Введение к работе
Освоение подземного пространства - одно из важнейших направлений развития крупных городов. При этом актуальными задачами являются обеспечение безопасности и сохранение нормального режима эксплуатации существующих зданий и сооружений (дороги, мосты, тоннели и коммуникации), а также минимизация сроков строительных работ, создающих неудобства движению транспорта и жителям города.
В последние годы для решения этих задач стала применяться струйная геотехнология, позволяющая создавать в грунте грунтоцементный массив (далее ГЦМ) практически любой формы, физико-механические свойства которого могут на несколько порядков превышать свойства грунта.
Основная техническая идея работы состоит в том, что грунтоцементный массив, сформированный до начала откопки, позволит в стесненных условиях города при наличии только верхнего яруса крепления производить разработку грунта в котловане сразу на всю проектную глубину. Устройство верхнего перекрытия-распорки необходимо для организации движения наземного транспорта, при этом отсутствие промежуточных креплений значительно ускорит производство работ и сократит сроки строительства, а деформации окружающих зданий и сооружений не превысят допустимых величин.
Основная научная идея заключается в предположении, что существует такая оптимальная форма и размеры ґрунтоцементного массива (ГЦМ), при которых для каждых конкретных исходных данных максимальное перемещение ограждения при откопке не превышает заранее заданных величин, обусловленных допустимыми осадками окружающих зданий и сооружений. Однако до настоящего времени отсутствуют какие-либо методы определения требуемых геометрических параметров ґрунтоцементного массива, обеспечивающих заданные деформации.
Таким образом, на основании известной и хорошо изученной связи горизонтальных перемещений ограждения и вертикальных деформаций поверхности грунта, а также фундаментов зданий и сооружений основным расчетным критерием, определяющим необходимые геометрические параметры ГЦМ, является горизонтальное перемещение ограждения котлована как основной источник возникновения деформаций грунтового массива при откопке.
Целью настоящего исследования является создание расчетного метода определения оптимальных геометрических параметров ґрунтоцементного массива, при которых максимальное горизонтальное перемещение ограждения не превысит требуемых значений при откопке котлована.
Основными задачами работы являются следующие.
Анализ опыта применения струйной геотехнологии при откопке глубоких котлованов и последующее определение зон расположения ГЦМ, размеры которых подлежат оптимизации в данной работе.
Обоснование применения расчетной модели балки на упругом осно
вании для описания напряженно-деформированного состояния системы «ог
раждение -ГЦМ-грунт».
Постановка и решение задачи оптимального проектирования системы <<ограждение-ГЦМ-грунт», когда предметом оптимизации является коэффициент жесткости основания, характеризующий систему «ГЦМ-грунт», а основные ограничения накладываются на горизонтальные перемещения ограждения котлована.
Проведение численного эксперимента для исследования поведения и взаимодействия ГЦМ с ограждением при откопке котлована.
Разработка методики определения непосредственно оптимальных размеров ГЦМ, соответствующих оптимальному коэффициенту жесткости основания, который обеспечивает заданные минимальные перемещения ограждения котлована.
Оценка результатов оптимизации путем проведения численного эксперимента для оптимальных размеров ГЦМ, полученных в различных расчетных случаях, и проверка соответствия экспериментальных данных о перемещениях ограждения изначально заданным значениям.
Научная новизна.
Сформулированы и обоснованы основные допущения и предпосылки для использования модели балки на упругом винклеровском основании в качестве расчетной модели оптимального проектирования системы «ограж-дение-ГЦМ-грунт».
Составлен поисковый вычислительный алгоритм оптимального проектирования системы «ограждение-ГЦМ-грунт» для определения оптимального коэффициента жесткости основания по высоте ограждения, где основные ограничения накладывались на горизонтальные перемещения системы.
Дана научно обоснованная методика, позволяющая вычислять оптимальные размеры ГЦМ, соответствующие оптимальному коэффициенту жесткости системы «ГЦМ-грунт» , с использованием стандартных методов расчета массивных подпорных стен.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработан расчетный метод, позволяющий определять оптимальные размеры ГЦМ, исходя из предельно допустимых перемещений всей конструкции ограждения.
Предложено инженерное решение, где ГЦМ используется для раскопки котлована с устройством только верхнего яруса крепления ограждения котлована при условии, что осадки окружающих зданий и сооружений будут соответствовать нормативным требованиям.
Разработана программа на ЭВМ, реализующая алгоритм оптимального проектирования системы «ограждение-ГЦМ-грунт» при 1-ом ярусе крепления ограждения только в верхней точке.
Результаты работы внедрены при проектировании подземного многофункционального комплекса "Тверская застава" в г. Москве.
Методологической базой исследований является анализ взаимодействия системы «стена подземного сооружения-ГЦМ-грунт» путем проведения численных исследований, анализ различных решений задачи о горизонтальных перемещениях ограждения котлована, а также методов оптимального проектирования механических систем.
Для решения сформулированных задач использованы методы строительной механики, вариационного исчисления и оптимального проектирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций предопределяется применением основных положений и моделей классической механики грунтов и проверкой полученных результатов в сертифицированных геотехнических расчетных программах, реализующих МКЭ с использованием верифицированных нелинейных моделей грунта.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:
на научно-практических конференциях "Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения" в СПбГАСУ в Санкт-Петербурге в 2009 г. и 2010 г.
на 20-й Европейской конференции молодых геотехников в Брно в 2010 г.
На защиту выносятся совокупность научных положений, на базе которых разработаны метод, расчетный алгоритм и компьютерная программа определения оптимальных геометрических параметров ґрунтоцементного массива, примыкающего к стене ограждения котлована, при устройстве подземного пространства только с верхним ярусом крепления и дальнейшей откопкой сразу на всю глубину котлована.
Автор выражает слова глубокой признательности и благодарности научному руководителю акад. РААСН, д. т. н., проф. В. А. Ильичеву, за консультативное участие президенту ООО «НПО «КОСМОС» к. т. н. А. В. Черняко-ву, зав. кафедрой строительной механики ТГАСУ акад. РААСН, д. т. н., проф. Л. С. Ляховичу, зав. лабораторией № 7 НИИОСП им. Н. М. Герсевано-ва к. т. н. Д. С. Разводовскому и зам. генерального директора ООО «Подзем-проект» к. т. н. М. М. Тупикову. Публикации.
По материалам выполненных исследований опубликовано 4 работы, из них 3 в издании, рекомендуемом ВАК РФ для кандидатских диссертаций.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов общим объемом 185 стр. печатного текста, включая 76 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 144 наименований.
