автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методология оценки деформации подземных сооружений, возводимых способом "Стена в грунте"

МЕЖДУНАРОДНЫЙ МЕЖАКАДЕМИЧЕСКИЙ СОЮЗ

Зенько Константин Константинович

МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ»

Специальность 05.02.22 «Организация производства»

Диссертация, в форме научного доклада, на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в отделении «Строительство в экстремальных условиях» Международной академии информатизации.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Миронов Леонид Алексеевич; доктор технических наук, профессор Спиридонов Эрнст Серафимович; доктор технических наук, профессор Загородский Василий Николаеаевич.

Защита состоится .. ......2011 года на заседании диссертационного

совета Д.06.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.06.024.МАИ 032.

Автореферат разослан _X 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук, профессор Г.Е.Лазарев

//

РОССЖКгидв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие народного хозяйства страны связано с освоением новых территорий, которые приходится изымать из государственных лесных и земельных фондов, сельскохозяйственных и иных угодий, селитебных территорий, запасы которых небезграничны.

Одним из главных направлений более эффективного использования территорий, отведенных для строительства промышленных объектов, транспортных, коммуникационных сооружений и жилого фонда является организация освоения и использования подземного пространства городов и других застроенных территорий.

Однако этой проблеме в отечественной градостроительной науке и практике не уделялось необходимого внимания. Не решен ряд научно-технических вопросов определения устойчивости грунтов и возводимых подземных сооружений в различных горно-геологических условиях, как в период строительства, так и в процессе эксплуатации подземных сооружений, возводимых способом "стена в грунте" на застроенных территориях. Не разработаны технически сложные вопросы контроля за качеством выполнения строительно-монтажных работ и проведения наблюдений за деформированным состоянием конструктивных элементов, частей и всего возводимого сооружения в целом.

В настоящее время недостаточно разработаны методы физического моделирования по определению устойчивости конструктивных элементов, частей и всего возводимого сооружения в целом с данными натурных наблюдений. Изучение напряженно-деформированного состояния конструкций, протекающих в период возведения подземных сооружений способом «стена в грунте» крайне затруднительны. Многие факторы различных горных процессов, влияющих на устойчивость возводимого сооружения, выявляются только в процессе моделирования строительства.

Моделирование позволяет провести широкий круг исследований и выявить возможность процесса сдвижения горного массива и деформирования конструктивных элементов возводимого сооружения на всех стадиях строительства, определить, таким образом, комплекс наиболее эффективных технологий строительства.

Успешно работает по внедрению способа " Стена в грунте" из сборного железобетона ученые и инженеры Украины. Так, НЖП Госстроя Украины и Укрводоканалпроект разработали технологию монтажа сборных стеновых панелей с заделкой стыков в процессе выемки ядра грунта.

В настоящее время в г. Москве ведутся работы по строительству способом «Стена в грунте» многоярусных подземных сооружений.

Практика работ показала, что новый метод существенно сокращает сроки строительства и снижает трудовые затраты.

Наряду с архитектурно-планировочными вопросами, проектированием и технологией строительства решение данной научной задачи в значительной мере зависит от геодезического обеспечения процесса строительства и контроля качества строительно-монтажных работ. Весьма актуальной является разработка методов оценки деформации при строительстве подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте».

Целью работы является - разработка системы геодезических измерений и методов, обеспечивающих точную передачу створной вертикальной плоскости с яруса на ярус при отсутствии прямой видимости и с учетом мульды оседаний на основе установления закономерностей деформирования и устойчивости стеновых монолитных железобетонных конструкций в грунтах в процессе строительства.

В работе сформулированы и решены следующие задачи:

• установлена безопасная высота обнажения стеновых железобетонных конструкций в зависимости от глубины разработки ядра грунта;

• установлены зависимости устойчивости стенок монолитных железобетонных конструкций от положительных и отрицательных углов наклона относительно вертикальной плоскости;

• разработаны методы геодезического обеспечения строительства подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте».

• Показана необходимость, на стадии проектирования, выполнения физического моделирования с целью определения допустимой высоты обнажения стеновых конструкций и угла их наклона относительно вертикальной плоскости, при которых обеспечивается устойчивость стеновых конструкций.

Научная новизна:

• впервые установлена безопасная высота обнажения стеновых железобетонных конструкций в зависимости от глубины разработки ядра грунта;

• впервые разработаны методы геодезического обеспечения строительства подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте»;

• разработаны методы построения опорной геодезической сети для обеспечения геометрических элементов строительства подземных сооружений в условиях застроенных территорий;

• Разработана методика лабораторного моделирования процесса возведения подземного сооружения с целью испытании моделей, которые подобны натурному прототипу как с точки зрения физико-механических характеристик грунтов, так и структуры горного массива.

Практическое значение исследований:

• Разработана «Методика исследований строительства на модели из эквивалентных материалов»;

• разработаны, на основе выполненных исследований, «Методических указаний по маркшейдерским работам при строительстве подземного гаража способом «стена в грунте», позволяющих определить безопасную высоту обнажения стеновых монолитных железобетонных конструкций в процессе выемки яруса грунта;

• разработана «Инструкции по закладке знаков, центров и реперов при строительстве подземных сооружений способом «стена в грунте», позволяющей усовершенствовать методику створных наблюдений и с помощью новых центрирующих устройств передать проектную створную плоскость с яруса на ярус при отсутствии прямой видимости.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III обл. семинаре в г. Новочеркасске. Применение математических методов и ЭВМ в геологии и на техническом совещании треста Мосоргинжстрой Главмосинжстроя при Мосгорисполкоме.

ГЛАВА I

АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ СПОСОБОМ «СТЕНА В

ГРУНТЕ»

Объектом исследований являлась многоярусная подземная автостоянка для легковых автомобилей в районе ВДНХ СССР, сооружаемая способом «стена в грунте». Устройство несущих конструкций способом «стена в грунте» в настоящее время получает все более широкое распространение. В СССР внедряются в строительство сборные железобетонные стеновые конструкции.

Инженерно-геологические изыскания на стадии технического проектирования строительства указанного объекта проведены Мосгоргеотрестом.

В период изысканий на участке проектируемого строительства выполнены следующие работы:

1. Сбор и анализ изысканий прошлых лет.

2. Проходка 8 скважин вибрационным методом глубиной 25-33 м.

3. Отбор образцов грунтов:

а) нарушенной структуры -17 образцов,

б) ненарушенной структуры - 19 образцов.

4. Отбор проб грунтовых вод - 4 пробы.

Работы проведены с целью уточнения глубины залегания кровли водоупора - юрских глин.

Ниже приводится характеристика инженерно-геологических условий с оценкой строительных свойств грунтов.

Участок проектируемого строительства расположен на склоне древнеаллювиальной террасы Клязьминско-Яузского протока. Поверхность участка сравнительно ровная, разность абсолютных отметок поверхности составляет 1,53 м.

В геолого-литологическом строении участка в пределах исследуемой глубины участвуют четвертичные и верхнеюрские отложения.

Пески мелкие, местами глинистые, средней плотности, влажные и водоносные. Суглинки пылеватые, с пятнами ожелезнения, с прослоями песка, тугопластичные. Мощность древнеаллювиальных отложений 1,7 - 5,7 м.

Стратиграфически ниже залегает толщина днепровских моренных (д1 — (¿¡¡^ суглинков - мелкопесчаных, с прослоями песка, с гравием, щебнем и галькой, тугопластичных, влажных, мощностью от 5,3 до 7,4 м.

Пески - разнозернистые, от пылеватых до гравелистых, неоднородные, местами глинистые, с прослоями супеси, средней плотности, водоносные.

Глины - пылеватые, с прослоями песка, с редким гравием, мягкопластичные.

Гидрогеологические условия участка характеризуются наличием грунтовых вод основного надъюрского водоносного горизонта, залегавших в период бурения на глубине от 7,4 до 12,0 м.

Водовмещающими породами являются пески и песчаные прослои в подморенных флювиогляциальных и озерно-ледниковых отложений, водоупором являются верхние глины. Кроме того, в скважине № 5 на глубине 6,0 м на абсолютной отметке 135,12 м вскрыты грунтовые воды «верховодки», насыщающие древнеаллювиальные пески. Не исключена возможность, что в отдельные периоды года «верховодка» получит повсеместное распространение и будет залегать на более высоких абсолютных отметках.

Для оценки агрессивных свойств грунтовой воды по отношению к бетону и растворам использованы результаты сокращенного химического анализа, приведенные в табл. 1.4.

По результатам химического анализа вода основного надъюрского горизонта обладает сульфатной агрессивностью по отношению к бетону железобетонных конструкций на портландцементе. Максимальное содержание сульфатов в скважине № 1 составляет 576,0 мг/л.

Грунтовые воды «верховодки» к бетону железобетонных конструкций на портландцементе по всем показателям неагрессивны. Фактические данные свидетельствуют о том, что при прохождении траншей в слоях песка возможны обрушения ее бортов, так как удельное сцепление песка близко к нулю.

В целом в данном районе, в сухое время года наиболее целесообразным методом строительства подземного сооружения является метод траншейных стеновых конструкций, возводимых под защитой глинистой суспензии.

Таблица 1.1

Физико-механические свойства грунтов

№№ сло-ев Генетический тип и наименование грунта Объем массы, г/см Удельная масса, г/см Коэффи-циент пористости Консистенция Коэффициент фильтрации, м/сут. Угол внутреннего трения Удельное сцепление

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Насыпные 1,5 0,5

грунты

Древнеаллювиальные

2 Пески мелкие 1,59 2,65 0,750 - 4,0 2,9 0,008

3 Суглинки тугопласт. 2,05 2,70 0,520 0,40 - 16 0,30

Днеп эовские мореновые

4 Суглинки тугопласт. 2,07 2,07 0,430 0,38 - 18 0,55

5 Суглинки мягкопласт. 2,03 2,70 0,500 0,57 - 11 0,20

Г одморенные флювиогляциальные

6 Пески пылевые средней плотности 1,58 2,65 0,780 1,0 28 0,07

7 Пески мелкие средней плотности 1,60 2,65 0,740 3,0 30 0,03

8 Пески ср. крупности ср. плотности 1,63 2,65 0,690 12,0 33 0,01

9 Пески крупные и гравелистые 1,65 2,650 0,600 - 27,0 35 0,00

10 Глины и суглинки мягкопластичн ые 1,75 2,72 1,060 0,51 11 0,35

■ 1одморенные озерно-ледниковые

11 Суглинки текучепластичн ые 1,90 2,70 0,770 0,86 10 0,15

12 Суглинки мягкопластичн ые 1,95 2,70 0,680 0,60 12 0,20

13 Суглинки пластичные 1,85 2,69 0,790 - - 17 0,18

14 Суглинки тугопластичны е 1,97 2,70 0,730 0,48 14 0,25

Окиси мореновые

15 Глины тугопластичны е 1,98 2,73 0,700 0,26 17 0,55

16 Глины полутвердые 2,0 2,73 0,660 0,12 20 0,65

Верхнеюрские

17 Глины 1,65 2,75 1,540 0,33 - 11 0,55

тугопластичны

е

Нами был выполнен анализ конструктивных решений возведения элементов стен сооружения способом «стена в грунте»: сборные из железобетонных элементов заводского изготовления; монолитные, бетонирование которых осуществляется непосредственно на объекте методом вертикального перемещения трубы (ВПТ) или путем нагнетания бетонной смеси с последующим вытеснением глинистой суспензии.

Свайные разновидности конструкций

В настоящее время получили распространение свайные и траншейные разновидности конструкций, возводимых способом «стена в грунте».

Стены с прерывистым расположением свай возводятся без применения глинистых суспензий в мало увлажненных грунтах, обладающих повышенной устойчивостью. Технология работ по устройству данного вида стен следующая. Бурением скважин разрабатывается траншея до проектной отметки. Для обеспечения точности проходки бурение скважин осуществляют с применением обсадных труб-шаблонов, вставляемых в пробуренную скважину перед началом бурения последующей. Затем в пробуренную секцию траншей монтируют арматурные каркасы и заполняют бетоном.

Стены с тангенциальным сопряжением возводят в водонасыщенных грунтах с применением глинистых суспензий. Тангенциальные свайные стенки выполняют из свай с небольшим зазором или касающихся друг друга. Этот метод возведения нашел большое применение в ЧССР, Польше, ГДР, Франции, Болгарии и в ряде других стран.

Стены из секущих буронабивных свай применяют в том случае, когда стенки траншеи подвергаются воздействию больших нагрузок от расположенных зданий и сооружений, находящихся в зоне призмы обрушения и когда невозможно обеспечить устойчивость стенок траншей даже с использованием глинистых суспензий.

Метод секущих свай заключается в создании сплошного ряда свай на всю высоту стенки. Сначала бетонируют нечетные сваи без армирования, а

затем возводят четные, в которые монтируется арматура. Метод секущих свай (опор) был применен в Японии и многих других странах.

Метод секущих свай недостаточно экономичен, поэтому предпочтение отдается траншейным стеновым конструкциям, т.е. устройству железобетонных стеновых конструкций в грунте. Возведенная такая конструкция служит одновременно как ограждающей, так и наружной стеной подземного сооружения.

Траншейные стеновые конструкции

Технология строительства заключается в следующем: по периметру сооружения разрабатывается пионерная траншея глубиной 1,2 метра. Для предохранения верхней части траншей от обрушения устраивается форшахта из сборных железобетонных Г-образных тюбингов, инвентарных металлических поясов, или выполняется в монолитном железобетонном виде.

После чего по периметру сооружаемой стены пробуривают скважины диаметром 0,4 - 1,0 м с шагом захватки 3-6 м. Применение предварительного разбуривания скважин позволяет повысить разработку траншей в 2-3 раза. В ряде случаев отметку дна направляющих скважин принимают ниже, чем отметку дна траншеи.

Грунт между скважинами выбирают до проектной отметки грейфером под защитой глинистой суспензии, обладающей тиксотропными свойствами.

Повышенное гидростатическое давление растворов на стенки, глинизация стен траншей, кольмотация пор грунтов позволяют использовать рассматриваемый способ в различных гидрогеологических условиях.

В торцах разработанной секции краном монтируют сборные железобетонные разделительные перемычки на всю проектную высоту стены. Разделительные перемычки служат замковым соединением двух смежных секций. После монтажа перемычек опускают арматурный каркас с последующим наращиванием его до требуемой высоты.

Устройство несущих пилонов подземной части здания ведется одновременно с сооружением несущих стеновых конструкций. Технология ведения работ аналогична устройству свайных стеновых конструкций.

После завершения вышеперечисленных работ приступают к разработке ядра грунта. Грунт разрабатывают до проектной отметки пола второго этажа подземного сооружения с последующим монтажом распорных ригелей и бетонированием пристенных распорок. Дальнейшая поярусная выемка ядра грунта и монтаж распорных конструкций аналогична первым ярусам. После окончания выемки ядра грунта устраивают железобетонное основание и выполняют восходящим методом сборное железобетонное перекрытие до

Двухчелюстной гидравлический грефер

Подготовка к разработке траншеи

нулевой отметки. Отделочные работы и монтаж оборудования производят по мере готовности общестроительных работ.

Анализ существующих методов контроля строительно-монтажных работ при возведении подземных сооружений способом «стена в грунте»

Контроль за качеством производства строительно-монтажных работ в период возведения железобетонных несущих конструкций, частей и всего сооружения в целом способом «стена в грунте» имеет важное значение.

Известные методы, обеспечивающие контроль качества работ, можно разделить на три группы:

1. Методы, требующие частичного разрушения бетона;

2. Методы, применение которых не требует нарушения целостности исследуемого тела;

3. Геодезический метод.

К первой группе контроля качества работ относятся прямой и косвенный методы оценки.

Метод первой группы заключается в отборе кернов при колонковом бурении из тела железобетонных конструкций с последующим испытанием образцов керна на прочность. Этот метод не дает возможности судить о состоянии стеновой конструкции в пределах всего сечения, но он является наиболее надежным, т.к. при испытании образцов керна можно судить о качестве бетонирования стеновой конструкции в целом. Одним из существенных недостатков рассматриваемого метода является низкая скорость бурения и высокая стоимость.

Косвенный метод оценки основан на отборе образцов (контрольных бетонных кубиков 20x20x20 см) в процессе укладки бетонной смеси в возводимую конструкцию. Эти кубики хранятся в скважине на глубине примерно соответствующей местонахождению уложенного бетона в тело конструкции, из которого они отобраны. Контрольные образцы испытывают на прочность после 28-дневного возраста. Косвенный метод оценки не является достаточно надежным, т.к. технология укладки бетонной смеси в траншее, последующее уплотнение и условия твердения существенно отличаются от способа изготовления контрольных образцов.

Ко второй группе контроля качества выполняемых работ относятся: динамический метод, метод звукового каротажа и гамма-метод. Эти методы находят практическое применение за рубежом.

Динамический контроль прочности бетонной конструкции определяется с помощью механического молота (сброса ударной части с фиксированной высоты). Интерпретация результатов по контролю качества бетона при динамических испытаниях основана на сравнении их с данными, полученными на эталонных конструкциях, изготовленных заранее с заданными дефектами.

Метод звукового каротажа используется для контроля однородности бетона в возведенных конструкциях. Сущность рассматриваемого метода заключается в контроле сплошности бетона, расположенного между трубками. Если при прохождении волн, на пути в бетоне имеются дефекты, то скорость прохождения звукового импульса и амплитуда изменяются, а также изменяется форма принимаемого сигнала.

Интерпретация результатов основана на сравнении обнаруженных аномалий с теми, которые были зарегистрированы в изготовленных опытных образцах, имевших известные подобные дефекты.

Сущность метода гамма-каротажа аналогична методу звукового каротажа. Только в процессе производства вместо звукового генератора используют радиоизотопы.

В процессе наблюдения за деформациями и осадками грунта, который примыкает к стеновой железобетонной конструкции, может быть применен радиоизотопный метод.

При исследовании конструкций на устойчивость, а также в случаях связанных с повышенными требованиями к устойчивости сооружения, используются различного рода динамические устройства. Наиболее распространен способ струйных и проволочных тензодатчиков.

На исследуемом сооружении институтом ВНИИГС в процессе выемки ядра грунта проводились экспериментальные работы по определению напряженного состояния стеновых конструкций на основе применения струнных тензодатчиков. Экспериментальные работы показали, что рассматриваемый метод применим только на определенных участках. Это исключает возможность судить о деформированном состоянии конструктивных элементов относительно друг друга как в плане, так и по высоте.

Все вышеперечисленные методы позволяют оценить состояние выполняемых конструкций только при полном окончании всех строительно-монтажных работ. Невозможность контроля качества в процессе строительства подземных сооружений способом «стена в грунте» является одним из существенных недостатков указанных методов.

Решить научную задачу по контролю производства строительно-монтажных работ на всех этапах строительства, а также осуществить прогноз устойчивости сооружения можно путем моделирования и применения геодезических методов, как в период строительства, так и в процессе эксплуатации.

До начала наших исследований на строительстве подземного сооружения в районе ВДНХ данному методу не уделялось должного внимания.

Отсутствие надлежащего контроля за строительно-монтажными работами привело к следующему состоянию:

1. Отклонились стеновые конструкции (захватки) от проектной плоскости до 60 см в обе стороны, при допуске ± 3-5 см.

2. Нарушились прочностные характеристики, как замковых соединений, так и всей стеновой конструкции (разрыв в замковых соединениях на отдельных участках составляет порядка 30-40 см (рис. 1.1).

3. Усложнилась технология изготовления централизованных конструкций, оказался невозможным переход в дальнейшем к типизации.

4. Встретились затруднения в подготовке ниш под монтаж ригелей (пробивка и взрывы бетона с вырезом рабочей арматуры в местах установки ригелей приводят к ослаблению стеновой конструкции, а также к нарушению железобетонного массива). Появились трещины (рис. 1.2), раковины в конструкциях. Это уменьшает долговечность железобетонных конструкций, т.к. способствует проникновению влаги в микротрещины и коррозии арматуры.

5. Существенно сокращается полезная площадь возводимого сооружения за счет возведения дополнительных конструкций.

В СССР такое сооружение, как многоярусная подземная автостоянка в районе ВДНХ, строилась впервые. Возникало много новых, нерешенных задач в технологии проходки траншей, в возведении конструкций сооружения, в контроле качества строительства, которые постепенно решаются.

Именно поэтому разработка вопросов геодезического обеспечения возведения подземных сооружений типа «стена в грунте», вопросы контроля качества строительства на всех его этапах, а также в процессе эксплуатации сооружений являлись весьма актуальной задачей.

Важной задачей является также систематическое наблюдение за состоянием сооружения, горного массива и зданий, расположенных в зоне деформации грунтов, с целью принятия своевременных мер их сохранности.

Рисунок 1.1. Разрыв между стеновыми монолитными железобетонными

конструкциями

ГЛАВА 2

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ВОЗВОДИМОГО СООРУЖЕНИЯ И ЗДАНИЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ЗОНЕ ПЕРЕУПЛОТНЕНИЙ ГРУНТОВ

Устойчивость возводимого сооружения методом «стена в грунте» является одним из основных изучаемых факторов, как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации. Пути повышения устойчивости подобных сооружений выявляют постановкой специальных исследований применительно к конкретному сооружению и месту строительства. При этом определяют взаимодействие грунтов с конструкциями возводимого сооружения на всех этапах строительства и эксплуатации. С этой целью устанавливают контрольно-измерительную аппаратуру и проводят систематические наблюдения. Особенно важно и крайне необходимо вести такие наблюдения при возведении подземных сооружений, железобетонные конструкции которых в процессе выемки ядра грунта работают на изгиб под воздействием боковых нагрузок. Боковые нагрузки в этом случае являются следствием давления горного массива, а также давления от массы работающих механизмов и строительных материалов.

Натурные наблюдения за деформированным состоянием возводимого сооружения и зданий, расположенных в зоне переуплотнения грунтов, в процессе водопонижения, используются для определения их устойчивости, а также проверки правильности применения методов расчета.

Поэтому производство натурных наблюдений за вертикальным и горизонтальным смещением зданий и сооружений имеет весьма важное научное и производственное значение.

Анализ методики определения деформации прямолинейных участков ограждающих стеновых конструкций,

предложенной Моспроект-2

Сущность указанной методики заключается в следующем. Параллельно осям А и Е методом створных наблюдений восстанавливаются проектные (1-2, 1 '-21) вертикальные плоскости (рис.2.1).

(А)--^--------------------------------

_ 2' 3* ^ 10-

Г ~ " 1Г

Рисунок 2.1. Расстояние 1-П составляет 181 м, а створ Г-1Г - длиной 200 м.

По каждой оси А и Е устанавливались по 10 контрольных точек.

Измерения отстояния стеновой конструкции сооружения от створной плоскости ^ выполняют по методике, разработанной Моспроект-2.

Следует отметить, что:

1. В период устройства разделительных стен, а также при монтаже плит перекрытий не всегда возможно применять метод створных наблюдений.

2. Методика Моспроект-2 не позволяет установить скорость развития деформирования стеновых монолитных железобетонных конструкций. Она исключает возможность производства натурных наблюдений за состоянием стеновых конструкций на стадии полной проектной нагрузки, а также в период эксплуатации.

3. В процессе производства наблюдений по методике Моспроект-2 нарушается техника безопасности (привязка к отвесам). Методикой Моспроект-2 не предусмотрены наблюдения за состоянием стеновых железобетонных конструкций на криволинейных участках.

На основе анализа геологических условий района строительства, изучения разработанной Моспроектом-2 методики наблюдений за деформированием стеновых монолитных железобетонных конструкций в МГИ автором разработана новая методика натурных наблюдений.

Общая погрешность определения деформации по новой методике составляет 771обц = ±1 — 2 мм. и, следовательно, позволяет осуществлять надежный контроль за устойчивостью конструктивных элементов, частей и всего сооружения в целом.

Методика створных наблюдений

При планировании исследовательской работы нами ставились следующие задачи: на основе данных об оседании и горизонтальных смещениях возводимых сооружений усовершенствовать методику расчетов

19

при проектировании и выработать наиболее экономичные режимы маркшейдерских измерений в процессе их эксплуатации. При возведении подземных сооружений методом «стена в грунте» особенно важно учитывать его комплексность, включающую значительное число сопряженных несущих строительных конструкций, а также их чувствительность к сравнительно малым величинам деформации, определяющих требуемую точность маркшейдерского контроля.

В программе маркшейдерско-геодезических работ предусматривается разработка специальной методики определения деформирования криволинейных и прямолинейных элементов стеновых железобетонных конструкций возводимого сооружения.

Исходные данные, необходимые для разработки программы, были выданы нам трестом ГПР-1 в соответствии с техническим заданием, утвержденным Мосоргинжстроем и Моспроектом-2.

В данной работе за основу принят створный метод прямого (непосредственного) и в качестве контроля метод косвенного (посредственного) измерения.

Прямым (непосредственным) является способ бокового нивелирования, косвенным (посредственным) - способ лазерно-интерферренционного створофиксирования. Эти способы являются более производительными, реализуются сравнительно легко при малой 10+50 м длине створа и наличии хорошей видимости между пунктами закрепления створа, что характерно для исследуемого объекта.

Деформирование прямолинейных частей железобетонных стеновых конструкций возводимого сооружения определяется по-ярусно, относительно проектной отвесной плоскости. Положение отвесной плоскости в каждом цикле измерений задается створными наблюдениями от фундаментальных реперов 3 и К, закладываемых вне зоны деформации горного массива (рис.2.2) на главных продольных осях А и Е.

Если ориентировать визирную плоскость трубы теодолита вдоль створа, то по шашечной рейке можно взять отсчет. Зная отсчет по рейке, можно вычислить величину нестворности. Несложность и простота способа позволяет производить фиксацию (изменение) створности через весьма короткое время с большим числом контрольных точек.

Рисунок 2.2. Схема закладки реперов и марок

Условные обозначения

^ - фундаментальный репер

П

- створный репер

- створный знак

I

1 - створная марка

ю]

!— - наблюдательная площадка

Для повышения точности уменьшения ошибок, а также с целью контроля измерений выполняется прямой и обратный ходы измерений. По результатам натурных наблюдений за деформированием стеновых железобетонных конструкций графически строят поярусные изодеформации каждого цикла измерений. Результаты по оценке и инженерной интерпретации данных наблюдений позволят определить не только абсолютные деформации, но и их изменения во времени, а также осуществить прогноз устойчивости конструктивных элементов, частей и всего возводимого сооружения в целом, с последующим принятием соответствующих мер по его сохранности.

Деформирование железобетонных стеновых конструкций на криволинейных участках определяется также методом фиксации створов

контрольных точек (Рис.2.3.).

о о о СО

23)

Рисунок 2.3. Задание створных плоскостей на криволинейных участках

Задание створных плоскостей на криволинейных участках осуществляется от главного створа продольных осей А и Е со створных знаков 8 и 13 путем измерения углов {Зп при промежуточных точках п и линейных расстояний Зп задающих створ.

Величины углов /?„ и линейные расстояния являются основой задания створных плоскостей в последующих циклах измерений. Дальнейшее производство работ по определению деформирования стеновых конструкций аналогично, как и на прямолинейных участках.

На основе анализа горно-геологических условий района, особенностей конструкции сооружения, характера ожидаемых деформаций автором разработаны проект размещения опорных и контрольных наблюдательных точек, а также методика наблюдений.

Представленный проект и методика наблюдений были рассмотрены трестом ГПР-1 на техническом совещании и приняты к производству работ.

Методика определения деформирования элементов стеновых железобетонных конструкций поярусно на прямолинейных участках

Для определения деформирования стеновых железобетонных конструкций поярусно применяется метод построения изодеформаций (изолиний). Построение изолиний поярусно относят к определенным циклам измерений Т{. Сравнивая полученные в смежных циклах данные

22

изодеформации можно судить о горизонтальных смещениях возводимого сооружения во времени.

Натурные наблюдения, результаты которых служат исходными данными для построения изолиний деформирования, выполняются по следующей методике.

Сначала задается отвесная проектная плоскость. Затем относительно створной плоскости, определяют положение контрольных точек, выполняют собственно натурные наблюдения.

В каждом цикле наблюдений проектная створная плоскость задается с помощью отвесов, а также путем створных наблюдений с фундаментальных (3 и К) и створных {Б, И, О и Д) реперов, а также створных знаков 1, 2, 3, 4 ... 7 (рис.2.2).

Из-за отсутствия прямой междуэтажной видимости отвесная проектная плоскость задается для каждого яруса независимо.

Производство натурных наблюдений за деформированием возводимого сооружения осуществляется следующим образом.

В заданную поярусно проектную створную плоскость вводится специально изготовленная створная консоль. Консоль закрепляется на стеновой железобетонной конструкции и центрируется с помощью отвеса, пропущенного поярусно.

После закрепления консоли в створной плоскости отвес убирают, с помощью станового винта на центрированной площадке закрепляют трегерную подставку теодолита или лазерного визира.

Затем, после тщательного центрирования теодолита, коллимационную плоскость совмещают с отвесной плоскостью. После этого в контрольных пунктах с помощью горизонтальных уровней устанавливают шашечную рейку, перпендикулярно створу.

Если визирную плоскость трубы теодолита ориентировать вдоль створа, то по установленной рейке можно взять отсчеты 1Л, 1?, ... 1п и 1Л, 17, ... 1п

(рис.2.4).

: а

1

Отсчет ¿1 представляет собой расстояние между стеновой железобетонной конструкцией и проектной отвесной плоскостью.

Точность этого способа в отсчитывании значительно повышается, если принять штриховую рейку с разработанным автором отсчетным устройством, обеспечивающим установку рейки горизонтально и перпендикулярно створу.

Способ бокового нивелирования позволяет производить фиксацию большого числа контрольных точек поярусно, при непрерывном воздействии на стеновые железобетонные конструкции и несущие пилоны горизонтально направленных и дискретно действующих вертикальных сил.

Простота наблюдений обеспечивает фиксацию контрольных марок через весьма короткие промежутки времени.

Измерения контрольных расстояний ^ во избежание накопления погрешностей в каждом цикле наблюдений выполняют в прямом и обратном направлении.

Контрольное расстояние (¿¿) получают по формуле:

¿1=^, (2-1)

Для обоснования программы этих наблюдений рассчитывают среднюю квадратическую погрешность определения из прямого и ТПц обратного ходов.

Технология измерения позволяет установить, что точность определения этих отрезков будет зависеть от погрешности установки теодолита в заданной проектной плоскости створа тпт, погрешности визирования тпу и погрешности отсчета по рейке ш0. Таким образом тг будет определяться из выражения:

т1. = Л/т4 + т1+т20 . (2.2)

Принято, что погрешность центрирования теодолита составляет 0,7-1,0

мм.

Погрешность визирования ту определяется формулой:

(2-3)

Ь р

где V - увеличение зрительной трубы теодолита; I - расстояние от теодолита до рейки.

Максимальный диапазон удаления измерительной рейки от теодолита

колеблется в пределах 5-50 м.

При I = 5 м V = 24* ту = 0,0С 1 мм

I = 50 м V = 24х шу = 0,01 мм

Точность отсчета зависит от расстояния I и составляет 0,5-1,0 мм. Таким

образом, при = 1,0 мм; ту = 0,01 мм; т0 = 1,0 мм по формуле (2.2)

получим среднюю квадратическую погрешность одного измерения, равную 1,4

24

мм. Вследствие того, что ¿г определяется в прямом и обратном направлениях (из двух ходов) среднее его значение характеризуется средней квадратической погрешностью 'щ. :

ТПI.

т<;ср = V? * (2"4)

С учетом погрешности задания проектной отвесной плоскости, равной 23 мм, общая погрешность определения деформирования 7Пдеф отдельных элементов железобетонных стеновых конструкций составит:

™-деф = + т}^ . (2.5)

При т^ = ±1,1 мм; т,[ = ±1 мм; тДОф = мм.

= ±2,1 мм; т[, = ±1 мм; шдеф = ±2,4 мм.

'¡Г

Таким образом, изложенная методика определения деформирования элементов стеновых железобетонных конструкций обеспечивает необходимую точность измерений, удовлетворяющую требованиям технического задания.

Методика определения деформирования элементов железобетонных стеновых конструкций на криволинейных участках

Методика определения деформирования элементов стеновых железобетонных конструкций на криволинейных участках аналогична методике определения деформирования на прямолинейных участках.

В начальной стадии, на нулевой отметке возводимого сооружения разбивают створные участки и устраивают консольные наблюдательные площадки (5=1,2x1,2 м) для закрепления створных знаков (рис.2.3). С помощью отвесов задают проектные отвесные плоскости вышеупомянутым методом. Для каждого последующего цикла наблюдений проектные углы (Зг откладывают начиная с точки 8 относительно заданной проектной плоскости, совпадающей с продольной осью А (рис.2.3). Затем в точке 9 относительно предыдущей проектной плоскости 9-8 задают проектную вертикальную плоскость 9-10, путем откладывания угла /з2. Таким же образом задают проектную вертикальную плоскость во всех последующих точках.

Для осуществления правильности выноса проектных углов в натуру, а также задаваемых проектных плоскостей предлагается следующая методика контроля и оценки точности.

Определяется угловая невязка хода И^ по формуле:

Щ - Е?=М - (П - 1)180°, (2.6)

где п - число углов /?г.

Углы уравнивают и вычисляют поправку 6р по формуле:

-

(2-7)

п

Эту поправку вводят в каждый измеренный угол определяют исправленное значение углов /?г:

А„ = А + %- (2-8>

Таким образом, положение задаваемых проектных плоскостей криволинейных участков уточняется еще раз и окончательно закрепляется. Точки 1 и 13, лежащие на проектных отвесных плоскостях, совпадающие с продольными осями А и Е, выносятся со средней квадратической погрешностью ± 2 мм.

Задание проектных плоскостей криволинейных участков осуществляется от главных прямолинейных плоскостей, совпадающих с продольными осями А и Е. По мере удаления от точки 8 при выносе в натуру плоскостей криволинейных участков возрастает погрешность выноса проектной плоскости пропорционально корню квадратному из числа этих плоскостей.

Таким образом, положение заданной отвесной плоскости на наиболее удаленных криволинейных участках определяется средней квадратической погрешностью по формуле:

(2.9)

где п - число выносимых проектных плоскостей криволинейного участка относительно главных плоскостей (осей А и Е).

В соответствии с проектом число задаваемых плоскостей на криволинейных участках не превышает 6, т.е. по три от главных прямолинейных плоскостей. Очевидно, что средняя квадратическая погрешность выноса проектной отвесной плоскости на криволинейном участке при Щщ^ = ±1,6 мм, п = 6 в соответствии с формулой (2.9) т^ = ±3,0С мм.

Положение проектной плоскости на криволинейных участках получают как среднее весовое значение из двух ходов, проложенных от исходных проектных плоскостей.

Средняя квадратическая погрешность, полученной таким образом проектной плоскости определяется формулой:

где Шщ, т^ (3) - средние квадратические погрешности положения плоскостей криволинейных участков.

Согласно формулы (2.10) и числовых значений = тп^^ = ±3 мм

средняя квадратическая погрешность ш^, составит ± 2,7 мм.

После выноса и окончательного закрепления створных плоскостей криволинейных участков выполняют измерения по определению деформирования железобетонных стеновых конструкций. Измерения выполняют в такой же последовательности и по той же методике, что и на прямолинейных участках.

В соответствии с формулой (2.18) при = ±2,7 мм, ть = ±1,0 мм получим т.деф = ±2,9 мм.

Таким образом, данная методика определения деформирования стеновых железобетонных конструкций полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

Методика определения высотных отметок несущих пилонов

Согласно техническому заданию вертикальные смещения несущих пилонов должны определяться с точностью ± 3 мм относительно фундаментальных реперов 3 и К, расположенных вне зоны деформации грунтов.

Наблюдения выполняют в следующей последовательности. Сначала передают отметки относительно фундаментальных реперов на дополнительные - створные знаки, удаленные от несущих пилонов на расстояние около 20 м. От створных знаков высотные отметки передают на несущие пилоны методом геометрического нивелирования III кл. При этом на каждой станции нивелирование выполняется при 2-х горизонтах.

Согласно методики производства геометрического нивелирования] средняя квадратическая погрешность определения превышения на одной станции равна погрешности отсчета т0.

При двух горизонтах превышение вычисляют как среднее арифметическое, средняя квадратическая погрешность которого составляет :

при шКст = т0 = ±1 мм; т^ = ±0,7 мм.

Высоты створных знаков, определенных из нивелирного хода, опирающегося на два исходных, вычисляют по строгим формулам способа наименьших квадратов. Оценку точности определения высоты любой точки выполняют по формуле:

mh

_ шпст

(2.11)

(2.12)

где и шн. - средние квадратические погрешности определения отметок

дополнительного репера ] от первого и второго исходных реперов.

Согласно выбранной схемы наблюдений отметки створных знаков определяют путем приложения нивелирного разомкнутого хода, опирающегося на два фундаментальных репера. При среднем плече нивелирования 50 м в ходе будет не более Ю станций. Средняя квадратическая погрешность определения высоты точки в середине хода (5 станций), определяется формулой:

тЩ = ШПсп " ^ > (2Л4)

при 771 у.ст " 0,7 мм, т„ = 0,7 • л/й = 1 мм.

На основании последнего значения тн и формулы (2.25) будем иметь:

Ми. = 1Д мм.

Учитывая, что высота несущего пилона Нп определяется относительно створного знака только одной передачей, то:

На = Яс.зн + Ьст , (2.15)

откуда

т2н =М2Н +т1 , (2.16)

"п "ьзн пст ' 4 '

ПРИ миелн = мщ = 1Д ММ' тьст = ММ'

МНв — 1^3 мм.

Таким образом, видоизмененная методика нивелирования III класса (нивелирование выполняется обязательно при двух горизонтах инструмента) с применением нивелира Н-3 удовлетворяет требованиям и точности установленной техническим заданием.

Определение деформирования зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения грунтов

Геодезические наблюдения за деформированием (осадками и кренами) зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения грунтов производились в соответствии с заданием заказчика.

В задании отмечены: расположение исходных и контрольных марок и реперов; периодичность наблюдений, расположение объектов. Особое внимание в задании уделялось выявлению возможных деформаций скульптурной группы В.И.Мухиной «Рабочий и колхозница». Точность определения деформирования зданий и сооружений и скульптурной группы согласно требований СНиП-П-2-75 должна быть в пределах ± 2 мм.

На основе изучения и анализа методов измерений и характеристик, существующих геодезических и маркшейдерских приборов разработаны следующие принципы определения деформирования объектов, расположенных в зоне переуплотнения грунтов:

- наблюдения за осадками осуществлять методом геометрического нивелирования по видоизмененной программе III класса (короткими сторонами длиной 20-40 метров, при двух горизонтах инструмента на каждой станции). Неравенство плеч допускается не более 0,5 м (с накапливанием неравенств по всему ходу не более I м);

- нивелирование производить по металлическим костылям, забитым в асфальт тщательно выверенными нивелирами и рейками от одного исходного репера, расположенного вне зоны переуплотнения горного массива;

- вести систематический учет всех факторов, влияющих на точность определения высотных отметок соответствующих точек зданий и скульптурной группы;

- нивелирование выполнять периодически в сроки, указанные заказчиком по принятой программе, а при необходимости (аварийная ситуация) по особо установленной программе.

Анализ натурных наблюдений за деформированием зданий и сооружений позволил:

- определить осадки элементов, частей и всего здания и сооружения в целом;

- определить скорость деформирования зданий и сооружений во времени (осуществить прогноз устойчивости);

разработать рекомендации по предотвращению аварийных последствий.

Расчет ожидаемой точности определения высотных отметок контрольных реперов и марок

Значения высотных отметок контрольных реперов и марок, заложенных в стеновых конструкциях зданий и сооружений для выявления деформирования, периодически определялись замкнутыми прямыми и обратными нивелирными ходами от исходного репера, расположенного вне зоны переуплотнения горного массива.

В процессе строительства подземного сооружения методом «стена в грунте» необходимо, учитывая влияние бокового давления грунта, контролировать устойчивость сооружений, прогиб железобетонных

монолитных стеновых конструкций, своевременность и точность монтажа ригелей, распорок и других деталей объекта.

Методика контроля строительства данного сооружения, разработанная Моспроектом-2, с рекомендуемой точностью измерений ± 20 мм позволяет обеспечить строительство лишь на стадии разбивочных работ.

Применительно к сооружениям, возводимым методом «стена в грунте» в диссертации разработана методика контроля строительства створными наблюдениями. Эта методика позволяет определять деформирование отдельных элементов железобетонных конструкций с точностью ± 1,5-2,4 мм -на прямолинейных участках и ± 2,9 мм - на криволинейных участках. Разработанная методика включает:

- создание исходной основы, располагая фундаментальные реперы вне зоны переуплотнения грунта, где их собственные смещения практически неощутимы;

- создание системы створных знаков, поярусных консольных стенных реперов, контрольных точек;

- передачу проектных створных плоскостей на все ярусы с точностью ±

1,6 мм;

- створные наблюдения с использованием горизонтальной рейки и специального отсчетного устройства, позволяющего устанавливать рейку перпендикулярно линии визирования.

Предложенная в работе видоизмененная методика геометрического нивелирования при двух горизонтах инструмента позволяет определять вертикальные смещения несущих пилонов, относительно фундаментальных реперов, с точностью ±1,3 мм.

ГЛАВА 3

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА УСТОЙЧИВОСТЬЮ СТРОЯЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ

ПЕРЕУПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА

Разработка методики создания маркшейдерско-геодезической сети

В условиях широкого освоения подземного пространства городов

необходима организация систематического выявления и изучения причин

воздействия различных факторов на устойчивость возводимых объектов, а

также зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения горного

30

массива. Это требует проведения широкого комплекса исследовательских работ, всестороннего натурного эксперимента. Натурные наблюдения являются наиболее надежным контролем и источником прогнозирования устойчивости эксплуатируемых и возводимых объектов. Они позволяют выявить характер развития сдвижения массива грунтов на всех стадиях строительства и в период эксплуатации подземного сооружения, определять зоны опасных сдвижений, выработать рекомендации для принятия мер по их ликвидации или предотвращению.

Созданная на строительной площадке планово-высотная маркшейдерско-геодезическая сеть разделяется на два разряда (рис.3.1).

К пунктам I разряда отнесены фундаментальные реперы 3 и К, створные реперы Б, И, а также створные знаки, расположенные на нулевой отметке возводимого сооружения.

Глубинные реперы 1-У, створные реперы О и Д и стенные марки отнесены ко 2 разряду.

Рассматриваемая сеть построена в местной системе координат.

Координаты пунктов плановой маркшейдерско-геодезической основы определяют обычно методами: триангуляции, полигонометрии, трилатерации или комбинированным.

Выбор оптимального метода создания плановой маркшейдерско-геодезической сети осуществляется, как известно, на основе технико-экономического анализа.

Высокая точность получения положения пунктов сети будет определять качество строительно-монтажных работ, точность измерения деформирования конструктивных элементов, частей и всего сооружения в целом.

В условиях развернутого строительства исследуемого объекта наиболее приемлемым оказался метод триангуляции. Методом триангуляции определены все пункты исходной маркшейдерско-геодезической сети (рис.3.1).

Рисунок 3.1. Схема опорной маркшейдерско-геодезической сети

Центры и реперы геодезической сети на строительной площадке

С целью закрепления пунктов маркшейдерско-геодезической сети нами разработаны конструкции реперов, знаков и марок. При разработке этих конструкций ставились следующие основные задачи:

1. Стандартизация конструкций центров и реперов применительно к строительству подземных сооружений, возводимых методом «стена в грунте».

2. Использование конструкций центров и реперов, а также технологии их закладки, обеспечивающих необходимую стабильность и длительную сохранность пунктов.

3. Механизация работ при закладке центров реперов и знаков с использованием буровой и другой техники.

4. Обеспечение доступа к пунктам при привязке к ним и работе на них.

Фундаментальные реперы (рис.3.2) предназначаются в качестве

плановой и высотной основы на строительной площадке и являются исходными пунктами при наблюдениях за деформированием конструктивных элементов, частей и всего возводимого сооружения в целом.

Сеть фундаментальных реперов закладывается на глубину 12 м вне расчетной зоны деформации грунта в створе главных осей возводимого сооружения.

Створные реперы предназначаются для створных наблюдений. Эти реперы закладывают вне зоны призм обрушения на глубину 4 м.

Створный знак предназначается для створных наблюдений и передачи вертикальной проектной плоскости на любой ярус возводимого сооружения. Для передачи поярусно вертикальной проектной плоскости главных осей возводимого сооружения необходимо устанавливать не менее трех створных знаков. Створные знаки позволяют вести маркшейдерско-геодезические

наблюдения за деформированием стеновых железобетонных конструкций (заходок) в процессе поярусных створных измерений, как в период строительства, так и в период эксплуатации при отсутствии прямой видимости с яруса на ярус.

Стенные реперы (рис.3.3) устанавливают на каждом ярусе возводимого сооружения. Реперы закладывают с целью создания пространственной внутренней планово-высотной маркшейдерско-геодезической сети, позволяющей определять деформирование возводимого сооружения в трехмерном пространстве, а также для выполнения разбивочных работ поярусно и для осуществления контроля монтажа конструкций.

Репер закладывается в тело железобетонной стеновой конструкции.

Поперечные грунтовые реперы (рис.3.4) закладываются с целью:

- выявления параметров полумульды оседания горного массива;

- установления зависимости между деформированием конструктивных железобетонных элементов и горного массива в процессе выемки ядра грунта;

- выявления устойчивости горного массива в зоне действия башенных кранов.

Реперы располагают на линиях, перпендикулярных продольным осям. Реперы закладывают на глубину 10-20 м и более в зависимости от геологических условий залегания интересующих грунтов и глубины возводимого сооружения.

Рисунок 3.2. Фундаментальный репер

1 - фланец № 1 6 - асфальт

2 - отверстие 120х 170 мм 7 - песок 3- труба диаметром 219 мм 8 - бетон

4 - фланец №2 9 - перфорированная часть трубы

5 - нивелирный знак 10 - грунт

Плитные марки (рис.3.5) предназначаются для определения устойчивости сооружения в процессе строительства и в период эксплуатации. Марки закладывают в монолитное железобетонное днище.

Для передачи азимутов с поверхности на нижние ярусы предусматриваются сквозные отверстия диаметром 100 мм в пристенных распорках по всем ярусам возводимого сооружения.

Указанный комплект центров реперов и знаков обеспечивает высокую точность маркшейдерско-геодезических измерений, необходимую стабильность и длительную сохранность пунктов.

Рисунок 3.3. Стеновой репер

1 - центрировочная плита

2 - консоль (швеллер «16)

3 - анкеры диаметром 20 мм

4 - пластина шириной 10 мм

5 - железобетонная стеновая конструкция

6 - уголок 45x45 мм

7 - шайба толщиной 10 мм

8 - гайка М-16

9 - болт М-16 длиной 50 мм

1 - фланец № 1

2 - отверстие

3 - труба диаметром 219 мм

4 - фланец №2

5 - блок

6 - люк

7 - трос диаметром 4-6 мм

8 - нивелирный знак

9 - фиксатор

Рисунок 3.4. Грунтовый репер 10 - асфальт

11 - песок

12 - контргруз

13 - бетонный якорь

14 - груз

15 - отсчетное устройство

16 - линейка с миллиметровым делением

17 - стрелка

Рисунок 3.5. Плитная марка

1 - уголок 25x25

2 - труба диаметром 100 мм

3 - крышка

4 - железобетонная конструкция

5 - цементный раствор М-100

6 - нивелирный знак

Анализ результатов натурных наблюдений за деформированием стеновых монолитных железобетонных конструкций

Определение деформаций стеновых конструкций в процессе выемки грунта является одним из основных мероприятий по маркшейдерскому обеспечению строительства. Методика натурных наблюдений за деформированием указанных основных элементов многоярусной автостоянки разрабатывалась нами при составлении технического проекта геодезической сети.

В процессе натурных наблюдений за деформированием стеновых железобетонных конструкций на прямолинейных и криволинейных участков возникли осложнения, вызванные специфическими для условий строительства факторами:

- стеновые железобетонные конструкции воспринимают незначительные нагрузки при боковом изгибе;

- необходима фиксация небольших по величине деформаций во времени для осуществления прогноза устойчивости конструктивных элементов;

- разработка ядра грунта у стеновых конструкций и систематическая пробивка ниш для монтажа ригелей значительно осложняют, а иногда вовсе исключают непрерывное наблюдение за деформированием конструктивных элементов при помощи дистанционных систем регистрации.

С учетом этих факторов в разработанную методику пришлось вносить соответствующие коррективы: наряду со створными инструментальными наблюдениями систематически проводилось тщательное обследование состояния стеновых конструкций на предмет установления степени их нарушения появляющимися трещинами.

Результаты натурных наблюдений в начальной стадии выемки ядра грунта первых ярусов позволили установить весьма существенный факт: из-за слабого маркшейдерско-геодезического контроля при разработке пионерной траншеи стеновые железобетонные заходки, как правило, устанавливались не в вертикальной плоскости. Это технологическое нарушение привело к тому, что указанные элементы стеновых конструкций относительно проектной отвесной плоскости имеют отрицательные или положительные углы наклона.

Отклонение стеновых конструкций от вертикальной проектной плоскости, как показал опыт строительно-монтажных работ, весьма осложнило установку ригелей: доставленные на строительную площадку ригели типовых

38

размеров приходилось либо наваривать, либо отрезать, подгоняя под реальные размеры для каждого яруса.

Это, естественно, усложнило технологию строительства, затягивало его сроки и приводило к удорожанию.

Руководству треста ГПР-1 было рекомендовано внести изменение в принятую технологию строительно-монтажных работ. Сущность его состояла в том, что определив из натурных наблюдений для каждой заходки угол /? и вычислив по нему положение стеновой конструкции относительно проектной вертикальной плоскости на любом ярусе возводимого сооружения, можно точно определить длину ригеля для этого яруса.

На основе выполненных наблюдений и расчетов нами разработаны рекомендации по технологии строительно-монтажных работ, внедрение которых дало годовой экономический эффект в размере 67 тыс. рублей. Выявление факта отклонения заходок стеновых конструкций от вертикальной проектной плоскости и связанные с этим нарушения технологии строительства дают основания сделать вывод о необходимости тщательного маркшейдерско-геодезического контроля в начальной стадии строительства.

Результаты натурных наблюдений по определению деформаций, выполненных поярусно, и величины углов отклонения заходок от вертикальной плоскости позволяют строить графики фактического положения стеновых конструкций относительно отвесной проектной плоскости.

Имея поперечные профили стеновых монолитных железобетонных заходок порядно можно построить их поярусное положение в изолиниях.

На рис.3.6 приведена схема изолиний стеновых заходок по оси Е на отм. 139,0 и 117,0.

По поперечным порядным профилям и поярусным планам изолиний на рис.3.7 построены изодеформации стеновых железобетонных конструкций в проекции на вертикальную проектную плоскость.

Анализ данных натурных наблюдений показывает, что деформирование стеновых железобетонных конструкций является следствием влияния следующих факторов:

- отсутствием замковых соединений заходок;

- пробивкой ниш в стеновых железобетонных конструкциях с последующим удалением рабочей арматуры для монтажа ригелей;

карстовыми образованиями за стеновыми железобетонными конструкциями с последующим обрушением свода;

отклонением заходок стеновой конструкции от проектной вертикальной плоскости (наличием угла /?).

Расстояние между главной осью

и фактическим положением \ стеновой конструкции

Граница пристенной распорки

гп

„! I

I .:

X 'т

6 • (7.1 (8) (9) 00) СП) ([2.) (13) (14) (15) (16) (.17) (18) (19) (20) (21) (.22) (2| (2$

проектное положение стеновой конструкции

фактическое положение стеновой конструкции

Рисунок 3.6. Схема положения стеновых железобетонных конструкций по оси Е на отметках

139и 117м.

В связи с последним становится важным вопрос определения давления грунта на стеновые конструкции в зависимости от их наклона.

Определение давления грунта на стеновые монолитные железобетонные конструкции в зависимости от угла их наклона

Стеновые монолитные железобетонные конструкции, как отмечалось в предыдущем параграфе, в ряде случаев при возведении многоярусного подземного сооружения способом «стена в грунте» имеют отклонения от вертикальной проектной плоскости на угол /? от 0 до 5°.

Угол наклона {3 стеновых конструкций может быть как положительным, так и отрицательным.

Рассмотрим общий и частный случай положения стеновых железобетонных конструкций относительно вертикальной проектной плоскости.

Общий случай - вертикальная гладкая стенка с горизонтальной поверхностью засыпки (рис.3.8), угол наклона /? = 0.

Рисунок 3.8. Схема действия сил на стеновую монолитную железобетонную конструкцию, выполненную способом «стена в грунте».

по оси Е

0 0 (7) (8) (9) (10) (И) (12) (Ш (К) (15) (Гб; (П.! (¡8) (19; ¡20) (21) '22; '23; 24

Рисунок 3.7. Изо деформации стеновых монолитных железобетонных конструкций в

проекции на вертикальную плоскость

Если поверхность грунта горизонтальная, то горизонтальная площадка, рассматриваемая на некоторой глубине, будет испытывать только сжимающее давление (главное нормальное напряжение о"а), которое равно произведению плотности грунта у на высоту столба 2:

а1=уг. (3.1)

При действии веса грунта, как сплошной нагрузки боковое давление грунта равно наименьшему главному напряжению (рис.3.8):

^ = (3.2)

откуда <72 = у ■ г ■ гд2 ^45° —

где: <р - угол внутреннего трения грунта.

Величина давления о2 является функцией первой степени от глубины т.е. давления грунта на монолитную железобетонную конструкцию при ее вертикальном положении (/з = 0) относительно вертикальной проектной плоскости будет распределяться по закону треугольника с максимальной ординатой внизу.

°2 тах = 7 ■ Я ■ Ьд2 ^45° — 0 . (3.3)

Определим полное давление грунта на стеновую монолитную железобетонную конструкцию, т.е. равнодействующую сил активного давления по формуле.

= (3.4)

Яа-^Ч450-!)' (3.5)

при Я = 27 м; 7 = 1,8т/м3; <р = 35°; £а = 17,8МПа.

По результатам натурных наблюдений в начальной стадии отработки первых ярусов установлено, что стеновые монолитные железобетонные конструкции имеют положительный и отрицательный угол наклона ¡3 относительно вертикальной проектной плоскости (рис.3.9).

я) б)

Положение стеновой конструкции относительно отвесной плоскости:

а) при положительном угле наклона /?,

б) при отрицательном угле наклона /?.

Определим зависимость равнодействующей силы активного давления грунта Еа от величины угла наклона задней грани стеновой конструкции при положительном угле наклона /?.

Для «стены в грунте» формула Цытовича может быть упрощена и будет иметь вид:

(3.6)

Для различных значений /? величина Еа будет иметь значения, приведенные в следующей таблице:

р 2° 4° 6° 8°

Е, т/м 186 195 204 213

при Н = 27 м; у= 1,8т/м3; <р = 35°.

Или может быть представлена графиком (рис.3.10) зависимости равнодействующей силы активного давления грунта Еа от величины угла наклона стеновой конструкции (при ¡3 положительном).

При отрицательном угле наклона /? определим равнодействующую силу эпюры бокового давления грунта Еа по формуле:

Е° = гг (45° -- И (З Л)

Значение Еа для различных углов (3 приведены в таблице:

р 2° 4Ü 6Ü 8

Е, т/м 170 164 158 152

На рис.3.11 представлена графическая зависимость уменьшения равнодействующей силы активного давления грунта в зависимости от величины отрицательного угла наклона р стеновой монолитной железобетонной конструкции.

Ея = -ЗР + 176

Pi

4-

150

160 170

Рисунок 3.11

т/м

При положительном угле наклона /? стеновой монолитной железобетонной конструкции до 8° равнодействующая эпюры бокового давления грунта в рассмотренном случае увеличивается на 20%. При отрицательном угле наклона Еа уменьшается на 15 %.

Определение величины обнажения стеновых монолитных железобетонных конструкций в зависимости от глубины разработки ядра грунта

В техническом задании, выданном проектной организацией Моспроект-2 и трестом МОИС задана высота обнажения стеновых монолитных железобетонных конструкций h м в зависимости от глубины разработки ядра грунта Н м (рис.3.12). Эта зависимость представлена в виде ломаной линии ABC.В процессе разработки ядра грунта до отметки 129 обнажение стеновых монолитных конструкций допускалось согласно приведенной расчетной кривой ABC.

Допустимая деформация стеновых монолитных железобетонных конструкций согласно техническому заданию в зависимости от высоты обнажения не более 1/300 (при км = 6, £ < 20 мм).

Высотные отметки

кривая моделирования - теоретическая кривая

кривая по резельтатам натурных наблюдений

Рисунок 3.12. Графическая зависимость высоты (к) обнажения стеновых монолитных железобетонных конструкций от глубины (Н) разработки ядра грунта

Однако выполняя натурные маркшейдерско-геодезические наблюдения за деформированием стеновых конструкций в процессе поярусной отработки ядра грунта с отметки 135 до отметки 129 (обнажение /г = 6 м) зафиксированы на определенных участках деформации, превышающие допустимые (рис.3.13).

В процессе отработки ядра грунта нижних ярусов с отметки 129 зафиксированы значительные деформации с последующим раскрытием трещин стеновых монолитных железобетонных конструкций по оси Е и на определенных участках по оси А. Величина деформации достигала 47 мм при допустимых 20 мм. На рис.3.13 приведен график деформирования одной из стеновых монолитных железобетонных конструкций (заходки) во времени, по горизонтальной оси которого откладывается деформация £ мм, по вертикальной - время Т в сутках.

Рисунок 3.13. График деформирования стеновой монолитной железобетонной конструкции

одной из заходок с отметки 139 до отметки 129

Анализ кривой показывает, что, с целью предупреждения

деформирования стеновых железобетонных конструкций, стеновые

конструкции в течение 25 суток должны быть раскреплены распорными

46

ригелями. На основе систематических натурных наблюдений за состоянием конструктивных элементов, мы предложили устанавливать дополнительные временные распоры между железобетонными стеновыми конструкциями и смонтированными ригелями в виде клиньев из швеллера №16. При отсутствии дополнительного распора стеновая железобетонная конструкция может перемещаться (деформироваться) на величину монтажного зазора AI от 50 до 80 мм.

Маркшейдерско-геодезические наблюдения и их анализ за состоянием стеновых конструкций в процессе отработки ядра грунта позволили установить допустимую величину обнажения стеновых заходок в зависимости от глубины разработки ядра грунта. Это было достигнуто непосредственным уменьшением высоты проектного уступа отработки ядра грунта в технологических поярусных процессах возведения подземного сооружения. Изменение высоты уступа на технологический процесс существенного влияния не оказало. На рис.3.12 построена ломаная линия ОАС, характеризующая безопасную высоту обнажения заходок в процессе поярусной отработки ядра грунта. Для сравнения приведена ломаная линия ОАС1, полученная в результате моделирования физических процессов возведения подземного сооружения.

Натурные наблюдения за деформированием зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения грунтов

С целью получения данных о характере деформирования эксплуатируемых зданий, сооружений и грунтового массива, а также установления границ зоны переуплотнения грунтов при строительстве многоярусного подземного сооружения в районе ВДНХ СССР, была осуществлена закладка четырех профильных линий (Рис. 3.14).

Длина профильных линий определилась исходя из условий плотности и перспектив застройки района.

При закладке профильных линий применялись забивные реперы из стали класса A-III диаметром 22 мм, длиной 1,2-1,4 м. Расстояние между реперами составляет 16-30 м. В здания и сооружения закладывались цокольные марки.

В процессе наблюдения по профильным линиям выполнялось нивелирование реперов и измерялись расстояния между ними. В журнале наблюдений фиксировались также видимые признаки деформирования зданий, сооружений и массива грунтов.

Высотные отметки опорных реперов определялись нивелированием III класса по программе, изложенной в главе 2. Невязка замкнутого хода не

47

превышала допустимой, равной #доп = 15тД мм; где L - длина хода в километрах. Сдвижение реперов в горизонтальной плоскости определялось вдоль профильных линий относительно опорных пунктов путем измерения расстояний между реперами. Расстояния измерялись 30-метровой компарированной рулеткой с постоянным натяжением, отсчеты брались трижды с точностью отсчитывания до 1 мм, расхождения в отсчетах допускались не более 2 мм.

Наряду с инструментальными измерениями проводилось систематическое тщательное обследование состояния зданий и сооружений на предмет установления степени их нарушения - возникновения и развития трещин.

Результаты показали, что за наблюдаемый период общая деформация зданий и сооружений, расположенных на границе расчетной зоны переуплотнения грунтового массива по профильным линиям 2-1; II-II; IV-IV незначительна. Максимальное вертикальное сдвижение значительно ниже пределов возможных в процессе повседневной эксплуатации сооружений подобного типа.

Таким образом, с целью обеспечения контроля строительно-монтажных работ на всех этапах возведения объекта, а также с целью исследования его пространственной деформации создана опорная маркшейдерско-геодезическая сеть, построенная методом триангуляции. Обоснованы рекомендации по методам и точности создания маркшейдерско-геодезической сети.

Точность определения планового положения наиболее удаленных пунктов сети 1 разряда составляет ± 2-3 мм, а пунктов 2 разряда ±5-10 мм.

Точность определения высот реперов соответствует требованиям нивелирования III класса и применительно к данной строительной площадке составляет ±15 мм в наиболее удаленной точке.

Разработанный метод маркшейдерского контроля проходки траншей позволит избежать указанных технологических отклонений и даст большую экономию затрачиваемых на строительство средств.

Давление грунта на основные монолитные железобетонные конструкции зависит от угла их наклона относительно вертикальной плоскости. Активное давление грунта при ß = 0 составляет Еа = 17,8 МПа при наклоне стеновой конструкции от ядра (ß = 8°) Еа = 21,3 МПа, то есть давление (нагрузка) на стеновую конструкцию возрастает на 30%.

Натурные створные измерения показывают, что на участках, где обнажение стеновой конструкции не превышает 6 м, деформация может превышать допустимую (£ = 20 мм), если задерживается монтаж ригелей (распор стеновых конструкций).

Маркшейдерский контроль позволяет своевременно информировать о состоянии устойчивости стеновых конструкций и всего сооружения, а также определять период времени, в течение которого стеновая монолитная конструкция может оставаться нераскрепленной ригелями.

Измерения деформирования зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения грунта показали, что максимальное вертикальное сдвижение не превышает 10 мм. Такая величина смещений значительно ниже пределов, возможных в процессе повседневной эксплуатации подобных сооружений.

Рисунок 3.14

ГЛАВА 4

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЗВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ»

Изучение напряженно-деформированного состояния стеновых конструкций, протекающих в период возведения подземных сооружений способом «стена в грунте», в натурных условиях связано с большими трудностями или невозможно. Многие факторы различных горных процессов, влияющие на устойчивость возводимого сооружения выявляют в процессе моделирования строительства.

Моделирование позволяет провести широкий круг исследований и выявить взаимосвязь процесса сдвижения горного массива и деформирования железобетонных монолитных конструкций на всех стадиях строительства, определить, таким образом, комплекс наиболее эффективных маркшейдерских наблюдений за сооружением.

Постановка задачи и исходные данные процесса моделирования

В основу проводимых исследований по выявлению деформированного состояния стеновых монолитных железобетонных конструкций был положен принцип физического подобия и эквивалентных материалов.

Физическое подобие обеспечивается в том случае, если соблюдаются необходимые критерии подобия, а линейные размеры модели уменьшены в определенное число раз по сравнению с натурой, в которой изучается данное явление.

^ = = ^ (4-1)

'м 'м 'м

где - линейные размеры области натуры;

1у[ - линейные размеры области модели;

М1 - масштаб.

Сущность метода моделирования на эквивалентных материалах заключается в том, что на физических моделях, при соблюдении соответствующих условий подобия, изучают протекающие процессы деформирования стеновых конструкций и результаты исследований сопоставляют с расчетными (натурными) данными.

Автором, совместно с В.И.Кокоревым, в исследовательской лаборатории Оргэнергостроя было выполнено моделирование физических процессов (выемка ядра грунта, распор стеновых конструкций ригелями и др.) применительно к конкретному объекту (строящейся автостоянке).

Цель моделирования состояла в определении несущей способности стеновых монолитных железобетонных конструкций. В процессе моделирования выявлялся также характер распределения и величины напряжений, возникающих в этих конструкциях в зависимости от мощности вынимаемого слоя грунта, влияния нагрузки, создаваемой массой крана, числа смонтированных распорных ярусов и влияние характера разрывов между отдельными элементами стеновых монолитных железобетонных конструкций.

При проведении исследований моделировался однопролетный шестнадцатиметровый участок, включающий четыре стеновые заходки. Несущие пилоны в данном случае заменяются сплошной стеновой конструкцией, в которую осуществляется распор ригелей.

В связи с определенными трудностями при моделировании всей стратиграфической колонки массива грунта были приняты наиболее худшие условия залегания грунта и его физико-механические характеристики; песок средней и вышесредней крупности с объемной массой / = 1,6 т/м3 и углом внутреннего трения (р = 35°. Геометрические размеры моделируемого участка соответствуют масштабу = 1:50.

На рис.4.1 представлен общий вид и конструкция модели.

На плане модели показано разрабатываемое ядро грунта (1); стеновые заходки (2); нагрузка соответствующая весу башенного крана (3); распределительная плита (4); каркас модели (5); горный массив (6); шибер подачи (7); пленка (8), снижающая коэффициент трения массива грунта о стенки модели в зоне призмы сползания.

Методика исследований на модели из эквивалентных материалов

Исследования проводились в лабораторных условиях в соответствии с основными положениями метода эквивалентных материалов.

Сущность рассматриваемого метода заключается в испытании моделей, которые подобны натурному прототипу как с точки зрения физико-механических характеристик грунтов, так и структуры горного массива.

Из законов механики сплошной среды следует, что в рассматриваемой постановки задачи на моделирование должны быть выполнены следующие критерии подобия.

1. Коэффициент Пуассона должен быть постоянным для всей среды натуры и модели v = const.

2. Угол внутреннего трения также должен быть постоянным для всей среды натуры и модели <р = const.

3. Тз — const.

pT-g-h

CTVj

4.-— — COnst.

Рт'У'Ъ

с_ _

Рт-дъ

= const.

6. — = const.

План модели

Разрез I-I

Рисунок 4.1

Значения параметров, входящих в критерии подобия в натуре, а также

рассчитанные и подобранные для модели составляют:

Параметры критериев подобия Для натуры Для модели

1. Коэффициент Пуассона V 2. Угол внутреннего трения <р 3. Прочность на растяжение <Тр 4. Прочность на сжатие П~с 5. Объемный вес рт ' д 6. Глубина разработки грунта Н 1. Модуль упругости Е 0,20-0,24 35° 30 кг/см2 305 кг/см2 1,6 -10"3 кг/см3 2700 см 0,275-105 МПа 0,20-0,24 35° 0,6 кг/см2 6,2 кг/см2 1,6 -10"3 кг/см3 54 см 0,55-103 МПа

В соответствии с законом Кулена-Мора, которое описывает поведение сыпучих сред:

т = тs+tg<p■ рг- д-Н. (А)

Для грунта в районе строительства внутреннее сцепление грунта максимально: ts = 0,055 МПа.

Среднее значение второго члена уравнения (А) составляет:

tg<p • рг- д • Н = 0,48 МПа, то есть ts на порядок меньше значения tg<p ■ рг- д • Н и критерий 3 можно не принимать во внимание.

В процессе подготовки модели были приняты приведенные выше значений величин, входящих в критерии подобия.

В качестве исходных материалов для модели был принят чистый кварцевый песок с размерами зерен 0,12-0,20 мм в смеси с парафином и вазелином. Стеновая конструкция изготовлена из гипса (рис.4.2).

Нагрузка от башенного крана, расположенного в зоне призмы бокового давления грунта заменена равномерно распределенной статической нагрузкой по всему моделируемому участку (рис.4.1). Величина статической нагрузки Рм, создаваемой башенным краном определялась из выражения:

Ъ = (4.2)

м?

где Ркр - вес крана с грузом и противовесом, 250 т; - длина моделируемого участка, 20 м; ¿кр- длина крана, 10 м;

М1 - линейный масштаб моделирования, = 1:50; Кс - коэффициент.

Подставив цифровые значения в формулу (4.2), определим вес статической нагрузки Рм = 5,2 кг.

В качестве ригеля в модели использовался прямоугольный стержень из оргстекла. Сечение этого стержня было подобрано исходя из устойчивости двух спаренных двутавровых балок №50 в натурных условиях:

(4.3)

где Бн - эквивалентная площадь поперечного сечения ригеля в натуре 5Н — 225 см2;

<7М - предел прочности оргстекла на растяжение, 8 кг/мм2; ан - предел прочности ригеля на растяжение, 40 кг/мм ; М; - линейный масштаб моделирования, 1:50.

Исходя из определенной площади поперечного сечения ригеля £м = 90 мм2 для моделирования использовались стержни из оргстекла шириной 20 мм и толщиной 4,5 мм, на верхние грани которых наклеивались тензодатчики. Деформации испытываемой модели на образцах измерялись тензодатчиками и

цифровой тензометрической станцией ИСД-5М. Расположение тензодатчиков на стержнях представлено на (рис.4.2). Схема расположения тензодатчиков на стеновых конструкциях показана на (рис.4.3). Тензодатчики на образцах стеновых конструкций модели наклеивались симметрично нейтральной оси со стороны сжатой и растянутой зоны с шагом 60 мм.

Рисунок 4.2. Конструктивные элементы модели

1 - Стеновая (гипсовая) конструкция;

2 - Ригель (пластмассовый стержень);

3 - Тензометрический датчик.

Всего было установлено 86 датчиков, в том числе 72 шт. на стеновых конструкциях.

Исследования по выявлению устойчивости и величины обнажения стеновых конструкций модели в зависимости от глубины разработки ядра грунта были проведены в четырех вариантах.

В первых трех вариантах моделирования пространственное положение стеновых конструкций было параллельно главной проектной плоскости (рис.4.4а). В четвертом варианте нижняя часть стеновой конструкции 2 наклонена в сторону призмы бокового давления грунта, а конструкция 3 - в сторону разрабатываемого ядра грунта (рис.4.4б). Положение стеновых конструкций 1 и 4 аналогично первым трем вариантам.

Описание эксперимента

Вариант I. Выемка ядра грунта производилась поярусно, мощность вынимаемого слоя от 6 до 8 см (в натуре это соответственно от 3 до 4 м). Одновременно с выемкой ядра грунта выполнялся поярусный и порядный распор стержней (ригелей).

Вариант II. Послойная выемка ядра грунта производилась тремя уступами общей мощностью 54 см (в натуре 27 м) и последующей установкой восьми ярусов крепи (рис.4.5). В каждом ярусе устанавливались 4 ряда ригелей.

В результате выемки ядра грунта в первом уступе (рис.4.6) стеновые конструкции были обнажены на высоту 12 см (в натуре это соответствует 6 м). Затем стеновые конструкции были раскреплены ригелями первого и второго ярусов (рис.4.7).

Отсчеты по тензодатчикам были взяты до распора ригелями и после их установки.

После завершения этих измерений отрабатывался второй уступ (рис.4.7) на высоту 18 см (в натуре 9 м); устанавливались ригели третьего, четвертого, пятого ярусов; поярусно отсчитывались показания тензодатчиков до и после установки ригелей.

Рисунок 4.3. Схема расположения тензодатчиков на стеновых конструкциях 1 - ниша; 2- стержни;

3 - тензодатчики;

4- стеновая заходка.

Рисунок 4.4. Схема положения стеновых заходок а - стеновые конструкции параллельны вертикальной плоскости; б - стеновые конструкции 1 и 4 параллельны вертикальной плоскости, 2 и 3 - наклонены.

Далее аналогично первым двум отрабатывался третий уступ высотой 24 см (в натуре - 12м).

Вариант III. Выемка ядра грунта производилась тремя уступами мощностью по 12 см без распора ригелями. При отработке трех уступов на глубину 36 см (в натуре 18 м) согласно показаний тензодатчиков возникающие напряжения о в стеновых конструкциях близки к предельным, ввиду чего дальнейшая разработка грунта была прекращена.

Вариант IV. Выемка ядра грунта с последующим монтажом ригелей аналогична II варианту. После окончания работ по выемке грунта и монтажу ригелей для определения предельного обнажения стеновых конструкций в ее

нижней части осуществлялся демонтаж ригелей снизу вверх (восходящим методом). При достижении величины обнажения 34 см (в натуре 17 м) в стеновых конструкциях образовались горизонтальные сплошные трещины и модель потеряла устойчивость (рис.4.8).

Результаты испытания модели третьего варианта представлены в табл.4.1.

Результаты моделирования

По приведенным в табл.4.1 результатам вычислены деформирования, на рис.4.9, 4.10, 4.11 построены графики деформирования стеновых конструкций в процессе выемки ядра грунта трех уступов (12 см, 24 см, 36 см).

Графики построены по данным, снятым с тензодатчиков, установленных со стороны вынимаемого грунта. До стеновой заходки (секции) №2 (см. схему расположения стеновых заходок на рис.4.4а) график деформирования построен следующим образом (рис.4.9). По данным табл.4.1 вычислено деформирование £. Например:

для тензодатчиков 28 — Зсм ег - 505 - 507 - -2

м 29 Ип = 6 см е, = 554- 557 = -3

и 30 — 12 см - 593 - 595 - -2

и 31 к4 = 18 см е4 = 548 - 546 = -2

и 32 = 2-4 см г5 = 553 546 = < 7

и т.д.

Рисунок 4.5. Общий вид модели после отработки ядра грунта на всю глубину (54 см)

(смонтированы все ригели)

Рисунок 4.6. Вид модели после выемки ядра грунта первого уступа. Обнажение стеновой

конструкции высотой 12 см (в натуре это соответствует 6 м).

Рисунок 4.7. Вид модели после выемки ядра грунта первого и второго уступов. Обнажение

стеновой конструкции высотой 30 см (в натуре это соответствует 15 м).

Рисунок 4.8. Вид модели после испытаний, когда были демонтированы ригели.

По величинам Лг и £1 построена кривая 2 (рис.4.9). Подобным образом построены кривые 3 и 4 соответственно для стеновых конструкций №3 и №4, а также графики, приведенные на рис.4.10 и 4.11.

На графиках (рис.4.9.) видно, что при выемке ядра грунта на глубину 12 см (6 м в натуре) деформирование стеновых конструкций всех заходок незначительны по сравнению с допустимой (£дсш).

Анализ графиков на (рис.4.10) показывает, что при выемке ядра грунта до глубины 24 см (12 м в натуре) деформирование стеновых заходок близки к предельно допустимым.

Из графиков, приведенных на рис.4.11 следует, что при выемке ядра грунта на глубину 36 см (18 м в натуре) и при отсутствии распора ригелями деформирование стеновых конструкций значительно превышает допустимую. В стеновых конструкциях появляются трещины, которые развиваются с течением времени и конструкции теряют устойчивость.

Зная относительную деформацию £м любой точки стеновой конструкции нетрудно определить возникающие напряжения сгм в этих точках по формуле:

<гн =£"■£„ , (4.4)

где Е - модуль упругости материала, МПа;

£м = /V. - , (4.5)

где - нулевой отсчет тензодатчика;

Мп - показание тензодатчика в процессе исследований.

В процессе обработки результатов измерений знак минус указывает, что в этой точке имеются растягивающие напряжения, а знак плюс - сжимающие.

Однако в процессе экспериментальных исследований, проводимых на моделях, накапливаются случайные и систематические погрешности, входящие в результаты измерений. К ним относятся: погрешности измерения тензометрической станции; погрешности при изготовлении стеновых заходок (неоднородность и пористость материала и т.п.).

Рисунок 4.9. Графики деформирования стеновых конструкций модели при выемке ядра грунта на глубину 12 см (без монтажа ригелей)

Рисунок 4.10. Графики деформирования стеновых конструкций модели при выемке ядра

грунта на глубину 24 см (без монтажа ригелей)

Рисунок 4.11. Графики деформирования стеновых конструкций модели при выемке ядра грунта на глубину 36 см (без монтажа ригелей)

С целью уменьшения влияния случайных погрешностей при графической обработке экспериментальных данных применено скользящее «окно» сглаживания отдельных реализаций. Оптимальный размер «окна» определен согласно методики, предложенной Букринским В.А. [5].

В процессе обработки результатов исследований, представленных на рис.4.9, 4.10, 4.11 методом оптимального «окна» сглаживания, равного 12 см и усреднения данных по двум секциям 2 и 3, получим кривые деформирования стеновых конструкций (рис.4.12) в зависимости от мощности вынимаемого слоя грунта (вариант III). При усреднении не принимались в расчет результаты моделирования по секции 4, потому, что по конструктивным особенностям модели (рис.4.1) сказывалось влияние каркаса модели на стеновые секции №1 и №4. На рис.4.12 кривая 3 показывает усредненное значение деформаций, приведенных на рис.4.11 для секций 2 и 3. Заштрихованная площадь показывает пределы погрешности определения деформаций. Аналогично на рис.4.12, построены кривые 1 и 2 по данным графиков, приведенным на рис.4.9 и рис.4.10.

Аналогично выполнена обработка результатов исследований в вариантах I и II, значения которых приведены на рис.4.13 и 4.14.

На рис. 4.13 усредненная кривая показывает характер деформирования стеновых заходок при выемке ядра грунта на глубину 12 см (6 м в натуре) с

последовательным поярусным (через 6 см) монтажом ригелей. Усредненные кривые 2, 3, 4, 5 (рис.4.13) показывают соответствующий характер деформирования при выемке ядра грунта на глубину до 53 см с последовательным поярусным монтажом ригелей.

Как видно из графиков деформирование стеновых секций (заходок) в рассматриваемом варианте существенно менее допустимой.

На рис.4.14 приведены усредненные кривые деформирования стеновых заходок в процессе отработки ядра грунта уступами 12 см, 30 см и 54 см (в натуре соответственно-6 м, 15 м, 27 м). Кривая 1 показывает деформирование стеновых заходок после выемки ядра грунта на глубину 12 см (6 м) до монтажа ригелей; кривая Г - после монтажа ригелей. Кривая 2 и Т

Рисунок 4.12. Усредненные графики деформирования стеновых заходок при отсутствии распора ригелями

16 14 12 10 8 6 4 2 ±0 -2-4 -6-8-10-11

б 12" 1824" 3036 42 48 54"

1]см

13га

21см

30см

38см

шшш

-18см

?3см

Рисунок 4.13. Графики деформирования стеновых конструкций в процессе выемки ядра грунта уступами до 4 м с последовательным поярусным распором ригелями

+8 +б +4 +2 -2 -4 -6

'ШШЖШ

■щшшш.

Рисунок 4.14. Графики деформирования стеновых конструкций при выемке ядра грунта уступами 6 м, 9 м, 12 м с последовательным поярусным распором ригелями

соответствует глубине разработки ядра грунта на 30 см (15 м), а кривая 3 и 3' на 54 см (27 м).

Анализ графиков показывает, что деформирование стеновых заходок при выемке ядре грунта уступом в 12 см (6 м) находится в пределах допустимого (£ДопХ а при выемке ядра грунта уступом 18 см (9 м) (глубина обработки от /г = 12 см до к = 30 см) и при выемке грунта уступом 24 см (12 м) превышает допустимую деформацию. В эксперименте на модельных стеновых заходках были отмечены трещины. Следовательно, отработка ядра грунта уступом 9 и 12 м на рассматриваемой глубине недопустимы. При отработке модели IV варианта и последующей отработки результатов исследований на рис.4.15 и 4.16 представлены графики деформирования стеновых конструкций 2 и 3 в зависимости от их геометрического расположения относительно вертикальной проектной плоскости.

На рис.4.15 и 4.16 цифрами 2 обозначены кривые стеновых заходок, имеющих положительный (+/?) угол наклона, цифрами 3 - отрицательный (—/?) угол наклона.

Кривые 2] и 3] построены по результатам измерения деформирования стеновых конструкций после отработки ядра грунта уступом 12 см (6 м) до монтажа ригелей. Кривые 2г и 32 - после монтажа ригелей. Деформирование конструкций в обоих случаях здесь незначительно.

При отработке ядра грунта уступом 18 см (9 м) деформирование стеновых конструкций существенно превышает допустимую. Конструкция, имеющая +/? деформируется больше. Таким образом оказывается недопустимым обнажение наклонных стеновых конструкций на высоту 9 м.

Кривые 23 и З3 на рис.4.16 характеризуют состояние стеновых конструкций при их обнажении на высоту 18 см (9 м) при глубине отработки ядре грунта 42 см.

Кривые 24 и 34 на рис.4.16 характеризуют деформацию при обнажении на высоту 30 см (15 м) при глубине отработки ядра грунта 54 см.

4.15. Графики деформирования стеновых заходок имеющих угол наклона/? в процессе отработки ядра грунта уступами 12 см и 18 см с последовательным поярусным монтажом

ригелей

Рисунок 4.16. Графики деформирования стеновых заходок при отработке ядра грунта на

глубину 54 см

Эксперимент на модели показал, что несмотря на большую (£ = 50) деформацию стеновая конструкция при — /? обладает большей устойчивостью по сравнению со стеновой конструкцией, имеющей +/?, которая теряет устойчивость при £ = 32 — 34.

Анализ результатов моделирования позволил установить, что

• обнажение секций (заходок) в начальной стадии выемки ядра грунта до 12 см (6 м) не вызывает больших напряжений, величина которых не превышает 0,4 -0,5 предела прочности стеновых конструкций;

• при обнажении стеновых заходок до 24 см (12 м) возникающие напряжения достигают и иногда превосходят предел прочности материала на растяжение;

• при отсутствии распора (монтажа ригелей) полная потеря устойчивости стеновых конструкций наступает при их обнажении по высоте до 36 см (18 м);

• предельно допустимое обнажение стеновых конструкций зависит от глубины разработки ядра грунта, которые составляют: в начальной стадии 6 м, а на глубине 27 м - менее 4 метров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - установление закономерностей деформирования и устойчивости стеновых монолитных железобетонных конструкций в грунтах в процессе строительства, на основании чего разработан маркшейдерский метод оценки деформации стеновых конструкций, применение которого обеспечивает строительство подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте» в условиях плотной городской застройки.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что наиболее рациональным методом оценки деформации стеновых монолитных железобетонных конструкций является створный, позволяющий определять деформации с точностью ± 2,4 мм на прямолинейных участках и ± 2,9 мм на криволинейных участках.

2. Разработан метод передачи проектных створных плоскостей с яруса на ярус в каждом цикле измерений с точностью ± 1,6 мм при отсутствии прямой видимости.

3. Разработана методика построения опорной геодезической сети для обеспечения строительства подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте» с учетом мульды оседаний. Для этих целей разработаны конструкции реперов, знаков и марок.

4. Устойчивость монолитных железобетонных конструкций, возводимых способом «стена в грунте», обеспечивается, если высота обнажения при выемке ядра грунта в начальной стадии разработки не превышает 6 м, а на глубине 27 м - не более 3 м.

5. Установлено, что величина активного давления грунта на стеновую конструкцию зависит от положительных и отрицательных углов ее наклона относительно вертикальной плоскости. При положительном угле наклона до 8° равнодействующая активного давления грунта увеличивается на 20%, при отрицательном угле наклона до 8° - уменьшается на 15%.

6. Разработанные «Методические указания по маркшейдерским работам при строительстве подземного гаража способом «стена в грунте» и «Инструкция по закладке знаков, центров и реперов при строительстве подземных сооружений способом «стена в грунте» внедрены в трестах ГПР-1 и Мосоргинжстрое Главмосинжстроя при Мосгорисполкоме с годовым экономическим эффектом 67 тыс.руб.

Список публикаций автора

1. Зенько К. К., Зайцев С. А. Маркшейдерское обеспечение строительства подземных сооружений на застроенной промплощадке рудника. В сборнике научных трудов: «Совершенствование систем разработки и управления добычей и качеством руд при подземной разработке рудных месторождений». М;, МГИ, 1982 г.

2. Зенько К. К., Джуламанов Т. Д. Влияние горного массива на деформацию подземного сооружения, возводимого способом «стена в грунте». Докл. На третьем региональном семинаре «Применение математических методов и ЭВМ в геологии». Новочеркасск, 1983г.

3. Зенько К. К. Контроль устойчивости стеновых железобетонных конструкций, возводимых способом «стена в грунте». Сб. Монтажные и специальные строительные работы. Серия «Специальные строительные работы». Экспресс-информация ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР. М., 1983г., вып. 9.

4. Зенько К. К. Методические указания по маркшейдерским работам при строительстве подземного гаража способом «стена в грунте». Изд. Главмосинжстроя, М., 1981г.

5. Зенько К.К., Букринский В.А. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по маркшейдерским работам при строительстве подземного гаража способом «Стена в грунте». Рукопись. М.1981.

6. Зенько К. К. Разработка маркшейдерского метода оценки деформации при строительстве подземных сооружений, возводимых способом «Стена в грунте». Изд. МГИ. М. 1983.

7. Зенько К.К., Букринский В.А. ИНСТРУКЦИЯ по закладке знаков, центров и реперов при строительстве подземных сооружений способом «Стена в грунте». Рукопись М.1983.

8. Зенько К. К., Власов Ю. Г. Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий выдал настоящее свидетельство на изобретение: «Направляющее устройство для разработки траншей». Свидетельство №1158697. Заявитель: Московский государственный трест «МОСОРГИНЖСТРОЙ» ГЛАВМОСИНЖСТРОЯ. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Союза ССР 1 февраля 1985г., заявка №3632911.

9. Воробьев В.Я., Зенько К.К., Михасенок A.B. Применение монолитного бетона в современных условиях, ж. «Экологический вестник» №8. М. 2008.

10. Зенько К.К., Михасенок A.B. Технологические инновации в современной экономике, ж. «Экологический вестник» №8. М. 2008.

11. Зенько К.К. Технологический процесс в области строительства подземных сооружений, возводимых способом «стена в грунте», ж. «Экологический вестник» №8. М. 2008.

12. Зенько К.К. Анализ существующих методов контроля строительно-монтажных работ при возведении подземных сооружений способом «стена в грунте», ж. «Экологический вестник» №10. М. 2010.

13. Зенько К.К. Расчет необходимой точности непосредственных маркшейдерско-геодезических измерений при возведении подземных сооружений способом «стена в грунте», ж. «Экологический вестник» №10. М. 2010.

14. Зенько К.К. Определение деформирования зданий и сооружений, расположенных в зоне переуплотнения грунтов, ж. «Экологический вестник» №10. М. 2010.

2010202199