Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Общие сведения о строительстве ограждающих конструкций способом«стена в грунте» 9
1.1.1 Современные способы ограждения глубоких котлованов 9
1.1.2 Технология строительства стены в грунте 12
1.1.3 Буронабивные сваи 13
1.1.4 Буросекущиеся сваи 16
1.1.5 Траншейный метод 18
1.2 Анализ методов прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений и задачи исследований 22
1.2.1 Полуэмпирические методы прогноза деформаций в окрестности полузаглубленных сооружений 22
1.2.2 Численные методы расчета осадок земной поверхности 32
Выводы по главе 1 34
2 Экспериментальные натурные исследования деформирования грунтового массива при строительстве полузаглубленных сооружений 35
2.1 Основные тенденции деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений 35
2.1.1 Анализ деформаций грунтового массива, вызванных строительством «стены в грунте» 36
2.1.2 Анализ деформаций грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения, вызванных строительством глубокогокотлована з
2.1.3 Анализ деформаций грунтового массива на уровне дна полузаглубленного сооружения, вызванных строительством котлована... 46
2.2 Анализ результатов натурных наблюдений за деформированием грунтового массива в окрестности полузаглубленных сооружений 47
2.3 Результаты геотехнического мониторинга при строительстве подземного паркинга способом «стена в грунте» 56
2.3.1 Общие сведения об объекте строительства и реконструкции 56
2.3.2 Инженерно-геологические условия 57
2.3.3 Методика проведения мониторинга 59
2.3.4 Результаты наблюдений за ограждающей конструкцией 62
2.4 Мониторинг за стенами котлована при строительстве главной насосной станции г. Санкт-Петербурга способом «стена в грунте» 73
2.4.1 Результаты мониторинга 76
Выводы по главе 2 82
3 Численное моделирование геомеханических процессов при строительстве котлована под защитой ограждающей конструкции 83
3.1 Методика проведения теоретических исследований 83
3.2 Напряженно-деформированное состояние конструкций полузаглубленного сооружения 85
3.2.1 Постановка задачи и исходные данные 85
3.2.2 Результаты численного моделирования 87
Выводы по главе 3 101
4 Сопоставление экспериментальных и теоретических исследований и направления их использования 102
4.1. Методика расчета нагрузок на обделку полузаглубленного подземного сооружения насосной станции 105
4.1.1 Исходные данные 105
4.1.2 Постановка задачи 106
4.1.3 Результаты численного моделирования 112
4.1.4 Оценка прочности и устойчивости расстрела 124
4.2. Определение рациональной области и направлений применения технологии «стенав грунте» 124
Выводы по главе 4 128
Заключение 129
Список литературы 1
- Технология строительства стены в грунте
- Анализ деформаций грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения, вызванных строительством глубокогокотлована
- Напряженно-деформированное состояние конструкций полузаглубленного сооружения
- Определение рациональной области и направлений применения технологии «стенав грунте»
Технология строительства стены в грунте
Технические решения по технологии строительства подземных сооружений открытым способом должны быть комплексными и включать технологии крепления котлована, разработки грунта в нем и устройства конструкций сооружения, инженерные мероприятия по защите котлована и подземного сооружения от подземных вод, инженерные мероприятия по обеспечению сохранности близраспо-ложенной существующей застройки, а также обеспечивать выполнение экологических требований по охране окружающей среды [30-33].
Обоснование этих технических решений должно обеспечиваться проектными расчетами напряженно-деформированного состояния ограждающих конструкций и вмещающего массива грунтов вместе с примыкающими к котловану зданиями и сооружениями, гидрогеологического режима подземных вод и фильтрационного притока в котлован [34-38].
На выбор технологии возводимого открытым способом подземного сооружения решающее значение оказывают следующие факторы: габариты подземного сооружения в плане и по глубине, месторасположение подземного сооружения (строительство на свободной территории или в условиях тесной существующей застройки); инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка строительства; необходимость соблюдения экологических требований по охране окружающей среды; экономические соображения; возможности строительной организации.
При проектировании подземных сооружений в районах существующей застройки следует выполнять геотехнический прогноз влияния строительства на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и деформации существующих зданий и сооружений [39-42].
Выбранная технология возведения подземного сооружения должна обеспечивать не превышение допустимых дополнительных деформаций эксплуатируемых зданий, попадающих в зону влияния нового строительства, с учетом их технического состояния. Также технология должна учитывать наличие линий метрополитена и насыщенность подземного пространства существующими коммуникациями.
При проектировании подземных сооружений, перекрывающих частично или полностью естественные фильтрационные потоки в грунтовом массиве, а также изменяющих условия и пути фильтрации подземных вод, следует выполнять прогноз изменений гидрогеологического режима площадки строительства.
В процессе строительства и в начальный период эксплуатации подземных сооружений следует выполнять натурные наблюдения (мониторинг) на строительной площадке для оценки надежности системы «сооружение-основание», своевременного выявления дефектов конструкций, предотвращения аварийных ситуаций [43-46], а также для оценки правильности результатов прогноза, принятых методов расчета и проектных решений. Состав, объем и методы мониторинга должны назначаться в зависимости от уровня ответственности подземных сооружений, их конструктивных особенностей, геологических и гидрогеологических условий площадки, способа возведения, плотности окружающей существующей застройки, требований эксплуатации и в соответствии с результатами геотехнического прогноза [47,48].
Конструкция и технология устройства ограждения при строительстве подземного сооружения открытым способом должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать устойчивость стен котлована в процессе и после полной разработки грунта; воспринимать нагрузку от сооружения, если ограждение входит в состав конструкции подземного сооружения; обеспечивать водонепроницаемость, если невозможно или экономически нецелесообразно водопонижение; должна быть предусмотрена многократная оборачиваемость элементов крепи, если ограждение является временным; крепление не должно загромождать котлован, мешать выемке и обратной засыпке грунта и монтажу основных конструкций; обеспечивать сокращение материалоемкости, трудоемкости и сроков строительства; обеспечивать сохранность эксплуатируемых наземных и подземных объектов, попадающих в зону влияния строящегося подземного сооружения; обеспечивать соблюдение экологических требований (соблюдение допустимых норм по шуму, вибрации, защите окружающей среды). Классификация современных методов крепления котлована при строительстве полузаглубленных сооружений приведена ниже (рисунок 1.1).
Анализ деформаций грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения, вызванных строительством глубокогокотлована
Величина горизонтальных смещений стен котлована зависит от множества факторов, таких как ширина котлована, глубина котлована, жесткости ограждающей конструкции и применяемых поддерживающих элементов. Рассмотрим кратко влияние некоторых из них.
Влияние коэффициента запаса по устойчивости стен и дна котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Чем меньше значение коэффициента запаса, тем ниже устойчивость полузаглубленного сооружения и тем выше деформации грунтового массива в его окрестности. В работе Cloughn Rourke [74] представлена диаграмма (рисунок 1.8, рисунок 1.9), на которой четко видна взаимосвязь между коэффициентом запаса по устойчивости и горизонтальными смещениями стены котлована. По мере приближения коэффициента запаса по устойчивости к 1.0, наблюдается постепенное нарастание скорости горизонтальных смещений стены котлована. При достижении коэффициентом запаса по устойчивости величины равной 1.0, наблюдается резкий рост деформаций в грунтовом массиве.
Влияние ширины котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Cloughn Rourke показали, что чем шире котлован, то тем больше будет и деформация подпорной стены. Это связано с уменьшением отпора, который может оказать грунт, расположенный ниже уровня дна котлована.
Влияние глубины котлована на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Результаты исследований Ои [81] наглядно показывают (рисунок 2.2), что при прочих равных условиях, увеличение глубины заложения полузаглубленного сооружения негативно сказывается на величине горизонтальных деформаций в его окрестности. Деформации подпорной стены в слабых глинистых грунтах обычно выше, чем деформации в песчаных грунтах. Приближенно, величина горизонтальных смещений подпорной стены может быть оценена по следующей зависимости
Влияние глубины защемления ограждающей конструкции на деформации грунтового массива к окрестности полузаглубленного сооружения. На основании проведенного численного моделирования было выявлено, что глубина защемления ограждающей конструкции, при достижении критического значения в значительной степени оказывает влияние на деформации стены. При этом если величина защемления ограждающей конструкции выше критического значения, глубина ее защемления не оказывает влияния на деформирование стены. Очевидно, что глубина критическая глубина защемления зависит от инженерно-геологических условий и геометрических параметров котлована. Ниже представлены результаты численного моделирования строительства полузаглубленного сооружения, глубина заложения дна которого 20 м от поверхности земли (рисунок 2.3). Рассмотрены условия, когда отношение прочности породы сдвигу при недренированном нагружении su и эффективных вертикальных напряжений o v равны, su/Oy = 0,36 и su/Oy = 0,28. Величина защемления принималась равной 20, 15, 10 и 4 м.
Когда su/Oy = 0,36, изменение величины защемления от 20 до 10 не приводит к значительному росту горизонтальных смещений. То есть стенка котлована находиться в устойчивом состоянии. При величине защемления 4 м, как видно из представленной зависимости, наблюдается резкий рост горизонтальных смещений. Если значение прочности сдвигу грунтового массива меньше, su/Oy = 0,28, то в этом случае эффект быстрого нарастания горизонтальных смещений наблюдается уже при величине заделки 10 м.
Влияние жесткости ограждающей конструкции на деформации грунтового массива в окрестности полузаглубленного сооружения. Теоретически с повышением жесткости ограждающей конструкции, величина горизонтальных смеще 41 ний уменьшается. Однако эта зависимость не линейна. Эффективность снижения величины горизонтальных смещений за счет повышения жесткости работает только до определенной глубины Не. С превышением данной глубины, увеличение толщины подпорной стены не будет оказывать определяющего влияния на ее деформированное состояние.
Влияние жесткости поддерживающих элементов на деформацию грунтового массив в окрестности полузаглубленного сооружения. Если рассматривать строительство полузаглубленного сооружения, то на первом этапе разработки грунта в котловане, ограждающая конструкция работает как консоль, так как на данном этапе установка поддерживающих конструкций еще не осуществлена (рисунок 2.4,а). Второй этап разработки грунта в котловане осуществляется после установки первого ряда поддерживающих элементов. Если жесткость поддерживающих элементов весьма высока, их сжатие (уменьшение длины) будет весьма мало, а ограждающая конструкция начнет вращаться вокруг точки контакта поддерживающего элемента и ограждающей конструкции, что в итоге и сформирует картину деформирования ограждающей конструкции.
Напряженно-деформированное состояние конструкций полузаглубленного сооружения
Анализ смещений ограждающих стен показывает, что по глубине они деформируются по-разному. Деформация стены с инклинометрической трубкой 3 достигает наибольшего значения на поверхности, а с трубкой 1 на глубине 15 м.
С глубиной горизонтальные смещения первой стены с трубкой 3 монотонно убывают до 16 мм. Для второй стены с трубкой 1 с увеличением глубины смещения стен грунтового массива в сторону котлована вначале возрастают, а затем уменьшаются.
Наибольшая их величина находится на глубине 15 м от земной поверхности и составляет 66 мм. На глубине Н= 24 м горизонтальные смещения снижаются до 53 мм.
С целью снижения смещений стен в процессе строительства сооружения, в его верхней части были установлены расстрелы из металлических труб диаметром 1,2 м. Наличие расстрелов привело к уменьшению горизонтальных смещений в верхней части ограждающей стены с трубкой 3 полузаглубленного сооружения (рисунок 2.24) и оказало меньшее влияние на противоположную стену. При этом первоначальные значения смещений стен были одинаковыми, а на 02.06.2011 они уже отличались друг от друга в 1,5 раза.
Необходимо отметить, что на характер деформирования противоположных ограждающих стен оказала влияние их различная жесткость в средней части. Около ограждающей стены с инклинометрической трубкой 3 сооружаются три стартовых камеры, закрепленных железобетонной крепью, используемые для строительства (рисунок 2.25) тоннелей.
Наличие вертикальных камер привело к снижению горизонтальных смещений во внутрь котлована (рисунок 2.24). Вместе с тем, в верхней части стены, в процессе углубки котлована, возведены расстрелы (рисунок 2.26), которые снизили величину горизонтальных смещений.
Эпюра горизонтальных смещений верхней части стен внутрь котлована приведена на рисунке 2.25. Из экспериментальных данных следует, что наибольшие горизонтальные смещения имеют место в средней части стены, с приближением к углам сооружения горизонтальные смещения уменьшаются. График смещения деформационных марок на ростверке котлована
Величина и характер деформирования грунтового массива в окрестности полузаглубленного подземного сооружения в основном зависят от инженерно-геологических условий строительства, глубины ограждающей конструкции, прочностных и деформационных характеристик грунтов и несущей стены, схемы их взаимодействия, типов и параметров поддерживающих элементов.
Форма мульды оседания земной поверхности, вызванная строительством полузаглубленных сооружений, может быть как пологой, так и изогнутой. Основными факторами, оказывающими влияние на форму мульды оседания земной поверхности, являются величина и характер смещений поддерживающей конструкции. Так, если на первом этапе разработки грунта в котловане подпорная стена испытывает значительные смещения по сравнению со смещениями на конечном этапе разработки грунта, то наиболее вероятно, что максимальная осадка земли сформируется на контуре котлована, а форма мульды оседания будет пологой. Если же максимальные деформации подпорной стены сконцентрированы на участке дна котлована, то в этом случае максимальная осадка земной поверхности наблюдается на некотором расстоянии от контура котлована, а форма мульды оседания изогнутая.
Прогноз деформаций грунтового массива при строительстве полузаглубленных подземных сооружений нужно производить по методике, учитывающей прочностные и деформационные характеристики грунтов и несущих стен, параметры сооружения и ограждающих конструкций.
Так как, для работы с изотропной упругой моделью материала необходимо знать всего два параметра, она получила широкое распространение в классической механике грунтов, где краевые задачи решались аналитическим образом. Изотропная упругая идеально-пластическая модель Кулона-Мора. Модель Кулона-Мора до последнего времени являлась наиболее распространенной геомеханической моделью для описания поведения грунта.
Для описания среды согласно модели Кулона-Мора необходимо помимо двух упругих констант три пластических параметра, сцепление с, угол внутреннего трения ср и угол дилатансии гр.
Классическое условие прочности сдвигу (закон трения Кулона) можно записать в виде уравнения f = т — с — antar\(p. (3.2) Так как классическая модель Кулона-Мора предполагает изотропное линейное упругое поведения грунта до момента достижения предельного значения прочности, данная модель не позволяет адекватно оценить нелинейный характер поведения грунта.
Областью эффективного применения модели Кулона-Мора являются задачи, где грунтовый массив, под действием внешних факторов, достигает предельного состояния. Это включает в себя, оценку устойчивости откосов и бортов карьеров, устойчивость дамб и насыпей, фундаментов мелкого заложения, устойчивость тоннеля в призабойной части, устойчивость незакрепленного тоннеля.
Сооружение стены в грунте, выполненной по траншейной технологии или в виде буросекущихся свай обычно не рассматривается при выполнении численного моделирования, а считается, что установка ее выполняется мгновенно, без перераспределения напряжений и деформаций в грунтовом массиве, вызванных ее возведением. Считается, что изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива вызвано только дополнительным весом самой стены.
До настоящего времени проводилось достаточно мало исследований по оценке влияния сооружения стены в грунте на напряженно-деформированное состояние. В работах ряда исследователей [45, 64, 65] отмечается, что наблюдается снижение горизонтальных напряжений в окрестности стены из буросекущихся свай на величину до 10% при ее сооружении в плотных глинах, в то время как при сооружении стены в грунте траншейным способом, напряжения падают на 20%. На настоящий момент считается, что при качественном выполнении строительных работ, данный эффект носит локальный характер. Однако, в ряде работ отмечается, что при сооружении стены в грунте траншейным способом в Гонконге, глубина которой 37 м, осадка земной поверхности непосредственно у стены составила 78 мм, а мульда оседания распространилась на расстояние 50 м от края стены.
Определение рациональной области и направлений применения технологии «стенав грунте»
Способ «Стена в грунте» можно применять для строительства стен подземных и заглубленных частей зданий и сооружений, ограждающих конструкций котлованов, разделительных стен, щелевых фундаментов, для создания противофильтрационных завес (ПФЗ).
Конструкции, выполняемые способом «стена в грунте», наиболее рационально применять для строительства: в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, при высоком уровне подземных вод и возможном большом притоке подземных вод в строительный котлован; в условиях плотной городской застройки при расположении котлована вблизи существующих зданий и сооружений. Ограждающие конструкции «стена в грунте», как правило, нецелесообразно устраивать для котлованов глубиной менее 5 м.
Исследования других авторов [45, 64, 65 ] и диссертанта показали, что способ «стена в грунте» при разных грунтовых условиях, разных размерах сооружений в плане и по глубине заложения имеет область применения более широкую, чем методы строительства в открытом котловане и опускного колодца (таблица 4.4). Таблица 4.4 - Области эффективного применения методов строительства полузаглубленных сооружений
Наиболее эффективны ограждающие конструкции «стена в грунте», заглубленные в слой водоупора, что позволяет их рассматривать в качестве противофильтрационных завес.
Свайные завесы в виде пересекающихся буровых свай целесообразно сооружать в связных и несвязных грунтах с крупнообломочными включениями, а также в трещиноватых и выветренных скальных грунтах с заполнением твердеющими материалами. Обычно глубина завес 40-50 м.
Непрерывные траншейные завесы наиболее эффективны при применении их в связных и несвязных грунтах, в том числе с крупнообломочными включениями, с заполнением твердеющими и нетвердеющими материалами при глубине завесы до 30 м.
Тонкие бестраншейные завесы, как правило, выполняют в связных и несвязных грунтах без крупнообломочных включений с помощью струе размывного устройства при глубине завесы более 12 м или вибропогружения и последующего виброизвлечения инвентарной металлической или железобетонной конструкции с одновременным заполнением образуемой полости твердеющим материалом - при глубине завесы до 12 м.
Возведение сооружений способом «стена в грунте» может быть осуществлено во всех песчаных, глинистых, трещиноватых и невысокой прочности скальных грунтах, за исключением случаев, когда вертикальность стенок траншеи не может быть обеспечена глинистой суспензией.
Применение способа «стена в грунте» может быть ограничено следующими условиями: наличием грунтов с кавернами и пустотами, илов в рыхлых насыпных грунтов; включением обломков бетонных и железобетонных плит, железа и других препятствии на трассе траншеи; малой глубиной сооружения (до 3-5 м) при условиях, позволяющих вести строительство объекта в открытом котловане; наличием грунта или его прослоек, разрабатываемость которых выше группы, максимально допусти 127 мой для имеющегося оборудования.
Разработка грунта внутри и выемка изнутри сооружения должна производиться равномерно по всей площади с устройством, в случае необходимости, поддерживающих отдельные участки конструкции стены (распорок, грунтовых анкеров, перегородок и других).