автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Деформации грунтового массива и ограждения при разработке котлована в условиях слабых грунтов

На правах рукописи

Сливец Константин Владимирович

ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТОВОГО МАССИВА И ОГРАЖДЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КОТЛОВАНА В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ГРУНТОВ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003492

Санкт-Петербург - 2010

003492134

Работа выполнена в ГОУ ВПО Петербургский университет путей сообщения (ПГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Парамонов Владимир Николаевич ГОУ ВПО «Петербургский университет путей сообщения»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кириллов Владимир Михайлович ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»;

кандидат технических наук, доцент Матвеенко Геннадий Алексеевич ООО «Подземстройреконструкция», г. Санкт-Петербург

Ведущая организация: ООО «Геоизол», г. Санкт-Петербург

Защита состоится 2 марта 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4, зал заседаний.

Телефакс (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» www.spbgasu.ru

Автореферат разослан « "2. » февраля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Ю. Н. Казаков

Актуальность темы. В настоящее время для всех крупных городов, в том числе и для Санкт-Петербурга, в связи с нехваткой свободной территории для нового строительства, актуален вопрос об освоении подземного пространства. Строительство подземных сооружений в центре города связано с устройством котлованов, разработка которых осложняется наличием вблизи зданий и сооружений, а также мощной толщей слабых грунтов. Поэтому для проектировщика чрезвычайно важно иметь надежный метод расчета ограждающих конструкций в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, действенность которого подтверждена наблюдениями в натурных условиях.

Количество и качество данных натурных наблюдений, имеющихся на настоящий момент, не позволяет провести их сравнение с результатами расчетов, выполненных по различным методикам. Для получения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) системы «ограждение-грунт» в рамках данной работы выполнен комплексный мониторинг на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Проведение наблюдений на опытной площадке с использованием специального оборудования позволило получить более обширную информацию о поведении системы «ограждение-грунт» в сравнении с наблюдениями, выполняемыми на строительных площадках. Данные натурных наблюдений, полученные на опытной площадке, значительно точнее данных, получаемых на строительной площадке, поскольку влияние посторонних факторов сведено к минимуму.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование взаимодействия ограждения котлована и грунтового массива в натурных условиях и оценка достоверности современных инженерных и численных методов расчета раскрепленных ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи: исследовано современное состояние вопроса о расчете ограждающих конструкций котлованов и наблюдениях за работой ограждений в натурных условиях;

проведены натурные наблюдения на опытной площадке и получены данные о НДС системы «ограждение котлована-массив грунта»;

выполнено сравнение данных экспериментальных исследований с результатами расчетов, проведенных различными методами;

обоснован выбор нелинейной упругопластической модели грунта для расчета взаимодействия ограждающих конструкций и массива фунта, а также предложен алгоритм подбора её параметров;

на основании сравнения опытных и теоретических данных выбраны наиболее надежные методы расчета ограждений и обоснована эффективность выбранной модели грунта для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга. Научная новизна работы состоит в следующем:

на основании сравнения данных натурных наблюдений и результатов расчета ограждения определена достоверность различных методов расчета применительно к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга. ,

получены данные о совместной работе ограждения и грунтового массива на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга;

предложен алгоритм получения параметров нелинейной упругопластичес-кой модели.

Теоретическая значимость. Предложен алгоритм расчета ограждений котлованов с использованием нелинейных упругопластических моделей грунта и способ определения их параметров.

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по расчету ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Предложены рекомендации по выбору типов ограждений котлованов, при устройстве подземного пространства в условиях плотной городской застройки в центральной части Санкт-Петербурга.

Реализация работы. Результаты работы использовались в научно-практической деятельности отдела Геотехнических исследований НПО Геореконструк-ция-Фундаментпроект и кафедры Основания и фундаменты ПГУПС при расчете ограждающих конструкций в центральной части Санкт-Петербурга. На защиту выносятся:

результаты полевых исследований НДС системы «ограждение колована-массив грунта», выполненных на опытной площадке;

результаты сравнения данных натурных наблюдений с результатами расчетов, выполненных различными инженерными методами, и результатами численного моделирования с использованием упругопластических моделей грунта; алгоритм подбора параметров нелинейных упругопластических моделей. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и 2 приложений. Она имеет объем 172 страницы, включая 151 страницу текста, 112 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 119 наименований на 12 страницах, в том числе 19 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, перечислены выносимые на защиту вопросы, а также отражена новизна работы.

В первой главе выполнен анализ существующих методов расчета ограждающих конструкций. Данному вопросу посвящены исследования А. Я. Будина, 3. Н. Буцко, С. С. Голушкевича, Ю. М. Гончарова, Б. Ф. Горюнова, В. Б. Гуревича, Н. И. Давидовича, Г. А. Дуброва, Ю. К. Зарецкого, В. М. Кириллова, Г. К. Клейна, Г. Е. Лазебника, Т. А. Малышевой, И. П., Матвеенко Г. А., Прокофьева, В. Ф. Раю-ка, В. Н. Ренгача, П. Роу, Н. К. Снитко, В. В. Соколовского, К. Терцаги, В. М. Улицкого, А. Б. Фадеева, Н. А. Цытовича, Г. П. Чеботарева, А. Г. Шашкина, К. Г. Шашкина, Ф. М. Шихиева, В. С. Христофорова, Б. Хансена.

Современные нормативные методы расчета ограждений котлованов основаны на решениях задач теории предельного равновесия. Грунт в этих методах рассматривается как жесткопластическая среда. Давление грунта является извес-

тной величиной и изменяется с глубиной по линейному закону. Однако, как показали многочисленные исследования, давление грунта на ограждающие конструкции зависит от многих факторов. В некоторых способах расчета подпорных сооружений делалась попытка учета этих факторов путем трансформации эпюры давления грунта, введения эмпирических коэффициентов, регулирующих величину изгибающего момента и усилия в распорке. Учет таких факторов возможен при совместном расчете системы «ограждение-грунт».

Расчет способом коэффициента постели является простейшим способом, позволяющим описать взаимодействие ограждения и грунта. Следует отметить, что аналитические решения существуют только для консольной стенки и мало отличаются от расчета свай на горизонтальную нагрузку. Расчет ограждения с одним или несколькими ярусами распорок способом коэффициента постели возможен при использовании численных методов. Закон, по которому коэффициент постели меняется с глубиной, может быть принят любым. Главным недостатком способа коэффициента постели является схематизация работы грунта при его взаимодействии с ограждением, а также неопределенность величины коэффициента постели.

Использование метода конечных элементов (МКЭ) позволяет при расчете системы «ограждение-грунт» использовать различные модели фунта. Наиболее часто используемая в расчетах идеально упругопластическая модель с критерием прочности Кулона-Мора весьма схематично описывает поведение реального грунта, так как в ней модули объемного сжатия и сдвига являются постоянными величинами. Вместе с тем, эта модель требует определения минимального числа параметров. Применение моделей, основанных на ассоциированном законе пластического течения, таких как Modified Cam-Clay, должно быть тщательно обосновано. Необходимо проведение сложных и трудоемких опытов по определению формы поверхности нагружения, что ограничивает применение подобных моделей. Уп-ругопластические модели, базирующиеся на деформационной теории пластичности, требуют проведения менее трудоемких лабораторных опытов и достаточно точно описывают поведение грунта на простых траекториях нагружения. Существуют также смешанные модели (Hardening Soil Model, HS-small model), при построении которых используются как зависимости теории пластического течения, так и зависимости деформационной теории пластичности. Проектировщик или исследователь, как правило, стоит перед дилеммой: использовать простую модель, параметры которой известны, либо применять более сложную модель, но с рядом параметров, требующих дополнительного определения. Теоретически применение сложной модели должно приводить к результатам, лучше согласующимся с реальностью. Вместе с тем, более полное описание поведения грунта в сложной модели может нивелироваться неточностью определения ее параметров. Окончательный выбор в пользу той или иной модели должен осуществляться на основании сравнений результатов расчетов с данными натурных наблюдений.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований работы ограждения опытного котлована и массива грунта, проведенного под руководством канд. техн. наук Васенина В. А.

По данным инженерно-геологических изысканий в геологическом строении участка опытной площадки до глубины 30 м принимают участие техногенные ^ IV), морские и озерные (ш, 1 IV), озерно-ледниковые III), ледниковые ^ III), а также межледниковые отложения II) (рис. 1).

Лобове« сопротивление (МП а)

ГО X

ю >»

к

20'

25'

н

¡1

г-"

г

£

V

*

;

■3

-1

<

р

<

1

Пок иат • п ь т рею я

0 4 8

Р

©

п)1 IV

Я

—щЙ

ъ III

©

ЫIII

о

л

о

Ш

т

Ш

ш

Насыпной грунт

Песок тылеваты^ втшонвсыщентй Сутлмгокпесчаиистъа), мяпгоплаети'агый

Суглинокпылеватый, текучий

Суглиноклыляватый,текучепласттга>4Э

мватая, пласт их мая

Супесь пыле вата и, ппасти««ая

суглинокпылеаатый, туголластичмтй Супесь тяилеяатая, плстмчиая

Сутлмго к л ылеваты пластма]! й

Рис. 1. Инженерно-геологическая колонка и данные статического зондирования на участке опытной площадки

Опытный котлован имел в плане размеры 31x11,5 м (рис. 2). Распорные конструкции были расположены на глубине 3,5 м от верха шпунта.

Ограждение котлована было выполнено из шпунта типа Р 6012 в поперечном сечении имеющего форму полукруга, длина которого составляла 22 м (табл.).

Устройство шпунтового ограждения на опытной площадке котлована выполнялось при опережающей разработке траншей глубиной порядка 1,5...2 м, в которые погружались шпунтовые сваи. Разработка траншей потребовалась в связи с тем, что в техногенном слое оказалось множество твердых включений, содержащих как строительный мусор, так и конструкции фундаментов ранее снесенных зданий, препятствующих погружению шпунта.

А А А! А а А'А Л ГУ

5775 ,. 4905 ^ 4905 4905 .. 4905 „ 5770

1

А А А А А

< С

с с

.2055

■Д

ХТХТХТХТХ^ЗП^ХТХТХТХГСП *1 ^

6

<Ь

тгг7т77т777тттт.

Рис. 2. Продольный и поперечный разрезы опытного котлована

Геометрические характеристики сечения шпунта Р6012

Таблица

0> к Площадь сечения, см2 см3 1х, см4

Схематический профиль шпунта 4) 5 X ГУ О Ю О А, мм 1, мм А2, мм О, мм 1, мм 1п.м 1 п.м

сч

( \ о Ю 1208 12 32 60 10 246 5833 350000

и.

Общий график производства работ по устройству опытного котлована и проведения мониторинга представлен на рис. 3.

разработка пионерной траншеи

погружеше шпунта

разработка грунта на глубину 4 м и устройство распорной системы

проведение

обо

орудова ния

С 1 гГ" -

февраль март апрель май

мониторинга

-откопка до глубины 8.5 м

1-1-Г к '

июнь июль август сентябрь

Рис. 3. Продольный и поперечный разрезы опытного котлована

К моменту начала наблюдений в опытном котловане был разработан грунт на глубину 4 м и установлены распорные конструкции (рис. 4, а). Мониторинг проводился при разработке котлована до глубины 8,5 м (рис. 4, б).

Рис. 4. Вид котлована:

а - к моменту начала установки контрольно-измерительного оборудования; б - после откопки до проектной отметки

Контрольно-измерительное оборудование, состоящее из 4 инклинометров, 18 поверхностных геодезических марок и пьезометров, было установлено вблизи котлована (рис. 5). Контрольно-измерительное оборудование у борта котлована, расположенного вдоль оси «А», было установлено в три створа для контроля получаемых данных. Один створ, состоящий только из поверхностных марок и пьезометра, был установлен у торцевой стены котлована.

Наблюдения проводились в течение 90 дней после откопки котлована. В итоге были получены данные о горизонтальных перемещениях ограждения и грунтового массива вблизи него, а также данные о горизонтальных и вертикальных перемещениях поверхности грунта вблизи котлована. Дополнительно велись наблюдения за перемещением верха шпунта.

Пй15 п«14

П«12 П(ц11

/1*

П« 10

И Г. 4 - Инкпиномятры Пм1...18 - Поверхностью марки П 1...4 - Пьезометры

Пц7

О

© ИЗ»

Л4

«Ь

С

ПР1б

О

п85 п!14 ©пглиз пм2 пи1 ©пз А А А А А А А А А к

Пм1з П1(11?

ф а © ^---

П1 Пм1б

Рис. 5. Размещение контрольно-измерительного оборудования на опытной площадке

Конечные максимальные горизонтальные перемещения ограждения составили 40 мм (рис. 6, а). Максимальные горизонтальные перемещения ограждения

а)

Горизонтальное перемещение, мм

Глубина 0.5 м

5» б» 7» ед - Инклинометр 1-О-Инклинометр 2 ; Инклинометра Инклинометр 4"

Время от начала откопки, дни

Глубина 11 м

Время от начала отколки, дои

Рис, 6. Данные инклинометрических измерений: а - конечные значения горизонтальных перемещений по данным всех инклинометров; б - развитие горизонтальных перемещений точек, расположенных на различных глубинах, по данным всех инклинометров

произошли на глубине 11 м, т. е. ниже дна котлована. Максимальные перемещения грунтового массива на расстоянии 5,5 м от оси шпунта оказались вдвое меньше максимальных горизонтальных перемещений ограждения. Горизонтальные перемещения грунтового массива на расстоянии 11 м от оси шпунта отличаются от перемещений ограждения как по форме, так и по величине. Максимальные перемещения были отмечены у поверхности грунта и составили 15 мм.

Развитие горизонтальных перемещений ограждения и грунтового массива носили четко выраженный затухающий во времени характер (рис. 6, б).

Вертикальные перемещения поверхности грунтового массива составили 38 мм (рис. 7, а).

Рис. 7. Данные наблюдений за вертикальными перемещениями марок: а - конечные значения вертикальных перемещений; б - развитие перемещений во времени

Осадки поверхности развивались во всей зоне, где проводились наблюдения. Вертикальные перемещения поверхности грунта также носили затухающий во времени характер.

В третьей главе выполнена оценка достоверности прогноза изменения напряженно-деформированного состояния ограждения котлована и массива грунта с использованием различных методов расчета, обоснован выбор упругопласти-ческих моделей грунта для проведения численного моделирования ситуации на опытной площадке. Рассмотрены следующие модели: идеально упругопласти-ческая модель с критерием прочности Кулона-Мора (модель Кулона-Мора), нелинейная упругопластическая модель Шашкина К. Г., Шашкина А. Г., реализованная в программе FEM-Models, нелинейная упругопластическая модель Hardening Soil Model, реализованная в программе Plaxis.

Для аппроксимации зависимости пластической объемной деформации от среднего давления в нелинейной упругопластической модели, реализованной в программе РЕМ-МосЭеЬ, используется логарифмическая функция:

где параметры Я и р0 определяются на основании опытов. Вид данной зависимости приближенно можно установить по модулю общей деформации грунта.

Для аппроксимации зависимости интенсивности пластических деформаций от интенсивности напряжений используется степенная функция:

где параметры ус- интенсивность деформаций при разрушении образца; с - сцепление; <р — угол внутреннего трения; п ~ показатель степени, принимаемый

Образцы слабых глинистых грунтов озерно-морских и озерно-ледниковых отложений, отобранных из скважины, разрушаются без образования поверхности скольжения. Вертикальную деформацию ограничивают величиной 15 %, что в неконсолидированно-недренированных испытаниях водонасыщенного образца соответствует осевой деформации 15 %.

Вместе с тем, как показали предварительные расчеты, назначение параметров, исходя из данных предпосылок, ведет к завышенным перемещениям ограждения в сравнении с данными, полученными на опытной площадке. Это может говорить о том, что характеристики прочности и деформативности природного грунта выше, а их снижение связано с нарушением природной структуры грунта при его отборе образцов. Для проверки данного предположения при устройстве котлована на одной из строительных площадок, располагавшейся в центре города были отобраны образцы ненарушенной структуры, которые впоследствии подверглись лабораторным испытаниям.

На основании проведенных стабилометрических испытаний образцов грунта ненарушенной структуры, удалось установить, что осевая деформация при их разрушении составляет 10 %, в то время как для тех же образцов нарушенной структуры осевая деформация при разрушении составляла 15 % (рис. 8).

Для описания деформационных свойств грунта ненарушенной структуры при проведении стабилометрических испытаний по неконсолидированно-недре-нированной схеме была предложена зависимость для определения осевой деформации при разрушении образца:

(1)

(2)

6бшй>

на основании экспериментов; М =-—.

З-БШ^

,с

к

£

(3)

с,

и

где к - коэффициент равный 5,4 кН/м2; си- недренированная прочность на сдвиг кН/м2.

Рис. 8. Данные стабилометрических испытаний образцов нарушенной (а) и ненарушенной (б)

структуры

Было выполнено сравнение данных, полученных на опытной площадке, с результатами расчетов. Расчеты выполнялись инженерным методом Якоби, способом коэффициента постели постоянного и переменного с глубиной, а также при помощи МКЭ с использованием упругопластических моделей грунта. В численных расчетах использовались: модель Кулона-Мора, нелинейная упругоплас-тическая модель НБМ, реализованная в программе Р1ах1з, нелинейная упругопла-стическая модель, реализованная в программе ИЕМ-МоскЬ. Идеология построения двух последних моделей подобна, поэтому результаты, получаемые при их использовании при одинаковых исходных данных, должны быть весьма близки между собой. Подобное совпадение является подтверждением достоверности результатов, получаемых при численном моделировании.

На основании предложенной зависимости, а также на основании данных стандартных инженерно-геологических испытаний были назначены параметры моделей, используемых в расчетах.

Расчеты показали, что перемещения и изгибающий момент в ограждении, полученные на основании расчетов методом Якоби и способом коэффициента постели постоянного и переменного с глубиной превышают наблюдаемые значения (рис. 9).

Максимальное совпадение с натурными данными демонстрируют результаты расчета с использованием упругопластических моделей, параметры которых подобраны на основании стандартных инженерно-геологических изысканий и формулы (3).

Применение МКЭ позволяет не только получить картину НДС ограждения котлована, но и массива грунта вблизи него. Вертикальные перемещения поверх-

ности грунта, прогнозируемые нелинейными упругопластическими моделями, хорошо совпадают с натурными данными (рис. 10). Картина же осадок поверхности, полученная при использовании модели Кулона-Мора, значительно отличается от наблюдаемой.

Рис. 9. Сравнение результатов расчета с данными натурных наблюдений: перемещения (а)

и изгибающий момент (б)

Рис. 10. Сравнение данных по вертикальным перемещениям поверхности грунта с результатами расчетов

Величины максимальных осадок поверхности грунта вблизи ограждения по данным расчетов соответствуют величинам максимальных горизонтальных перемещений ограждения. По результатам расчетов с использованием нелиней-

ных упругопластических моделей максимум вертикальных перемещений отмечен на расстоянии 11 м от оси шпунта, максимум осадок, наблюдаемый в реальных условиях, отмечен на расстоянии 6,5 м от оси шпунта.

Максимальное горизонтальное перемещение произошло в непосредственной близости от оси шпунта и оказалось равным 25 мм и 24 мм по результатам расчетов с использованием нелинейных упругопластических моделей реализованных в программах РЕМ-МоёеЬ и Р1ах1з, соответственно, что несколько меньше наблюдаемых значений (рис. 11).

'I М I I I I I I Ц I I I

X «■ ----Ь---— 1 . I--

—ЕЬ^^^Зг-

5 5-----—1 »---

о. •»

г -«

ё-15

Л

£.35.-С*---------♦-Кулон-Мор —

М\ I И М I I I I I п

Расстояние от оси ш пунта, м

Рис. 11. Сравнение данных по горизонтальным перемещениям поверхности грунта с результатами расчетов

По результатам расчетов с использованием модели Кулона-Мора максимальное горизонтальное перемещение составило 29 мм.

В четвертой главе рассмотрены вопросы проектировании ограждающих конструкций в условиях плотной городской застройки на основе нормативных методов расчета. В качестве нормативных рассматривались: расчет по первой группе предельных состояний, учитывающий полную реализацию активного и пассивного давлений, расчет по второй группе предельных состояний с использованием способа коэффициента постели постоянного и переменного по глубине. В последнее время, как правило, рассматриваются варианты устройства одно-и двухуровневых подземных парковок. Глубина вскрытия котлована под одноуровневые подземные парковки составляет 4-4,5 м, под двухуровневые 7-7,5 м.

Расчетами установлено, что учет таких факторов, как коэффициенты надежности по нагрузке и технологическая нагрузка, может значительно сказаться на результатах расчета (рис. 12).

Выполненные расчеты с использованием способа коэффициента постели показали, что устройство консольного ограждения даже при разработке котлована под одноуровневую парковку недопустимо, поскольку даже при значительной жесткости ограждения снизить ее перемещения до величин, не превышающих предельно допустимые значения, не удается.

Для уменьшения параметров ограждения и снижения его перемещений необходимо устраивать раскрепления. Поскольку верхняя толща сложена слабыми

L

r-t

4_ <_:

-£ г- Створ 1-13

-0—Створ 2-14

-О-Створ 3-15 —

I I ! I

Расстояние от оси ш пунта, м

сильносжимаемыми грунтами, габариты строительной площадки ограничены примыкающими зданиями и коммуникациями, как правило, устройство анкеров и анкерных стенок оказывается невозможным, требуется устройство распорных креплений.

О 1 2 3 4 5 в

Глубина котлована ,м

Рис. 12. Зависимость момента в консольной стенке от

глубины разработки котлована: 1 - при учете распределенной нагрузки и коэффициентов надежности по нагрузке (20 кПа); 2 - при учете распределенной нагрузки (20 кПа), без учета коэффициентов надежности по нагрузке; 3 - без учета распределенной нагрузки (20 кПа) и коэффициентов надежности по нагрузке

При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах примыкания к существующим зданиям необходимо использовать в качестве ограждающих конструкций раскрепленную железобетонную стенку и предусматривать более сложные конструктивные мероприятия - строительство методом «top-down», глубинное раскрепление ит. п.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование существующих методов расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий при определении как усилий в конструкциях, так и их деформаций приводит к большому разбросу результатов. Целью настоящей работы является оценка и выбор наиболее эффективного метода расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий (в рассматриваемой работе — для условий центральной части Санкт-Петербурга) на основании сравнения данных натурных исследований и результатов расчетов с использованием различных методов. Для решения данного вопроса необходимо иметь результаты натурных наблюдений.

2. В центральной части Санкт-Петербурга при участии автора диссертации проведен крупномасштабный натурный эксперимент на опытном котловане, глубиной 8,5 м, размерами 31 х 11,5 м. В качестве ограждающих конструкций на опыт-

ной площадке использовалась шпунтовая стенка с одним ярусом распорок, установленных на глубине 3,56 м.

Максимальные горизонтальные перемещения шпунта составили 40 мм и произошли на глубине 11 м. Следовательно, наиболее эффективным является раскрепление ниже дна котлована, которое может быть выполнено, например, по технологии закрепления грунта методом jet-grouting

3. Максимальные вертикальные перемещения поверхности грунта составили 38 мм, произошли на расстоянии 6 м от оси шпунта и соответствуют максимальным горизонтальным перемещениям ограждения. Таким образом, при расчете ограждения, устраиваемого вблизи здания, необходимо чтобы горизонтальные перемещения ограждающих конструкций не превышали величины предельно допустимых дополнительных осадок зданий по ТСН 50-302-2004.

4. В лабораторных опытах отмечено значительное влияние нарушения природной структуры грунта на его деформационные характеристики. Предложен алгоритм, позволяющий определить деформационные характеристики грунта ненарушенной структуры, на основе данных статического зондирования.

Параметры нелинейных упругопластических моделей, назначенные на основе предложенного алгоритма, приводят к результатам, хорошо согласующимся с наблюдениями на опытной площадке.

5. Расхождение с данными наблюдений по величинам максимальных горизонтальным перемещений шпунта составляет 3 % и 17 % для моделей, реализованных в программе FEM-Models и PLAXIS соответственно. Расхождение с опытными данными результатов расчета при использовании нормативных методов расчета значительно больше.

6. В последние годы при проектировании зданий в центральной части Санкт-Петербурга, как правило, рассматриваются варианты устройства одно- и двухуровневых подземных парковок. Глубина вскрытия котлована под одноуровневые подземные парковки составляет 4-4,5 м, под двухуровневые 7-7,5 м, т. е. ниже подошвы фундаментов зданий, что предопределяет устройство ограждений котлованов. В работе рассмотрены варианты устройства ограждений в центральной части города.

Консольные шпунтовые ограждения из расчетов по прочности и по деформациям устраивать недопустимо, необходимо устройство железобетонной стенки. При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах вне примыкания к существующим зданиям допустимо использование как шпунтовой, так железобетонной раскрепленных стенок, в зависимости от глубины котлована и инженерно-геологических условий.

При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах примыкания к существующим зданиям необходимо использовать в качестве ограждающих конструкций железобетонную стенку с несколькими ярусами распорок и предусматривать более сложные конструктивные мероприятия - строительство методом «top-down», глубинное раскрепление и т. п.

Публикации

1. Сливец, К. В. Экспериментальные и теоретические исследования работы гибкой подпорной стенки / К. В.Сливец // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». - 2008. - № 4. - С. 32-38. (Из списка ВАК).

2. Парамонов, В. Н. Экспериментальная проверка применимости некоторых моделей грунта для расчета ограждений котлованов / В. Н. Парамонов, К. В. Сливец // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2008, -№ 4. - С. 139-145. (Из списка ВАК).

3. Сливец, К. В. Наблюдения и расчет ограждающих конструкций котлована, разрабатываемого в пылевато-глинистых фунтах / К. В. Сливец // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2007. Вып. 4. - С. 186-194.

4. Сливец, К. В. Натурные наблюдения за деформациями ограждающих конструкций опытного котлована и грунтового массива / К. В. Сливец // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2008. Вып. 3. - С. 226-234.

5. Сливец, К. В. Анализ совместной работы стенки и грунтового массива / К. В. Сливец, В. В. Богданов // Геотехника: научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений / Под ред. Р. А. Мангушева [и др.]. — СПб., 2008.-С. 76-80.

Компьютерная верстка И. А. Яблоновой

Подписано к печати 28.01.10. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 3.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

Введение

Глава 1. Обзор методов расчета подпорных сооружений.

1.1 Теория Кулона о давлении песчаных грунтов на подпорную стенку.

1.2 Теория давления грунта Ренкина-Кулона.

1.3 Расчет подпорных стенок с использованием способа коэффициента постели и решений теории упругости.

1.4 Расчет ограждающих конструкций с использованием упругопластических моделей грунта.

1.5 Исследование работы ограждающих конструкций в натурных условиях.

1.6 Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальные исследования работы ограждения котлована из раскрепленного шпунта.

2.1 Конструкция ограждения котлована.

2.2 Инженерно-геологические условия участка.

2.3 Этапы устройства котлована, контрольно-измерительное оборудование и его расположение.

2.4 Результаты натурных наблюдений, проведенных на опытной площадке.

2.5 Выводы по главе 2.

Глава 3. Сравнение результатов расчетов с данными натурных наблюдений.

3.1 Описание используемых моделей.

3.2 Методика практического определения параметров моделей.

3.3 Сравнение результатов расчетов с данными натурных наблюдений.

3.6 Выводы по главе 3.

Глава 4. Оценка требуемых параметров ограждений в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга для различных случаев устройства подземных сооружений.

4.1 Предварительная оценка геотехнической ситуации.

4.2 Оценка параметров ограждения (объект №1).

4.3 Оценка параметров ограждения (объект №2).

4.4 Выводы по главе 4.

В современных городах в условиях плотной застройки все более актуальной становится проблема строительства подземных сооружений, предназначенных для размещения автостоянок, торговых комплексов, пешеходных переходов, автомобильных развязок и т. д. Во многих европейских городах эта задача успешно решается, чему способствуют благоприятные геотехнические условия. Ряд городов, в том числе и Санкт-Петербург, относятся к областям с крайне сложными условиями для строительства подземных сооружений. Так для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга характерно наличие мощной толщи (15.20 м) слабых глинистых грунтов текучей или текучепластичной консистенции. При низкой прочности данные грунты обладают сравнительно высокой плотностью, что обеспечивает большие давления на ограждающие конструкции подземных сооружений.

При благоприятных геотехнических условиях - высоких механических характеристиках грунтов, низком уровне грунтовых вод, отсутствие зданий и сооружений в зоне риска - разработка котлована под подземную часть сооружения выполняется с устройством естественного откоса. В противном случае требуется устройство ограждающих конструкций.

При проектировании подземного сооружения в зоне примыкания к существующим сооружениям необходимо принимать во внимание следующие факторы риска, которые могут привести к деформациям окружающей застройки:

1. Технология устройства ограждения.

2. Изменение уровня грунтовых вод на территории.

3. Устойчивость и податливость ограждения от статических нагрузок-давление грунта, примыкающих зданий.

Одним из наиболее существенных факторов риска является работа ограждения при вскрытии котлована.

Существующие нормативные методы расчета ограждений котлованов нацелены, в основном, на обеспечение их прочности и устойчивости. В данных методах нагрузки на ограждение, зависящие от прочностных параметров грунта, уже известны, по ним определяются изгибающие моменты, и рассчитывается сечение ограждения, необходимое для обеспечения прочности конструкции. Из условия обеспечения устойчивости ограждения определяется необходимая глубина его заделки.

При строительстве в условиях плотной городской застройки более важным становится вопрос об ограничении деформаций окружающих зданий, а, следовательно, и ограждения котлована. Имеется множество данных о деформациях существующих зданий в центральной части Санкт-Петербурга при устройстве рядом с ними подземных сооружений, как правило, это информация касается только осадок зданий. Таким образом, установлены сами факты деформаций зданий, но не причины их вызывающие. В общем, по имеющимся данным невозможно однозначно ответить на вопрос в какой степени осадки обусловлены перемещениями ограждения, а в какой -технологическими причинами. На основании имеющихся данных не представляется возможным выполнить сравнение результатов расчета с данными натурных наблюдений. Поэтому важно иметь как можно большее количество натурных наблюдений, которые включают помимо наблюдений за осадками, также данные о деформациях самого ограждения по всей его высоте и данные о перемещениях грунтового массива вблизи котлована.

В настоящее время наибольший интерес представляют методы расчета, позволяющие прогнозировать не только усилия в самих ограждающих конструкциях, но и напряженно-деформированное состояние (НДС) окружающего грунтового массива. Решение задачи о взаимодействии системы «стенка-грунт» или системы «стенка-грунт-здание» возможно осуществить только численными методами. В данном случае ключевым становится вопрос о выборе модели грунта. Проектировщик или исследователь, как правило, стоит перед дилеммой: использовать простую модель, параметры которой известны, либо применять более сложную модель, но с рядом параметров требующих дополнительного определения. Теоретически применение сложной модели должно приводить к результатам лучше согласующимся с реальностью. Вместе с тем более полное описание поведения грунта в сложной модели может нивелироваться неточностью определения ее параметров. Окончательный выбор в пользу той или иной модели должен осуществляться на основании сравнений результатов расчетов с данными натурных наблюдений.

Безусловно, наибольший интерес представляют методы расчета, позволяющие прогнозировать деформации подпорного сооружения и окружающего грунтового массива во времени. Применение реологических моделей связано со многими трудностями, среди которых главной является получение реологических параметров на основе лабораторных исследований. Чем сложнее реологическая модель среды, тем больше параметров (определяемых в механике грунтов с низкой доверительной вероятностью) в нее входит, и тем больше вероятность ошибки при прогнозе дальнейших деформаций. Наш опыт показывает, что даже при уточнении параметров реологической модели по результатам длительных наблюдений за деформациями основания сооружения, попытки применить те же параметры сложной модели для подпорного сооружения со сходными инженерно-геологическими условиями приводят к большим ошибкам.

Таким образом, любой выполняемый расчет будет предполагать не прогноз, а оценку напряженно-деформированного состояния грунтового массива с той или иной степенью вероятности. Часто опыт и интуиция проектировщика дают более достоверную оценку поведения системы «ограждение-грунт», чем нормативный расчетный аппарат. Тем не менее, инженерные методы не обладают универсальностью, поэтому для каждой схемы взаимодействия основания и сооружения разрабатываются собственные методы расчета. Если результаты инженерного метода расчета не соответствуют натурным данным, то выполняются достаточно трудоемкие экспериментальные исследования и на основании исследований вводится система эмпирических коэффициентов, корректирующих условность расчетной схемы.

Решение задачи при сложной геометрии напластования грунтов, произвольном нагружении как в пространстве, так и во времени, изменении граничных условий задачи, использовании нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями возможен, как уже отмечалось, только численными методами.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование взаимодействия ограждения котлована и грунтового массива в натурных условиях и оценка достоверности современных инженерных и численных методов расчета раскрепленных ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- исследовано современное состояние вопроса о расчете ограждающих конструкций котлованов и наблюдениях за работой ограждений в натурных условиях; проведены натурные наблюдения на опытной площадке и получены данные о НДС системы «ограждение котлована-массив грунта»;

- выполнено сравнение данных экспериментальных исследований с результатами расчетов, проведенных различными методами;

- обоснован выбор нелинейной упругопластической модели грунта для расчета взаимодействия ограждающих конструкций и массива грунта, а также предложен алгоритм подбора её параметров;

- на основании сравнения опытных и теоретических данных выбраны наиболее точные методы расчета ограждений и обоснована эффективность выбранной модели грунта для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- на основании сравнения данных натурных наблюдений и результатов расчета ограждения определена достоверность различных методов расчета применительно к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга;

- получены подробные данные о совместной работе ограждения и грунтового массива на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга;

- предложен алгоритм получения параметров нелинейной упруго-пластической модели.

Теоретическая значимость. Предложен алгоритм расчета ограждений котлованов с использованием нелинейных упругопластических моделей грунта и способ определения их параметров.

Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по расчету ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Предложены рекомендации по выбору типов ограждений котлованов, при устройстве подземного пространства в условиях плотной городской застройки в центральной части Санкт-Петербурга.

Реализация работы. Результаты работы использовались в научно-практической деятельности отдела Геотехнических исследований НПО «Гео-реконструкция-Фундаментпроект» и кафедры Основания и фундаменты ГТГУПС при расчете ограждающих конструкций в центральной части Санкт-Петербурга.

На защиту выносятся:

1. результаты полевых исследований НДС системы «ограждение колована-массив грунта», выполненных на опытной площадке;

2. результаты сравнения данных натурных наблюдений с результатами расчетов, выполненных различными инженерными методами, и результатами численного моделирования с использованием упругопластических моделей грунта;

3. алгоритм подбора параметров нелинейных упругопластических моделей.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и 2 приложений. Она имеет объем 172 страницы, включая 151 страница машинописного текста, 112 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 119 наименований на 12 страницах, в том числе 19 на иностранном языке

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование существующих методов расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий при определении как усилий в конструкциях, так и их деформаций приводит к большому разбросу результатов. Целью настоящей работы является оценка и выбор наиболее эффективного метода расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий (в рассматриваемой работе - для условий центральной части Санкт-Петербурга) на основании сравнения данных натурных исследований и результатов расчетов с использованием различных методов. Для решения данного вопроса необходимо иметь результаты натурных наблюдений.

2. В центральной части Санкт-Петербурга при участии автора диссертации проведен крупномасштабный натурный эксперимент на опытном котловане, глубиной 8,5 м, размерами 31x11,5 м. В качестве ограждающих конструкций на опытной площадке использовалась шпунтовая стенка с одним ярусом распорок, установленных на глубине 3,56 м. Максимальные горизонтальные перемещения шпунта составили 40 мм и произошли на глубине 11 м. Следовательно, наиболее эффективным является раскрепление ниже дна котлована, которое может быть выполнено, например, по технологии закрепления грунта методом jet-grouting.

3. Максимальные вертикальные перемещения поверхности грунта составили 38 мм, произошли на расстоянии 6 м от оси шпунта и соответствуют максимальным горизонтальным перемещениям ограждения. Таким образом, при расчете ограждения, устраиваемого вблизи здания, необходимо чтобы горизонтальные перемещения ограждающих конструкций не превышали величины предельно допустимых дополнительных осадок зданий по ТСН 50-302-2004.

4. В лабораторных опытах отмечено значительное влияние нарушения природной структуры грунта на его деформационные характеристики. Предложен алгоритм, позволяющий определить деформационные характеристики грунта ненарушенной структуры, на основе данных статического зондирования. Параметры нелинейных упругопластических моделей, назначенные на основе предложенного алгоритма, приводят к результатам, хорошо согласующимся с наблюдениями на опытной площадке.

5. Расхождение с данными наблюдений по величинам максимальных горизонтальным перемещений шпунта составляет 3 % и 17% для моделей, реализованных в программе FEM-Models и PL AXIS соответственно. Расхождение с опытными данными результатов расчета при использовании нормативных методов расчета значительно больше.

6. В последние годы при проектировании зданий в центральной части Санкт-Петербурга, как правило, рассматриваются варианты устройства одно- и двухуровневых подземных парковок. Глубина вскрытия котлована под одноуровневые подземные парковки составляет 4 - 4,5 м, под двухуровневые 7 - 7,5 м, т. е. ниже подошвы фундаментов зданий, что предопределяет устройство ограждений котлованов. В работе рассмотрены варианты устройства ограждений в центральной части города.

Консольные шпунтовые ограждения из расчетов по прочности и по деформациям устраивать недопустимо, необходимо устройство железобетонной стенки. При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах вне примыкания к существующим зданиям допустимо использование как шпунтовой, так железобетонной раскрепленных стенок, в зависимости от глубины котлована и инженерно-геологических условий. При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах примыкания к существующим зданиям необходимо использовать в качестве ограждающих конструкций железобетонную стенку с несколькими ярусами распорок и предусматривать более сложные конструктивные мероприятия - строительство методом «top-down», глубинное раскрепление и т.п.

1. Бате, К., Вилсон, Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов / К. Бате, Е. Вилсон ; пер. с англ. М. : Стройиздат, 1982. Березанцев, В. Г. Расчет прочности оснований сооружений / В. Г. Березанцев. - М. : Госстройиздат, 1960. - 138 с.

2. Бишоп, А. У. Определение свойств грунтов в трехосных испытаниях / А. У. Бишоп, Д. Д. Хенкель; пер. с англ. М.: Госстройиздат, 1961. -231 с.

3. Бреннеке, Л. Основания и фундаменты / Л. Бреннеке, Э. Ломейер; пер. с нем. М.: Госстройиздат, 1930. - 211 с.

4. Бугров, А. К. Анизотропные грунты и основания сооружений / А. К. Бугров. СПб. : Недра, 1993. - 244с.

5. Бугров, А. К. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия / А. К. Бугров. Л. : Стройиздат, 1987. - 180 с.

6. Бугров, А. К. Механика деформируемого твердого тела / А. К. Бугров. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 1999. - 80 с.

7. Будин, А. Я. Гибкие подпорные стенки / А. Я. Будин. Л. : Стройиздат, 1974.- 191 с.

8. Будин, А. Я. Исследование работы гибких заанкеренных набережных: автореф. дис. . канд. техн. наук / А. Я. Будин ; Ленингр. ин-т водного транспорта. Л., 1962. - 29 с.

9. Будин, А. Я. Методические указания по повышению несущей способности и определению эффективности ремонта и усиления портовых гидротехнических сооружений / А. Я. Будин. Л.: Транспорт. 1982. - 52 с.

10. Будин, А. Я. Методические указания по эксплуатации причальных сооружений в суровых климатических условиях / А. Я. Будин. Л.: Транспорт. 1987. — 15 с.

11. Будин, А. Я. Реология дисперсных систем и ее приложения к теории длительной прочности портовых сооружений на ползучих основаниях : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 473 / А. Я. Будин ; Ленингр. ин-т водного транспорта. Л., 1968. - 35с.

12. Будин, А. Я. Эксплуатация и долговечность портовых гидротехнических сооружений / А. Я. Будин. — М. : Транспорт. 1977. — 319 с.

13. Будин, А. Я., Набережные : справочное пособие / А. Я. Будин , Г. А. Демина. М. : Стройиздат, 1979. - 285 с.

14. Буцко 3. Н. Об определении давления засыпки на крутые подпорные стенки. Инженерный сб. АН ССР, т. XXIII, 1956.

15. Вялов, С. С. Реологические основы механики грунтов / С. С. Вялов. -М. : Высшая школа, 1978. 447 с.

16. Голушкевич, С.С. Статика предельных состояний грунтовых масс / С. С. Голушкевич. М. : Гостехиздат, 1957. — 288 с.

17. Гончаров, Ю. М. К вопросу о применении теории кулона для определения давления грунта на гибкие подпорные стенки / Ю. М. Гончаров // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1959. - №4. -С. 37-41.

18. Гончаров, Ю. М. К расчету тонкостенных конструкций, воспринимающих горизонтальный распор несвязного грунта / Ю. М. Гончаров // Труды НИИ по строительству. 1963. - Вып. 4. - С. 37-41.

19. Гончаров, Ю. М. Экспериментальное исследование деформаций шпунтовых ограждений : автореф. дис. . канд. техн. наук / Ю. М. Гончаров ; ВНИИОСП. М., 1964. - 27 с.I

20. Горюнов, Б. Ф., Пути снижения стоимости и повышения долговечности портовых причальных сооружений / Б. Ф. Горюнов, С. Н. Курочкин // Труды ПИИ морского флота. М., Речной транспорт, вып. 19, 1958.

21. Гуревич, В. Б. Портовые гидротехнические сооружения / В. Б. Гуревич и др.. М. : Транспорт, 1992. - 255 с.

22. Гуревич, В. Б. Речные портовые гидротехнические сооружения / В. Б. Гуревич. -М. : Транспорт, 1969. —415 с.

23. Гуревич, В. Б. Строительство гидротехнических сооружений из сборного железобетона. (Расчеты исследования и производство работ) / В. Б. Гуревич. М. : Речной транспорт, 1961. - 299 с.

24. Гуревич, В. Б. Укрепление судоходных каналов, рек и водохранилищ / В. Б. Гуревич. М. : Транспорт, 1973. - 216 с.

25. Давидович, Н. И. Определение распорного давления на стенки, возникающего при действии полезной нагрузки на поверхности засыпки / Н. И. Давидович // Науч. Тр.Ленинградский ин-т водн. трансп,- 1972. -Вып. 132,-С. 131-139.

26. Далматов, Б.И. Механика грунтов основания и фундаменты / Б. И. Далматов. JL : Стройиздат, 1988. - 415 с.

27. Дашко, Р. Э. Механика горных пород. Учебник для вузов / Р. Э. Дашко. -М. : Недра, 1987.-296 с.

28. Дидух Б. И. Упруго-пластическое деформирование грунтов: автореф. дис. . д-ра техн. наук : 01.02.07 / Дидух Б. И ; Моск. инж.-строит. Институт им. В. В. Куйбышева. М., 1985. - 54с.

29. Дидух Б. И. Механика водонасыщенного грунта/ Б. И. Дидух. М. : Изд-во УДН, 1981.-50 с.

30. Дидух Б. И. Механические свойства грунтов/ Б. И. Дидух. М. : Изд-во УДН, 1980.-56 с.

31. Дидух, Б. И. Напряженное состояние и прочность грунтовых массивов / Б. И. Дидух. М. : Изд-во УДН, 1981. - 48 с.

32. Дидух, Б. И. Упругопластическое деформирование грунтов/ Б. И Дидух. М. : Изд-во УДН, 1987. - 164 с.34.