963. Study of thermal stresses acting on struts. Transact. // Architect. Inst. Japan -AIJ 63. – pp. 689-692.
- Хритин И.В. Экспериментальные исследования влияния сезонных изменений температуры на усилия в конструкциях ограждения котлованов // Вестник гражданских инженеров. 2017. №2 (61) C. 154-162.