Расчет конструктивных решений стены в грунте

Выполнили расчет стены в грунте для ограждения котлована строительства.

РАСЧЕТ СТЕНЫ В ГРУНТЕ

Геотехническое обоснование ограждающей конструкции котлована для строительства высотного здания

В данном разделе дано геотехническое обоснование принципиального решения ограждения котлована, принятого как наиболее оптимального варианта устройства ограждения котлована для строительства нулевого цикла в соответствии с концептуальными предложениями, рассмотренными на предпроектной стадии.

В указанной выше документации рассмотрены следующие возможные варианты устройства котлована:

• устройство котлована в естественных откосах;

• устройство котлована под защитой ограждения в виде металлического шпунта;

• устройство котлована под защитой ограждения в виде монолитной железобетонной «стены в грунте».

В процессе разработки концептуальных решений конструкции ограждения котлована для строительства высотной части форма ограждающей конструкции в плане рассматривалась повторяющего контур фундаменто, а также в виде окружности, описывающей подземную часть. Крепление конструкции ограждения рассматривалось следующими способами:

• в виде монолитных железобетонных дисков перекрытий (способ строительства «semi-top-down»);

• распорками из стальных труб, с устройством обвязочных балок из двутавров на каждом ярусе распорной системы;

• ограждения в форме окружности в плане системой обвязочных поясов из монолитного железобетона, либо стального проката (двутавров);

• с помощью грунтовых инъекционных анкеров.

В результате анализа всех аспектов, касающихся данной строительной площадки, в предпроектной документации сделан вывод, что практически безальтернативным решением крепления котлована является монолитная железобетонная «стена в грунте». Форма конструкции ограждения в плане принята в виде пятиугольника, повторяющего контур фундаменто. Крепление «стены в грунте» должно осуществляться путем устройства пяти ярусов грунтовых инъекционных анкеров.

Краткое описание различных теоретических подходов для расчета ограждения котлована

В отечественной и мировой практике проектирования наиболее распространенными методами расчета ограждений котлованов являются аналитические решения, основанные на теории предельного равновесия. В основу большинства таких решений положена некая нелинейная зависимость между усилиями, возникающими в конструкциях, и перемещениями. Данная зависимость, как правило, представляет собой коэффициент, называемый коэффициентом жесткости или постели. Все аналитические методы, в основе которых лежит описанный выше принцип, иначе называют контактными моделями расчета. В настоящее время при проектировании и строительстве на территории Центрального региона РФ наиболее апробирована контактная модель, реализованная в программе Wall-3, которая была разработана совместно НИИОСП им. Н.М. Герсеванова и фирмой ЗАО. Программа Wall-3 разработана в соответствии с действующими на территории России нормами и требованиями к расчетам ограждающих конструкций.

Однако, как неоднократно отмечалось ранее, территория строительства находится в чрезвычайно сложных в геотехническом смысле условиях, для которых отечественные нормы рекомендуют выполнение расчетов с применением нескольких расчетных методик. Учитывая это, расчет ограждающей конструкции рекомендуется производить двумя методами: аналитическим (по методу контактной модели, например с использованием программы Wall-3), а также при помощи решения численной задачи, основанной на методе конечных элементов (МКЭ). В отличие от аналитических методов, метод конечных элементов позволяет не разделять усилия и деформации, а получать их одновременно. В процессе расчета ограждающая конструкция и массив грунта заменяются на эквивалентную сетчатую модель, состоящую из многочисленных треугольных или кубических элементов. Каждый элемент модели математически представляет собой уравнение, решая которое определяют усилия и перемещения этого элемента. Накладываясь, решения уравнений в каждом элементе позволяют оценить усилия и перемещения в расчетной модели в целом.

В процессе геотехнического обоснования ограждения котлована для строительства следует упомянуть о работах,. при проектировании котлована для строительства в городе На обеих площадках грунтовые условия схожи с грунтовыми условиями площадки строительства поэтому результаты выполненных расчетов представляют для нас повышенный интерес.

На первом объекте был устроен 7-ми метровый котлован под защитой ограждающей конструкции, выполненной частично по методу «стена в грунте», частично в виде шпунтовой стенки. В процессе производства работ проводились измерения смещений и усилий в ограждении котлована, а также измерялись усилия в распорной системе. По результатам проведенного мониторинга в НИИОСП были выполнены обратные расчеты аналитическим методом, с использованием контактной модели в программе Wall-3, а также при помощи решения численной задачи, основанной на МКЭ. В результате анализа расчетов авторы сделали несколько интересных выводов. Поведение массива грунта в процессе устройства котлована было характерно для среды, которая ввиду избыточных поровых давлений проявляет свойства тяжелой вязкой жидкости, либо для среды, полностью перешедшей в пластичное состояние. В таких условиях, если прочность грунта описывать исходя из эффективных сопротивлений сдвигу (характеристиками c и φ), можно серьезно завысить прочность рассматриваемых грунтов. Напротив, определение недренированной прочности (cu) грунтов в таких условиях может показать значительно меньшие ее значения. Определить параметры прочности рассматриваемых грунтов в природном состоянии практически невозможно, так как трудно отобрать образцы ненарушенной структуры из массива, сложенного текучими и текучепластичными грунтами. Следует обратить внимание на то, что в подобных случаях российский и зарубежный опыт проектирования подземных сооружений требует выполнять как дренированный, так и недренированный расчет основания, взаимодействующего с ограждением котлована, а величины расчетных усилий в конструкциях принимать по наиболее неблагоприятному варианту.

Таким образом, при проектировании ограждения котлована расчеты рекомендуется выполнять для случаев, когда прочностные характеристики грунтов определяются как по неконсолидированно-недренированной (НН), так и по консолидировано-дренированной (КД) схемам.

Следует отметить, что значения перемещений конструкции ограждения котлована, полученные при расчетах при помощи решения численной задачи, основанной на МКЭ, будут выше значений, полученных при решении контактной задачи. Это можно объяснить тем, что, как отмечалось ранее, при их решении используются принципиально разные подходы. Для определения перемещений в контактной задаче используют вычисленные усилия и контактные коэффициенты, тогда как в МКЭ определяют деформации и усилия одновременно, из решения системы уравнений. Кроме того, при решении контактной задачи отображают деформации оси стены от ее начального положения без учета перемещений окружающего массива грунта. Таким образом, для получения более полной картины перемещений расчеты конструкции ограждения котлована целесообразно производить на основе МКЭ.

Для реализации численного расчета можно рекомендовать программный комплекс Plaxis, который, также как и Wall-3, хорошо зарекомендовал себя при проектировании и строительстве в России и за рубежом.

Данная программа представляет собой специализированный компьютерный комплекс, основанный на методе конечных элементов в условиях плоской задачи, которая может быть использована для расчета напряженно-деформированного состояния различных типов фундаментов. Так как уровень ответственности намеченной к строительству многофункционального комплекса повышенный, математическое моделирование необходимо выполнять с использованием двух различных расчетных моделей. В данном случае можно рекомендовать следующие модели грунта: упругопластическая модель Мора-Кулона (MC) и модель упрочняющегося грунта (HS).

Модель Мора-Кулона (MC) содержит пять входных параметров грунта: Е и v - параметры упругости, φ и с – параметры пластичности, Ψ - угол дилатансии и является продолжением закона трения Кулона для общего напряженного состояния. Условие текучести Мора-Кулона может быть полностью определено с помощью трех функций текучести, представленных в виде функций главных напряжений:

Модель упрочняющегося грунта Hardening Soil (HS) является усовершенствованной моделью МС, предназначенной для моделирования поведения различных типов грунтов с учетом изменения их деформационных параметров в процессе уплотнения или разуплотнения. Основная идея, положенная в основу этой модели, состоит в гиперболической зависимости между вертикальными деформациями ε и девиаторными напряжениями q. При помощи данной зависимости можно описывать поведение грунта в стандартных испытаниях на трехосное сжатие, проведенных по схеме КД (консолидировано-дренированные) (рис. 3.3), а также при проведении компрессионных испытаний.

При расчете конструкции ограждения котлована методом конечных элементов в качестве основной модели поведения грунта рекомендуется принимать модель HS. Причинами для этого являются, в первую очередь, наличие в параметрах грунта модели HS не одного, а нескольких деформационных характеристик, которые позволяют рассчитывать поведение грунта не только при нагружении, но и при разгрузке, что наблюдается при экскавации грунта из котлована. Такой подход при точном назначении параметров позволяет получать более достоверные значения деформаций грунта по сравнению с результатами расчета по модели MC.

Как видно из результатов расчетов конструкции ограждения котлована для строительства значения расчетных деформаций, вычисленных по модели HS, всегда меньше значений деформаций, вычисленных по модели MC. В среднем разница в значениях осадок составляет 1,6 раза. Данная разница объясняется тем, что при расчете перемещений ограждения котлована и подъема (разуплотнения) грунта внутри котлована по модели MC используется единственный модуль деформации Е, тогда как при решении той же задачи по модели HS используется также упругий модуль Eur, который по значению в 1,5…3 раза выше модуля общей деформации E.

В данной работе выполнены укрупненные расчеты конструкции ограждения котлована, которые показывают качественные отличия результатов расчетов, выполненных с применением той или иной модели грунта.

В процессе выполнения расчетов подбиралось оптимальное количество рядов грунтовых анкеров и их расположение по высоте, т.к. от этого напрямую зависит требуемая жесткость и несущая способность конструкции ограждения.

Для данной площадки строительства, принимая во внимание технические и экономические соображения, рассматривалось три основные схемы конструктивных решений. Данные схемы практически не отличаются друг от друга. Единственным отличием является количество рядов грунтовых анкеров по высоте. Так, в первой конструктивной схеме предусмотрено четыре ряда грунтовых инъекционных анкеров, во второй – пять, а в третей – шесть. Для устройства котлована с применением каждой конструктивной схемы необходимо выполнить планировку территории до абсолютных отметок +1.00 м. Абсолютная отметка дна котлована составляет во всех случаях -16.95 м. Заделка низа «стены в грунте» относительно дна котлована составляет 13.05 м, что соответствует абсолютной отметке -30.00 м. Таким образом, глубина «стены в грунте» от планировочной отметки поверхности земли составит 31 м. Графическое изображение данных конструктивных схем представлено на рис. 3.5, 3.6, 3.7.

На первом этапе расчетов расстановка грунтовых анкеров по высоте производилась таким образом, чтобы при возведении конструкций подземной части можно было без особых сложностей выполнять переопирание ограждения на монолитные железобетонные диски перекрытий и монолитный ростверк. Далее производилась корректировка высотного положения анкеров для более равномерного распределения усилий, возникающих в «стене в грунте».

Стена в грунте

Для сопоставительного анализа работы системы ограждение-грунт по каждой конструктивной схеме также выполнены расчеты в программном комплексе Wall-3 с характеристиками грунта, определенными по стандартным методикам.

В соответствии с результатами выполненных расчетов конструкции ограждения котлована по всем расчетным схемам, расчетные значения изгибающих моментов, возникающих в «стене в грунте», не сильно отличаются друг от друга и колеблются в районе 2500 – 3000 кНм. Таким образом, количество рядов анкеров (4 – 6 рядов) практически не повлияет на выбор жесткости и, как следствие, толщины «стены в грунте», а окончательное решение по выбору того или иного количества рядов грунтовых анкеров следует принимать, исходя из их несущей способности по грунту и нагрузки, передаваемой на каждый ярус.

Так, в результате расчетов получено, что при рассмотрении 1-й конструктивной схемы (4 ряда анкеров) максимальные расчетные усилия, передаваемые на анкер, существенно превысят 100 т, что практически невозможно воспринять корнем анкера. При этом общее количество анкеров составит порядка 960 шт.

В соответствии с расчетами, выполненными по 2-й конструктивной схеме (5 рядов анкеров), максимальные усилия, возникающие в анкерах, составляют 100 т на анкер. Данные нагрузки вполне возможно воспринять грунтовыми инъекционными анкерами. Их общее количество на объект составит порядка 1200 шт.

При устройстве котлована по 3-й схеме (6 рядов анкеров), согласно выполненным расчетам, нагрузки на анкера уменьшаться до 70 т, но при этом количество анкеров увеличится на 240 шт. и составит порядка 1440 шт., что делает применение этой схемы не очень выгодной с экономической точки зрения, и увеличит сроки строительства подземной части.

На основании вышеизложенного можно заключить, что наиболее оптимальным вариантом устройства конструкции ограждения котлована является монолитная железобетонная «стена в грунте» толщиной 1.2 м с креплением 5-ю ярусами грунтовых инъекционных анкеров.

Для качественной оценки возникающих усилий и перемещений конструкции ограждения котлована, выполняемого по наиболее оптимальному варианту №2 («стена в грунте» с креплением 5-ю рядами анкеров), в рамках настоящего геотехнического обоснования выполнены расчеты с учетом описанных выше рекомендаций.

На первом этапе расчеты выполнялись аналитически с использованием программного комплекса Wall-3. В качестве исходных данных для расчетов программой предусмотрен ввод следующих параметров:

• геометрические характеристики конструкции ограждения («стены в грунте»);
• отметки границ инженерно-геологических элементов;
• отметки уровня подземных вод;
• численное описание контакта грунта с конструкцией ограждения;
• глубины откопки котлована по этапам (учет разработки котлована и монтажа удерживающих конструкций);
• расположение нагрузок за периметром котлована;
• осевая жесткость и места расположение анкерных конструкций;
• задание физико-механических характеристик грунтов.

Ввиду того, что, как описывалось выше, при выполнении аналитических расчетов в программном комплексе Wall-3 нельзя получить полную картину перемещений конструкции ограждения котлована, основной упор делался на расчеты по первой группе предельных состояний. В рамках этих расчетов прочностные характеристики грунта (с и w) в одном случае задавались как при консолидировано-дренированных испытаниях, определяемых по стандартной схеме. Во втором случае прочность грунта задавалась параметром сu, определяемом при неконсолидированно-недренированных испытаниях. В соответствии с результатами инженерно-геологических испытаний, значения сu, описывающие недренированную прочность, значительно выше значений параметров прочности с и w, получаемых при консолидировано-дренированных испытаниях. Так, например, для суглинков текучих (ИГЭ-3) недренированная прочность характеризуется значением сu, равным порядка 70 кПа, в то время как с=7 кПа и w=78.

В результате выполнения аналитических расчетов в программном комплексе Wall-3 получено, что максимальные изгибающие моменты в «стене в грунте» возникают при консолидировано-дренированных характеристиках грунтов и составляют 2672 кНм (рис. 3.8). При этом деформации оси «стены в грунте» составляют 2.6 см

На втором этапе выполнены расчеты, производимые методом конечных элементов в программном комплексе Plaxis. При их выполнении прочностные характеристики грунтов описывались параметрами с и w, определяемыми при консолидировано-дренированных испытаниях. Различие расчетов методом конечных элементов заключалось лишь в описании деформационных характеристик грунтов. Так, выполнены расчеты с использованием моделей грунта МС и HS. Описания данных моделей приведены выше. В дополнение к этому необходимо отметить, что расчеты с грунтами, описываемыми моделью МС, выполнялись для двух вариантов. В первом варианте для описания деформационных характеристик грунтов использовался модуль общей деформации грунтов. Как говорилось выше, при описании грунтов такими характеристиками в процессе откопки образуются значительные зоны разуплотнения, что плохо корреспондирует с реальными условиями и в результате дает значительные перемещения конструкции ограждения. Для корректировки данного явления во втором варианте деформационные характеристики грунтов описывались двумя модулями деформации. Для грунтов, подверженных сжатию, применялся модуль общей деформации, а для грунтов, подверженных разгрузке (основание котлована и зона массива за «стеной в грунте»), применялся так называемый упругий модуль деформации. В результате расчетов с моделью грунта МС получено, что максимальные горизонтальные перемещения конструкции ограждения котлована составляют 21.5 см (рис. 3.10 – 3.11) при описании деформационных характеристик грунтов модулем общей деформации. Изгибающие моменты в «стене в грунте» составляют в этом случае 3530 кНм

Результаты всех расчетов конструкции ограждения котлована под защитой монолитной железобетонной «стены в грунте» с креплением пятью рядами грунтовых анкеров, выполненные аналитически с использованием программы Wall-3, а также методом конечных элементов с использованием программного комплекса Plaxis, сведены в таблицу

Как видно из таблицы 3.1, значения усилий и перемещений конструкции ограждения котлована, полученные в результате расчетов, имеют существенный разброс. Максимальные перемещения ограждающей конструкции получены при расчетах методом конечных элементов в программном комплексе Plaxis с использованием модели грунта Мора-Кулона, при котором деформационные характеристики грунта описывались одним модулем деформации. Как отмечено выше, эти значения плохо корреспондируют с реальной ситуацией ввиду образования областей сильного разуплотнения грунта в зоне дна котлована и за «стеной в грунте». Наиболее достоверные значения перемещений «стены в грунте», на наш взгляд, можно получить при расчетах с использованием модели Мора-Кулона, применяя модули деформации нагрузки и разгрузки, а также с использованием модели упрочняющегося грунта Hardening Soil. Максимальные значения изгибающих моментов получены при расчете ограждающей конструкции методом конечных элементов в программном комплексе Plaxis с использованием модели упрочняющегося грунта Hardening Soil. Относительно низкие значения изгибаемых моментов, получаемые в результате выполнения аналитических расчетов в программном комплексе Wall-3 с прочностными характеристиками грунта, полученными при неконсолидированно-недренированных испытаниях, можно объяснить тем, что в соответствии с результатами инженерно-геологических изысканий значения сu значительно выше значений параметров прочности с и w, получаемых при консолидировано-дренированных испытаниях.

Таким образом, учитывая существенный разброс значений перемещений конструкции ограждения котлована и возникающих в ней усилий, можно сделать следующие выводы.

1. При расчете ограждения котлована необходимо учитывать процессы уплотнения и разуплотнения грунта, принимая при этом соответствующие модули деформации.

2. Для определения перемещений конструкции ограждения котлована расчеты рекомендуется выполнять методом конечных элементов (например, в программном комплексе Plaxis с использованием модели упрочняющегося грунта Hardening Soil)

3. Усилия, возникающие в конструкции ограждения котлована, рекомендуется определять методом конечных элементов (например, в программном комплексе Plaxis с использованием модели упрочняющегося грунта Hardening Soil) при характеристиках грунта, полученных как при консолидировано-дренированных испытаниях, так и при испытаниях по неконсолидировано-недренированной схеме. Расчетные усилия, возникающие в конструкции ограждения котлована, следует принимать по наихудшему варианту.

После выполнения инженерно-геологических изысканий 1-го и 2-го этапов строительства многофункционального комплекса следует произвести сравнительный анализ характеристик грунтов и, при необходимости оптимизировать проектные решения.

• Назад
• Вперёд