Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Для условий открытой системы при одностороннем промерзании будут справедливы выражения (3)-(6). При наличии же двух фронтов промерзания и возможности бокового расширения общий миграционный поток влаги в образец извне усиливается, что приводит к увеличению суммарной деформации пучения по сравнению с односторонним процессом. Для этого случая выражение (7) может быть записано в следующем виде:

f fhv f fhh ( f fh0 / 2) , (8)

где Δχ – безразмерный коэффициент, учитывающий увеличение миграционного потока влаги, в наших экспериментах Δχ=1.4.

Зависимости (1)-(8) позволяют аналитически описать напряженнодеформированное состояние промерзающего пучинистого грунта в неодномерной постановке при любых условиях промерзания и пучения.

2.2. Численная реализация оценки напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта

Для определения сил и деформаций морозного пучения грунта численным методом выбрана программа Termoground, разработанная геотехниками группы компаний «Геореконструкция»: С.А. Кудрявцевым, В.Н. Парамоновым, И.И. Сахаровым, К.Г. Шашкиным [2, 6] и включенная в программный комплекс FEM Models. Программа состоит из двух блоков: теплофизического

ифизико-механического. В первой части решается задача процесса промер- зания-оттаивания с помощью уравнения теплопроводности. Здесь же устанавливается влажность мерзлого грунта за счет воды, первоначально находящейся в порах, а также мигрировавшей из подстилающих талых слоев. На основании распределения суммарной влажности на каждый период времени во второй части программы устанавливаются величины деформаций и напряжений морозного пучения грунта. Благодаря тому, что программа Termoground способна решать задачу морозного пучения на основании реального распределения температур и влажностей в каждом конечном элементе, повышается точность вычисления параметров напряженнодеформированного состояния пучащегося грунта во всем спектре температур от начала замерзания до прекращения пучения. Этот факт является безусловным достоинством численного метода, поскольку аналитически весьма затруднительно установить температурно-влажностные поля (а, следовательно,

иколичество незамерзшей воды) даже в одномерном грунтовом пространстве, не говоря уже о двух- и трехмерном.

Достоверность получаемых с помощью программы Termoground результатов неоднократно подтверждалась путем моделирования реально имевших место в строительной практике ситуаций и сопоставления результатов расчета с наблюдениями, в том числе в трехмерном грунтовом пространстве совместно с надземным сооружением. В задачах преимущественно рассматривались условия одностороннего пучения. Возможности программы по

331

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

реализации неодномерного пучения были недостаточно протестированы. Правомерность использования выбранной программы для описания двухстороннего пучения грунта подтверждалась с учетом применения экспериментального коэффициента анизотропии морозного пучения.

В результате сравнения расчетных воздействий пучения, полученных по обеим представленным методикам, с нашими экспериментальными данными была получена вполне удовлетворительная сходимость (большая часть результатов составляет от 70 до 130 % от измеренных величин), что позволяет их использовать для прогноза параметров напряженно-деформированного состояния промерзающего пучинистого грунта при взаимодействии с фундаментами сооружений в неодномерной постановке.

3. Методика расчета теплоизолированного фундамента по деформациям пучения

В работе [3] было показано, что для районов глубокого сезонного промерзания при заложении подошвы фундаментов в сезонномерзлом слое зачастую затруднительно полностью сохранить грунт в основании здания в талом состоянии за счет применения теплоизоляции. Следовательно, универсальный подход по назначению параметров теплоизоляции вне зависимости от грунтовых условий здесь будет нерационален. Поэтому оптимальным в таком случае является расчет теплоизолированных фундаментов по допустимым деформациям пучения. Для фундаментов, возводимых на промерзающих пучинистых грунтах, нормативными документами установлены требования по предельным деформациям пучения [5]:

где f fhp – расчетная величина подъема основания от пучения грунта под фундаментом с учетом давления под его подошвой; pfh – расчетная относитель-

ная деформация пучения грунта основания под фундаментом; Su , ( LS )u –

соответственно предельные величины подъема и относительной деформации основания, зависящие от конструктивных особенностей здания, приведены в табл. 2 [5].

При расчете и проектировании теплоизолированных фундаментов рекомендуется соблюдать следующий алгоритм действий.

1. Определение глубины заложения фундамента, расчетного сопро-

тивления грунта и размеров подошвы. Глубина заложения теплоизолированного фундамента может быть минимальной. Она определяется только конструктивными соображениями и инженерно-геологическими условиями пло-

332

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

щадки строительства. При определении расчетного сопротивления основания рекомендуется для сезонно промерзающего слоя использовать прочностные характеристики грунта в оттаивающем состоянии.

2.Расчет осадки фундамента. Производится теми же способами, что

идля фундаментов на талых грунтах.

3.Определение глубины промерзания под подошвой фундамента без устройства теплоизоляции. Производится теплотехническим расчетом с использованием численных методов.

4.Определение воздействий морозного пучения на фундаменты здания без устройства теплоизоляции. Используются аналитические формулы

(1)–(8) или программа Termoground.

Для получения наиболее достоверных результатов при вычислении воздействий морозного пучения на конструкции здания расчеты следует проводить для системы «здание-основание», т. е. с учетом пространственной совместной работы всех конструкций сооружения. Такой расчет наиболее рационально выполнять численными методами с применением трехмерного моделирования. Поэтому в этом случае рекомендуется применять программу Termoground, которая позволяет рассматривать процесс промерзания и пучения грунта в основании не отдельного фундамента, а целого здания, что повышает достоверность расчетов.

5.Оценка полученных воздействий и предварительное назначение па-

раметров теплоизоляции. Производится из условия непревышения допустимых деформаций пучения, а также проверки устойчивости и деформируемости стен заглубленной части сооружения на воздействие горизонтального давления морозного пучения.

6.Определение глубины промерзания под подошвой фундамента с учетом устройства теплоизоляции. См. п. 3.

7.Определение воздействий морозного пучения на фундаменты здания

сучетом устройства теплоизоляции. См. п. 4.

8.Повторная оценка полученных воздействий. См. п. 5.

С целью демонстрации предложенной методики расчета теплоизолированных фундаментов по деформациям пучения были выполнены определения параметров теплоизоляции ленточных фундаментов, представленных на рис. 1, для зданий различной этажности, с подвалом и бесподвальных в климатических условиях Братского района Иркутской области. В примере принята конструктивная схема зданий – бескаркасная с несущими кирпичными стенами без армирования кладки. Теплоизоляция – экструдированный пенополистирол, теплопроводность λh = 0.04 Вт/(м·°С). Поскольку формат статьи не позволяет привести все расчетные выкладки, ограничимся лишь результатами (табл. 1).

333

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 1. Сечения по наружной стене здания для примера расчета: а – бесподвальное здание; б – здание с подвалом

Таблица 1

Параметры теплоизолированных фундаментов, рассчитанных по деформациям пучения, для района глубокого сезонного промерзания

Примечания: 1. Для фундаментов, глубины заложения которых превышают наибольшие указанные в таблице для каждого типа здания менее, чем на 0.5 м, размеры теплоизоляции принимаются как для наибольшей глубины заложения.

2.Для фундаментов, глубины заложения которых превышают наибольшие указанные в таблице для каждого типа здания на 0.5 м и более, устройство теплоизоляции не требуется.

3.Для угловых зон отапливаемых зданий на участке не менее 2 м с каждой стороны толщину теплоизоляции следует увеличивать в 1.5 раза относительно приведенных в таблице значений.

334

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Выводы

1.Для определения сил и деформаций морозного пучения грунта в неодномерной постановке на основании выполненных экспериментальных исследований произведена адаптация известной аналитической методики Карлова В.Д., изначально предназначенной для условий одностороннего промерзания и пучения. Альтернативой этому способу может служить численный расчет с использованием метода конечных элементов в программе Termoground. При этом НДС промораживаемого основания в условиях одностороннего и всестороннего промерзания устанавливается с учетом анизотропии деформаций морозного пучения, характеризуемой экспериментально определяемым коэффициентом анизотропии пучения ψа.

2.Предложена методика расчета теплоизолированных фундаментов по допустимым деформациям пучения с учетом давления под их подошвой от вышележащих конструкций, составлен алгоритм действий проектировщика. Показано, что при проектировании теплоизолированных фундаментов зданий

сподвалом необходимо учитывать дополнительное горизонтальное давление грунта, промерзающего у его боковой поверхности и обладающего свойством анизотропии пучения.

3.На основании предложенной методики выполнен подбор параметров теплоизоляции фундаментов зданий различной этажности с подвалом и бесподвальных. Результаты указывают на существенную роль учитываемых

врасчете факторов.

Литература

1.Карлов, В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах / В.Д. Карлов. – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – 362с.

2.Кудрявцев, С.А. Геотехническое моделирование процесса промерзания и оттаивания морозоопасных грунтов / С.А. Кудрявцев. – СПб., М.: АСВ, 2004. – 37с.

3.Мельников, А.В. Влияние теплоизоляции фундаментов на изменение температурного режима сезонно промерзающего основания в районе глубокого сезонного промерзания / А.В. Мельников // Вестник гражданских инженеров. – СПб., 2012. – №6(35). –

С.77-83.

4.Мельников, А.В. Экспериментальное изучение сил и деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях / А.В. Мельников, И.И. Сахаров // Актуальные проблемы науки о земле: материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов. – СПб.: СПбГАСУ, 2012. –

С. 86-90.

5.Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах / НИИ оснований и подзем. сооружений им. Н.М. Герсеванова. –

М., 1985. – 60с.

6.Kudryavtsev, S.A. Numerical forecast of freezing, heave and thawing of soils under footings in three-dimensional mode / Kudryavtsev S.A, Sakharov I.I., Paramonov V.N // Proceeding of the fifth International symposium on permafrost engineering. Vol.1. – Yakutsk: Permafrost Institute Press, 2002. – P.198-202.

335

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

УДК 624.195

М.Г. Зерцалов (МГСУ, Москва),

Д.С. Конюхов, Д.В. Устинов (ООО «НИЦ «Тоннельной ассоциации», Москва), А.Н. Симутин, И.Н. Хохлов (НИиПИ ТС ОАО «Мосинжпроект», Москва)

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОЯЩЕГОСЯ МНОГОЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ И СООРУЖАЕМЫХ ПОД НИМ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА

Отличительной особенностью современного городского транспортного строительства является стремление к освоению подземного пространства. В этом случае при проектировании зданий и транспортных сооружений, а также при выполнении работ нулевого цикла в условиях плотной городской застройки, как проектировщикам, так и подрядным организациям необходимо решать сложные геотехнические проблемы, связанные с соблюдением условий нормальной эксплуатации транспортных сооружений и сооружений окружающей городской застройки. Строительство новых линий метрополитена ведется в условиях сложившейся городской застройки, наличия большого количества существующих подземных коммуникаций и конструкций, вблизи существующих зданий.

При проектировании сооружений метрополитена, располагаемых в пределах застроенных территорий, необходимо производить геотехнический прогноз (оценку) влияния нового строительства на существующие (строящиеся) объекты городской застройки. Полученные по результатам оценки влияния значения радиуса зоны влияния и дополнительных деформаций оснований и фундаментов зданий окружающей застройки позволяют определить необходимость применения защитных мероприятий по обеспечению их сохранности в период строительства и последующей эксплуатации. Подробный анализ инженерно-геологических условий и инженерностроительной ситуации позволяют принять проектное решение и определить объемы этих мероприятий.

Одним из таких примеров является проект гостинично-офисного комплекса переменной этажности располагающийся над строящейся веткой метрополитена.

Конструктивная схема здания представляет собой железобетонный монолитный безригельный каркас с шахтами лифтов и лестничными клетками, служащими ядрами жесткости. Надземная часть комплекса представляет собой в плане четырёхугольник неправильной формы с размерами 180 150 м. Здание в плане разделено деформационно-осадочными швами на прямоугольные секции с шириной рядовой секции около 20 м. Подземная часть здания имеет глубину заложения 8 м, представлена двумя этажами, расположенными под многоэтажной частью, и одним этажом, расположенным под

336

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

территорией дворовой части. Многоэтажная часть переменой этажности (13–15 этажей) разделена на 7 осадочных блоков с размерами в плане от 50 до 80 м (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположение комплекса и тоннелей в плане

Тоннели сооружаются с использованием тоннелепроходческого механизированного комплекса из сборной высокоточной водонепроницаемой железобетонной обделки Dн/Dвн = 6,3/5,7 м.

Инженерно-геологические условия площадки характеризуются следующими отложениями (сверху вниз): пески мелкие (мощность слоя ≈10 м); суглинки (6–10 м); полутвердые глины (10–14 м); известняки (≈3 м); полутвердые глины (6–9 м).

Гидрогеологические условия площадки характеризуются наличием грунтовых вод на глубине 7,5 м.

При строительстве этого комплекса сооружений можно выделить несколько характерных этапов. Первый этап — строительство левого перегонного тоннеля с использованием ТПМК с активным пригрузом забоя. Второй этап – строительство подземной части и четырех надземных этажей здания. Третий этап – после завершения строительства подземной части и четырех надземных этажей здания ведется проходка правого перегонного тоннеля, при этом работы по достройке надземной части здания производятся одновременно с сооружением правого перегонного тоннеля. Четвертый этап – завершение строительства многоэтажного комплекса.

Каждый из этапов строительства характеризуется изменением напря- женно-деформированного состояния конструкций сооружений и окружающего грунтового массива. Первый этап строительства характеризуется изменением НДС массива вследствие проходки левого перегонного тоннеля. На втором этапе определяющее значение имеет влияние строительства подземной части здания и нескольких надземных этажей на участок сооруженного

337

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

левого перегонного тоннеля. При анализе третьего этапа строительства необходимо оценить взаимное влияние проходки правого перегонного тоннеля на основание и конструкции подземной и надземной частей здания, а также изменение НДС конструкции обделки перегонного тоннеля при увеличении нагрузок от строительства надземной части здания. При анализе четвертого этапа строительства оцениваются величины дополнительных внутренних усилий и деформаций, возникающих в конструкциях обделок перегонных тоннелей метрополитена от приложения нагрузок эксплуатационного периода.

Рис. 2. Расчетная схема в ПВК Z_Soil

Описанная выше задача была решена в трехмерной постановке с помощью метода конечных элементов (численный метод решения задач механики сплошной среды) с использованием современного программновычислительного комплекса Z_Soil v 11.15 (рис. 2). Исходя из фактических инженерно-геологических условий, а также конструктивных характеристик строящихся сооружений, заданных проектом и последовательности их возведения были составлены расчетные модели, включившие в себя:

грунтовый массив с заданными физико-механическими характеристиками, соответствующими фактическим инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям площадки строительства;

проектируемые конструкции сооружений метрополитена и многоэтажного комплекса, размещенные в пространстве в соответствии с их фактическим взаимным расположением;

последовательность проходки тоннелей, разработки котлована и строительства жилого комплекса, отражающую все основные этапы возведения комплекса сооружений.

По результатам расчета было проведено исследование и анализ напря- женно-деформированного состояния обделки проектируемых сооружений

338

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

метрополитена, основания и подземной части жилого комплекса, который показал, что эксплуатационная надежность и безопасность проектируемых сооружений метрополитена не обеспечена в принятом проектом варианте, в связи с предполагаемыми сверхнормативными деформациями в обделке тоннелей метрополитена.

В целях исключения возможных деформаций обделки тоннелей при строительстве гостинично-офисного комплекса был рассмотрен вариант, предусматривающий устройство свайно-ростверкового основания под многоэтажными секциями комплекса, находящимися над проектируемой трассой метрополитена (рис. 4). Данное проектное решение было включено в расчетную модель.

Рис. 3. Фрагмент расчетной схемы с свайно-ростверковым основанием

По результатам расчета был сделан вывод, что свайно-ростверковое основание позволило передать нагрузку от строящегося комплекса на нижележащие слои прочных скальных грунтов, залегающих ниже конструкций перегонных тоннелей, тем самым уменьшив дополнительные деформации до 1 мм (рис. 4 II) и исключив сверхнормативные внутренние усилия в обделках проектируемых тоннелей метрополитена, обеспечивая при этом их сохранность.

Возможная неравномерная осадка подземной части секций здания, в пределах которой не устраивалось свайно-ростверковое основание была вычислена в ходе расчета, после чего произведена корректировка расположения и количества свай в устраиваемом искусственном основании таким образом, чтобы осадка всего комплекса была равномерной и не превышала нормативных величин.

339

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Рис. 4. Эпюры дополнительных перемещений в обделке тоннелей на момент окончания строительства комплекса без (I)

и с устройством свайно-ростверкового (II) основания

Предложенная комплексная методика оценки взаимного влияния строительства сооружений в условиях плотной городской застройки позволяет производить анализ изменения НДС конструкций сооружений и грунтового массива с достаточной степенью точности и оценивать сохранность зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния нового строительства. Данный метод оценки влияния позволяет уточнить проектные решения и произвести их корректировку на всех этапах проектирования и строительства. Сравнительный анализ вариантов проектирования при использовании аппарата математического моделирования геотехнических процессов позволяет принимать оптимальные решения с точки зрения надежности эксплуатации строительных конструкций и минимальных финансовых затрат при корректировке проектной документации и производстве строительно-монтажных работ.

340