Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2012

Численные методы расчетов в практической геотехнике

ляются в зависимости от соотношения расчетной осадки основания фундамента и предельной осадки

При расчете по второй группе предельных состояний нормативные документырегламентируют предельную величинудополнительной осадки иотносительную разность осадок при реконструкции зданий [2]. При этом также возникает вопрос определения дополнительных осадок.

Методикарасчетадополнительныхосадокприведенаврекомендациях[7]. Для определения дополнительной осадки предварительно необходимо провести статическиеиспытаниясвай,изкоторыхопределитьначальнуюжесткостьикритическую нагрузку на сваю. Однако не всегда есть возможность провести испытания свай до начала проектирования и производства работ.

Согласно указанным рекомендациям принадстройкедополнительных этажейзданиявыполняетсярасчетдополнительныхосадок,исходяиздействиятолько дополнительных нагрузок.

Другим открытым вопросом при проектировании усилений фундаментов является необходимость учета несущей способности грунтов в основании существующих фундаментовприрасчете несущей способностисвай.Расчетнесущей способностисвайможетвыполнятьсялибополнуюнагрузку,либотольконадефицит нагрузки (с учетом несущей способности существующего фундамента). Нам кажется, что второй вариант является более правильным, хотя для повышения общего коэффициента запаса на сваи можно передавать всю нагрузку от здания.

Таким образом, проектирование усиления фундаментов при реконструкции являетсядостаточносерьезнойзадачей,решениекоторойинженернымиметодами вызывает ряд вопросов и требует применения численного моделирования.

Инженерныеметодырасчета

По результатам проверочных расчетов по СП «Основания зданий и сооружений»[2] получено превышениенагрузки послереконструкции над расчетным сопротивлением R. В связи с этим принято решение об усилении фундаментов грунтоцементными сваями.

При расчете нагрузки на сваю учитывалась несущая способность существующих фундаментов (с коэффициентом совместной работы 0,9). Расчетное сопротивление грунтов основания рассчитано по СП без увеличения в процессе длительного уплотнения и обжатия.

Шаг свай при длине 10,0 м принят равным от 1,7 до 3,0 м в зависимости от нагрузкипо разнымучасткам. По результатам расчетовнесущая способность грунтоцементнойсваидиаметром700 ммсоставила1217кН,допустимаянагрузка–870кН.

Выполненрасчетосадокусловногофундаментаотдополнительнойнагрузки по СП «Свайные фундаменты» [3]. По результатам расчета дополнительная осадка составила 1,6–1,9 см.

П.А. Малинин, П.В. Струнин, А.С. Плотников

Расчет численнымиметодами

Для сопоставления инженерного подхода к расчету осадки был произве- денрасчетнапряженно-деформированногосостояниясистемы «грунтовоеосно- вание–фундамент–сооружение»спомощьюметодаконечныхэлементов(МКЭ) в программном комплексеAlterra компании GeoSoft.

Рис. 2. Конечно-элементная модель

Мощность сжимаемой толщи была принята из расчета осадки свайного фундамента по СП и составила 5,0 м от подошвы свай.

Грунтовый массив задавался упруго-пластической моделью с критерием прочности Кулона-Мора. При расчете модуль деформации грунта при разгрузке принимался в 5 раз выше модуля деформации при нагрузке (модель упрочнения). Расчетная конечно-элементная схема приведена на рис. 2.

Для моделирования нагружения грунтового основания расчет был разбит на следующие этапы:

Этап №0. Моделирование исходного напряженно-деформированного состояния грунтового массива до строительства здания.

Этап №1. Возведения существующего здания (до реконструкции). Этап №2. Устройство грунтоцементных свай для усиления фундаментов. Этап №3. Увеличение нагрузок от дополнительных этажей.

Дополнительные осадки здания, возникающие после увеличения нагрузок, определялись как разница осадок на этапе №3 и№1 исоставили 2,1–2,2 см (рис. 3), что не превышает предельно допустимую величину для данной категории здания.

Отметим, что полученные значения осадок всего лишь немного больше осадок, полученных по нормативным документам.

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Рис. 3. Дополнительные осадки фундаментов, м

Испытаниягрунтоцементныхсвай

Дляподтверждениянесущейспособностигрунтоцементныхсвайнаобъекте выполнены статические испытания 2-х опытных свай длиной10,0 м на нагрузку 1064 кН. Испытания проведены компанией МПО «РИТА» (г. Москва) (рис. 4).

Рис. 4. Статическое испытание грунтоцементной сваи

П.А. Малинин, П.В. Струнин, А.С. Плотников

Результаты проведенных испытаний показаны на графике осадка-нагрузка (рис.5).Каквидноизграфика,осадкасоставила2,2 см,такимобразом,результаты натурных испытаний подтвердили расчетное значение несущей способности грунтоцементных свай.

Кромеиспытаниясвай,приустройстверабочихсвайвыполненотбор грун- тоцементнойпульпывобразцы-кубыиихиспытание.Прочностьнасжатиегрун- тоцемента составила 3,6–6,3 МПа, средняя прочность – 4,7 МПа.

Рис. 5. График осадки при испытании грунтоцементной сваи

Выводы

1.Определение величины дополнительной осадки здания при надстройке дополнительных этажей лучше выполнять численными методами. Расчет осадки здания при реконструкции по нормативным документам имеет ряд вопросов.

2.При расчете осадки рекомендуется учитывать только дополнительную нагрузку от надстроенных этажей. Расчет на полную нагрузку от всего здания приводит к дополнительным запасам.

Численные методы расчетов в практической геотехнике

3.Рекомендуется учитывать несущую способность существующих фундаментов при усилении фундаментов сваями.

4.Очередной успешный опытусиленияфундаментовздания грунтоцементными сваями показал возможность применения технологии струйной цементации для решения данных задач.

Литература

1.Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. М.: Стройиздат, 2010.

2.СП 22.13330.2011. «Основания зданий и сооружений». М., 2011.

3.СП 24.13330.2011. «Свайныефундаменты». М., 2011.

4.Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.:ВНИИНТПИ,

2000.

5.Полищук А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий. – Нортхэмтон: SST; Томск: SST, 2004.

6.Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Стройиздат Северо-Запад, 2010.

7.Рекомендации по применению буроинъекционных свай, М.: НИИОСП, 1984.

8.ГОСТ 5686–94. «Грунты. Методы полевых испытаний сваями».

УДК 624.15

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков,С.В. Ланько

(СПбГАСУ, г. Санкт-Петербург)

ЧИСЛЕННОЕМОДЕЛИРОВАНИЕШПУНТОВОГООГРАЖДЕНИЯ КОТЛОВАНАСУЧЁТОМВЛИЯНИЯГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

При строительстве подземных сооружений в условиях плотной застройки г. Санкт-Петербург одним из основных требований к проектному решению ограждения котлованов является минимизация деформаций окружающей застройки. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга применяются следующие типы ограждений (рис. 1):

•шпунтовое ограждение (корытного, полукруглого и др. профиля);

•касательные и буросекущиеся железобетонные сваи;

•траншейная стена в грунте.

Как показывает практика, деформации окружающей застройки зависят от горизонтальных перемещений шпунтового ограждения. Металлический шпунт обладаетбольшойгибкостью,следовательно,однимизвариантов снижениягибкости шпунта является устройство анкерного или распорного крепления в несколько ярусов. В настоящее время широкое распространение получил метод устройства подземных сооружений по технологии «Top-Down».

124

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько

Рис. 1. Схемы устройства ограждений котлованов:

а – «стена в грунте» из касательных свай; б – «стена в грунте» из секущихся свай; в – траншейная «стена в грунте»; г – шпунтовое ограждение; 1 – замыв швов с помощью струйной технологии; 2 – шпонка из буроинъекционной сваи; 3 – захватка первой очереди; 4 – захватка второй очереди

Ещё одним из вариантов снижения горизонтальных перемещений ограждения является увеличение жёсткости шпунтового ограждения по технологии струйной цементации. После устройства шпунтового ограждения, с внешней сторонышпунтовогоограждениявыполняетсяустройствогрунтоцементныхсвай с определённым шагом для создания сплошной стены в грунте. Крайние ряды свай армируются прокатными профилями или стальными трубами. Таким образом возможно получение сплошной стены в грунте, где шпунт и армирующий элемент служат в качестве «жёсткой арматуры» (рис. 2).

Рис. 2. Увеличение жёсткости шпунтового ограждения с помощью технологии струной цементации

Однако, при проектированиитакого типа ограждения существуют проблемы, связанные с созданием расчётной схемы:

125

Численные методы расчетов в практической геотехнике

•геометрические и механические характеристики грунтоцемента;

•обеспечение совместной работы шпунтового ограждения и армирующего элемента;

Метод расчёта комбинированной «стены в грунте» был предложен д.т.н., проф. Фадеевым А.Б. Им был произведён расчёт для котлована, глубиной 8,0 м

идлиной шпунта 15,0 м,в однородных грунтовыхусловиях (Е = 8 МПа, ϕ =14о, с =10кПа).По результатам расчётов былоустановлено,чтоперемещенияограждения при использовании такого варианта снижаются втрое. Сущность метода заключается в следующем: вся стена рассматривается как условная железобетонная балка с жёсткой арматурой в виде стального шпунта с одной стороны и стального двутавра с другой. Ось такой балки в расчётах принимается по центру сечения стены в грунте. Для расчёта рассматривается участок шириной 1 м (рис. 3).

Рис. 3. Расчётная схема условной балки

Численное моделирование шпунтового ограждения выполнено для инже- нерно-геологических условий, характерных для центральной части г. СанктПетербурга (рис. 4). Физико-механические характеристики грунтов представленывтабл.1.Расчётнаясхемакотлованапредставленанарис.4. Глубинакотлована составляет 11 м, в верхней части предусматривается один ряд распорок на глубине1,5 м.В зонеустановкераспорногокрепления,устроенжелезобетонный ростверк для объединения шпунта и армирующего элемента.

126

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько

Какпоказалпрактическийопытрасчётовкотлованов,вкачествеоптимальной модели грунта в ПК Plaxis следует использовать модель упрочняющегося грунта (Hardening Soil Model), так как при использовании модели типа КулонаМора величина подъёма дна котлована получается завышенной в несколько раз.

Рис. 5. Расчётная схема здания и котлована без горизонтальной диафрагмы

Рис. 6. Расчётная схема здания и котлована с устройством горизонтальной диафрагмы

129

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Расчётная схема №1

Рис. 7. Схема №1. Деформированная схема ограждения

Рис. 8. Схема №1. Изолинии горизонтальных перемещений

По результатам расчётов, при устройстве только шпунтового ограждения максимальноегоризонтальноеперемещениеограждениясоставляет96,6мм.Как видно из деформированной схемы и схемы изолиний горизонтальных перемещений, зона максимальных смещений располагается вблизи дна котлована.

Ниже дна котлована моделируется горизонтальная диафрагма, толщиной 2 м.

130

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько

Расчётная схема №2

Рис. 9. Схема №2. Деформированная схема ограждения

Рис. 10. Схема №2. Изолинии горизонтальных перемещений

Максимальное перемещение ограждения составило 75,9 см. Таким образом, горизонтальная диафрагма ниже дна котлована снижает горизонтальные деформации на 20,7 мм.

131

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Расчётная схема №3

Рис. 11. Схема №3. Деформированная схема ограждения

Максимальныегоризонтальныеперемещенияограждениякотлованасоставляет20,3мм.Такая схеманаиболееудобнаприпроектированииогражденийкотлованов, так как в этом случае не требуются прочностные и деформационные характеристики грунтоцемента. Как указывалось выше, грунтоцемент является лишь связующейматрицейдляфиксациипространственногоположенияэлементов армирования (двутавров) и шпунтового ограждения. Максимальные горизонтальные смещения ограждения также наблюдаются в зоне дна котлована.

Рис. 12. Схема №3. Изолинии горизонтальных перемещений

132

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько

Расчётная схема №4

Рис. 13. Схема №4. Деформированная схема ограждения

Рис. 14. Схема №4. Изолинии горизонтальных перемещений

Максимальные перемещения ограждения котлована составляют 18,3 мм. Влияние горизонтальнойгрунтоцементнойдиафрагмы на горизонтальные перемещения ограждения в этом случае меньше, чем при шпунтовом ограждении. Это объясняется увеличением жёсткости конструкции ограждения, которое оказываетосновноевлияниена снижениегоризонтальныхдеформацийшпунтового ограждения.

133

Численные методы расчетов в практической геотехнике

Расчётная схема №5

Рис. 15. Схема №5. Деформированная схема ограждения

Рис. 16. Схема №5. Изолинии горизонтальных перемещений

Максимальное перемещение ограждения составляет 22,7 см. Перемещения по схеме 5незначительно отличаютсяотзначенийпо схеме 3. По сравнению со схемами 1 и 2 перемещения ограждения снизились практически в 4 раза, однако, в данном случае требуются характеристики грунтоцемента, что осложняет решение данной задачи.

134

Р.А. Мангушев, В.В. Конюшков, С.В. Ланько

Расчётная схема №6

Рис. 17. Схема №6. Деформированная схема ограждения

Рис. 18. Изолинии горизонтальных перемещений

Максимальные горизонтальные перемещения составляют 17,7 мм. Для сравнения значения моделируемой задачи сведены в табл. 3.

135

Численные методы расчетов в практической геотехнике

По результатам расчётов можно сделать следующие выводы:

1.Прирасчёте ипроектировании огражденийкотлованов основное влияние на снижение горизонтальных деформаций оказывает увеличение жёсткости самого ограждения;

2.Прирасчётекомбинированногоограждения,выполненногоспомощью струйной технологии, возможно использовать расчётную схему без учета грунтоцемента, при этом величина горизонтальных деформаций незначительно отличаются;вданномслучаегрунтоцементобеспечиваетсовместнуюработушпунтового ограждения и двутавров, т. е. грунтоцемент играет роль жёсткой «забирки» между двутаврами, тем самым перераспределяя активное давление грунта.

3.Горизонтальнаягрунтоцементнаядиафрагмаоказываетнезначительное снижение горизонтальных деформаций при расчёте комбинированной стене

вгрунте,вслучаепростогошпунтового ограждения,деформацииснижаютсяпримерно на 20 %.

УДК 624.13

С. И. Алексеев, Д. Н. Понедельников (ПГУПС, Санкт-Петербург)

МАТЕМАТИЧЕСКОЕМОДЕЛИРОВАНИЕРАБОТЫШПУНТОВОГО ОГРАЖДЕНИЯСИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯВ СВЯЗНЫХГРУНТАХ

Последние годы в Санкт-Петербурге активно ведутся строительство и реконструкция зданий в центре города,к уже существующим зданиям пристраиваются новыездания– «встройки», вкоторыхчасто предусматриваетсястроительство подземных гаражей. Однако физико-механические, в частности, деформа-

136

С. И. Алексеев, Д. Н. Понедельников

ционные свойства слабых глинистых грунтов, расположенных в пределах селитебной территории Санкт-Петербурга, зачастую не могут рассматриваться в качестве надежного основания. Их мощность может доходить до полутора десятковметров.Пристроительственовыхзданийисооруженийэтигрунты неизбежнововлекаютсявзонутехногенноговоздействия.Онихарактеризуютсяналичием слоистости, повышенной деформативностью, анизотропией свойств и фракционно изменяются от глин до супесей. В среднем по гранулометрическомусоставу они содержат: глинистых фракций – 17–53 %, пылеватых – 36–67 %, песчаных – 8–16 %, естественная влажность грунтов изменяется от 20 до 35 % [2].

Характерными грунтами, которые могут рассматриваться как слабые ос- нования,вСанкт-Петербургеявляются:переувлажненныесреднейислабойплот- ности, мелкозернистые (или пылеватые) пески и пылеватые супеси с выраженными плывунными свойствами, с содержанием органических примесей, пылеватыепереувлажненныеивлажные суглинкииглиныслабойисреднейплотности (иногда ленточного сложения). Коэффициент фильтрации этих грунтов, как правило, ниже2,0 м/сутки. Химическийсостав водныхвытяжекимеетбольшое разнообразие; pH грунтовой среды в среднем колеблется от 6 до 8.

Одним из способов закрепления данных грунтов является обработка грунта постоянным электрическим током, при действии которого происходит электроосмотическое осушение грунта, а инъекционные растворы проникают в него в ионном виде. В результате такой электрохимической обработки слабые глинистые грунты становятсяболее прочнымииводостойкими, а морозное выпучивание их значительно снижается [4].

Таким образом, исследования электрохимического способа закрепления грунта – является актуальной геотехнической задачей.

При строительстве сооружений в глубоких котлованах, стенки этих котлованов для создания устойчивости, обычно закрепляются шпунтовым ограждением. При послойной откопке котлована, давление на стенки ограждения будет увеличиваться со стороны неразрабатываемого грунтового массива. Вследствие этого возможно нарушение устойчивости грунтового массива, что может привести к развитию осадочных явлений окружающего грунта и сооружений, расположенных на нём.

Решениепоставленнойзадачисводитсякзакреплениюгрунтавосновании котлована, что позволит снизить как горизонтальные смещения шпунтового ограждения при откопке котлована, так и вертикальные деформации (осадки) окружающего грунта.

При проведении подобных работ в суглинках и глинах, имеющих большую водоудерживающую способность и незначительный коэффициент фильтрации, закрепление основания наиболее целесообразно производить электрохимическим методом.

Для определения эффективности предложенного способа при решении инженерно-геотехнической задачи связанной с откопкой глубоких котлованов

137

Численные методы расчетов в практической геотехнике

(6…10 м) было выполнено математическое моделирование реальной инженерной задачи в программном комплексе Fem models [6].

Постановказадачи.

Тоннельныйколлекторнаружнымдиаметром1,5м,выполненныйбестраншейным способом проходческим комплексом фирмы «Херренкнехт»на глубине 6 м, был предназначен для переключения стоков канализации, сбрасываемых в р. Карповку, на Северную станцию аэрации С.-Петербурга.

Строительствоколлекторавыполнялось вусловияхтеснойгородскойзастройки, вблизи от существующих зданий. Для обеспечения сохранности историческихзданийпри устройстве рабочих камер коллектора использовали короткое (9 м) шпунтовое ограждение, которое после производства работ оставалось

вгрунтовом массиве.Устройство подобныхкамер производилосьвслабыхводонасыщенных грунтах, типичный характер напластования которых может быть представлен следующим образом:

1)с поверхности до глубины 3 м залегают насыпные грунты техногенного происхождения (ИГЭ № 3);

2)ниже, мощностью до 2…3 м, грунты представлены пылеватой супесью

вмягкопластичном состоянии (ИГЭ № 4);

3)следующий слой – суглинок пылеватый, ленточный, текучей и текучепластичной консистенции, мощностью от 6 до 7,5 м (ИГЭ № 5);

4)ниже, мощностью до 4…5 м, пылеватая супесь в мягкопластичном состоянии сгнездамипеска,гравия игальки, с глубины 15…16 м – тугопластичная (ИГЭ № 5а).

По проекту производства работ (ППР) предполагалось расположить низ шпунтин в третьем слое грунта. Расчетами было установлено, что при уровне подземных вод на глубине 2 м от поверхности этот слой не будет надежным основанием, в том числе и по фильтрационным свойствам. В целях создания надежной противофильтрационной защиты (ПФЗ) и предотвращения возможного выпора грунта и осадки основания под окружающей застройкой, по днищу возводимого котлована на глубине 6 м от поверхности было предложено применить технологию электросиликатизации.

Воздействию электросиликатизацииподвергался слойпылеватого ленточного суглинка. Технология производства работ по улучшению свойств данного грунта осуществлялась в соответствии со схемой на рис 1.

Результат электрохимического закрепления грунта – улучшение (увеличе- ние)егофизико-механическихсвойств,котороезависитвпервуюочередьотвре- менипрохождениятока.Рассмотрим,в первом приближении,результат электрохимического закрепления в виде увеличения физико-механических характеристик грунтового основания на 10 % и проведём математическое моделирование геотехнической задачи (см. рис. 1) для улучшенных и исходных значений грунтовых условий.

138

С. И. Алексеев, Д. Н. Понедельников

Рис 1. Принципиальная технологическая схема производства работ по закреплению суглинка – грунтового днища сооружаемого котлована в шпунтовом ограждении и высоком уровне грунтовых вод

Математическое моделирование данной задачи было произведено со следующими расчётными характеристиками грунта (табл. 1).

Результаты моделирования без закрепления грунта (см. рис. 2–5).

139