Содержание к диссертации
Введение
1 Основные разработки в области исследования напряженно-деформированного состояния основания существующих зданий и применения мероприятий по обеспечению их сохранности 13
1.1 Причины изменения напряженно-деформированного состояния оснований существующих строений 13
1.2 Классификация специальных мероприятий по обеспечению сохранности существующих строений. Особенности применения ограждающих конструкций 14
1.3 Теоретические исследования влияния нового строительства на существующую застройку 17
1.4 Обзор экспериментальных исследований применения ограждающих конструкций в стесненных условиях строительства 24
1.5 Цели и задачи диссертационной работы 27
1.6 Предложения по расчету оптимальной глубины заложения разделительного ряда 28
2 Экспериментальное исследование работы разделительного шпунтового ряда в стесненных условиях строительства 31
2.1 Маломасштабный модельный эксперимент 31
2.1.1 Характеристики испытательной установки и моделей 32
2.1.2 Методика экспериментального маломасштабного моделирования 36
2.1.3 Изучение деформаций основания. Подбор оптимальных параметров шпунта 38
2.2 Экспериментальное исследование напряженно- деформированного состояния основания существующего здания, расположенного в зоне влияния нового строительства в лотковых условиях 44
2.2.1 Автоматизированная система научных испытаний фундаментов на песчаном основании 45
2.2.2 Методика экспериментального лоткового исследования 52
2.2.3 Изучение напряженно-деформированного состояния основания фундамента существующего здания 61
2.2.4 Развитие вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений в основании на всех стадиях нагружения моделей 66
2.3 Сравнение результатов маломасштабных и лотковых экспериментов 72
Выводы по второй главе 74
3 Численное моделирование влияния строительства нового здания на существующее с учетом работы разделительной стенки 76
3.1 Алгоритм расчета и параметры моделирования 76
3.2 Анализ полученных расчетных данных. Сравнение результатов экспериментального и численного моделирования 88
3.3 Актуализация предложений по подбору оптимальных параметров разделительного ряда 97
Выводы по третьей главе 103
4 Автоматизация расчета оптимальной глубины заложения разделительной стенки 104
4.1 Методика определения оптимальной глубины заложения разделительной стенки 104
4.2 Практическое применение программы «Расчет оптимальной глубины заложения разделительной стенки» в проектировании 122
4.3 Проверка принятой глубины заложения разделительной стенки 125
Выводы по четвертой главе 131
Общие выводы 132
Литература 133
- Классификация специальных мероприятий по обеспечению сохранности существующих строений. Особенности применения ограждающих конструкций
- Методика экспериментального маломасштабного моделирования
- Развитие вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений в основании на всех стадиях нагружения моделей
- Практическое применение программы «Расчет оптимальной глубины заложения разделительной стенки» в проектировании
Классификация специальных мероприятий по обеспечению сохранности существующих строений. Особенности применения ограждающих конструкций
В связи с дефицитом городских территорий строительство нередко приходится вести в стесненных условиях, что влечет за собой деформации исторически сложившейся застройки. На всех этапах нового строительства, от разработки котлована до отделки, основания и конструкции существующих строений получают деформации и разрушения, приводящие к нарушению их эксплуатационной пригодности. Поэтому главная задача возведения зданий в стесненных условиях – определение зоны негативного влияния производства основных строительных работ и разработка мероприятий, блокирующих это влияние. Для обеспечения сохранности существующих зданий возникает необходимость достоверного прогноза изменения напряженно-деформированного состояния основания под их фундаментами.
Дополнительные деформации окружающей застройки, вызванные новым строительством в непосредственной близости можно классифицировать по причинам их возникновения [50]. 1. Осадки, вызванные изменением напряженно-деформированного состояния грунтового массива от влияния нового строительства. 2. Осадки, вызванные температурными воздействиями в процессе устройства новых подземных сооружений. Они обычно проявляются в температурных деформациях распорок и ограждающих конструкций котлована, что вызывает дополнительные перемещения прилегающего грунтового массива. 3. Осадки, вызванные устройством ограждающих конструкций котлованов или грунтовых анкеров, усилением существующих зданий в потенциальной зоне влияния строительства. 4. Осадки, вызванные частичной разборкой здания или примыкающих зданий и сооружений. 5. Осадки, вызванные изменением гидрогеологической ситуации (водопонижением) в процессе строительства. 6. Осадки, вызванные нарушениями последовательности производства или технологии выполняемых работ. 7. Осадки, вызванные ударными или динамическими воздействиями на строительной площадке. 8. Осадки, вызванные длительными процессами в прилегающем грунтовом массиве, природа которых часто не может быть достоверно выявлена. К осадкам данной категории можно отнести осадочные процессы, связанные с утечками воды из подземных коммуникаций, суффозионные и карстовые процессы, "вековые" осадки и т.д.
Зная указанные выше причины появления дополнительных осадок существующих строений, расположенных в зоне влияния нового строительства, можно организовать мероприятия по их минимизации. В настоящее время существует несколько способов инженерной защиты существующей застройки.
Классификация специальных мероприятий по обеспечению сохранности существующих строений. Особенности применения ограждающих конструкций
Производство строительных работ в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений должно осуществляться с учетом специальных мероприятий по обеспечению сохранности существующих строений, решений по усилению и укреплению их фундаментов и основания, разработанных в результате анализа особенностей инженерно-геологических условий площадки, а также обследования состояния их строительных конструкций; мероприятий по мониторингу строящихся и существующих строений и прилегающего к ним подземного пространства [41].
Для обеспечения эксплуатационной пригодности зданий и сооружений, вблизи которых планируется новое строительство, применяются различные методы их защиты [50]: - фундаменты на естественном основании: усиление оснований, увеличение опорной площади, устройство перекрестных лент или фундаментной плиты, укрепление фундаментной плиты, усиление сваями различных видов (буроинъекционными, буронабивными, составными вдавливаемыми, забивными); - свайные фундаменты: усиление (ремонт) свай, устройство дополнительных свай с уширением ростверков, изменение конструкции свайного фундамента за счет пересадки несущих конструкций на дополнительные сваи со значительно большей несущей способностью, устройство перекрестных лент или сплошной железобетонной плиты на свайных фундаментах, уширение ростверков, усиление тела ростверков; - ограждающие конструкции (забирка, шпунт, стены в грунте различных конструкций и способов их изготовления); - предварительное закрепление грунтов различными способами (цементация, смолизация, буросмесительный метод и т.п.) в зонах сопряжения реконструируемого и нового сооружения; - использование конструктивных решений, не создающих дополнительных воздействий на существующие конструкции (решения консольного типа со сваями, применение вдавливаемых и завинчивающихся конструкций свай и т.п.).
В настоящее время при строительстве в условиях плотной городской застройки широкое распространение получил такой метод защиты, как ограждающие конструкции. В качестве разделительной стенки могут быть использованы: шпунтовый ряд; ряд завинчиваемых стальных труб с проволочной навивкой (бурозавинчиваемая свая); стенка из свай, в том числе буронабивных, буроинъекционных и вдавливаемых; ряд из забивных свай, устраиваемых согласно ВСН 490-87; «стена в грунте» [50]. Области применения разделительного ряда различны: - формирование береговой линии, регулирование русла рек; - берегоукрепление - защита от размыва, осыпания, эрозий; - причалы и пирсы для маломерных судов; - строительство набережных; - понижение уровня и отвод грунтовых вод; - строительство водных путей; - строительство гидротехнических сооружений (плотины, дамбы); - автомобильные и железнодорожные пути; - защита водоемов: очистные сооружения, укрепление тела плотин, защита территорий от подтопления;
Методика экспериментального маломасштабного моделирования
Согласно исследованиям Четверикова А.Л. [73] разделительный шпунтовый ряд, независимо от высоты строящегося здания, оказывает значительное влияние на деформированное состояние существующего строения и является наиболее эффективным мероприятием, как по дополнительной осадке, так и по дополнительному перекосу. В результате вычислительного и экспериментального исследования, а также натурных наблюдений за реальным зданиями Алексей Львович установил, что наиболее существенными факторами, влияющими на дополнительные деформации существующих зданий, являются: давление по подошве возводимого объекта и расстояние между зданиями. Для определения степени влияния возводимого здания на окружающую застройку и назначения комплекса мероприятий по снижению его негативного воздействия Четвериковым предложена методика, которая реализована в специализированной экспертной системе «Мегаполис». Эта методика на стадии инвестиционного проекта позволяет определить возможность возведения здания в конкретных условиях и предложить мероприятия по предупреждению аварийных деформаций окружающих строений.
Численным исследованием характера геомеханического влияния вновь строящихся объектов на окружающую застройку, а также разработкой инженерного метода расчета дополнительной осадки существующих зданий и сооружений, реализованного в рамках расчетной прикладной программы SETES PC, занимался Семенюк-Ситников В.В. Им установлено, что наибольшее влияние на смещение фундамента оказывает глубина котлована (77%). Также весьма определяющими факторами являются действующая нагрузка на фундамент (28%) и расстояние до существующего здания (16%) [58].
Особое внимание геотехническим критериям, распространяющимся на весь спектр возможных неблагоприятных воздействий на существующее здание и грунты в его основании, уделяли В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин [83]. Ими была предложена концепция учета всего комплекса факторов, порождаемых сложной реконструкцией и новым строительством в условиях городской застройки: не только факторов, связанных с изменением статических условий работы основания (нагружением массива грунта весом нового здания, разгрузкой при устройстве выработок и т.д.), но и факторов риска, обусловленных технологией ведения строительных работ. Также Шашкиным А.Г. разработана методология проектирования глубоких котлованов на урбанизированной территории, основу которой составляют расчеты конструкции ограждения и системы крепления по двум группам предельных состояний не только для обеспечения надежности этих конструкций, но и для обеспечения безопасности прилегающей застройки. Для этого он рассмотрел два крайних случая состояния массива грунта: грунт сохраняет природную структуру (в этом случае расчет осуществляется по деформациям, с использованием интегрального критерия обеспечения безопасности соседней застройки); структурные связи в грунте нарушены (в этом случае проводится расчет по прочности соседней застройки и выбирается конструкция котлована, исключающая ее обрушение) [84].
Разработкой способа инженерной оценки изменения несущей способности основания двух близрасположенных ленточных фундаментов одной ширины, к которым приложена равные нагрузки занимался Качурин Я.В. Им выполнен анализ процесса трансформации напряженно-деформированного состояния грунтового основания, на основе которого разработан инженерный метод оценки определения дополнительных осадок существующих фундаментов, обусловленных воздействием вновь возводимых сооружений [27].
Изучением особенностей строительства в стесненных условиях на слабых водонасыщенных глинистых грунтах занимался Абелев К.М. [1]. Им предложены методы технологии строительного производства по устройству оснований и фундаментов при пристройке новых сооружений к существующим зданиям на слабых водонасыщенных глинистых грунтах и выработаны особые требования к разработке проектов производства работ при пристройке новых сооружений к существующим зданиям с учетом обеспечения сохранности этих зданий применением специальных мероприятий (разделительный шпунт, консольные фундаменты, свайные фундаменты и т.д.). Также разработана методика учета взаимной работы соседних фундаментов с различными глубинами заложения, последовательности нагружения грунтов в основаниях и изменения физико-механических характеристик грунтов в основаниях зданий за период их эксплуатации.
Развитие вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений в основании на всех стадиях нагружения моделей
Часто бывает, что во время эксперимента некоторые тензодатчики выходят из строя или выдают некорректные значения. Поэтому их укладка выполнялась в различных вертикальных и горизонтальных плоскостях основания в количестве, обеспечивающем трехкратную повторяемостью. Построение эпюр и изолиний напряжений по данным нескольких датчиков для одной точки в определенной постановке возможно в режиме ручного редактирования результатов эксперимента в программе «СОТИ» (рис. 2.22).
Окно «Калькулятор эпюр и изолиний» программы «СОТИ» По завершению ввода данных в окне «Калькулятор эпюр и изолиний» программа «СОТИ» автоматически построит эпюру (изолинию) после нажатия на кнопку «Показать эпюру/изолинию». На последнем этапе программа формирует отчет с результатами проведенных экспериментов в виде таблиц, схем и графических объектов в HTML- файл.
Таким образом, получены изолинии вертикальных напряжений, возникающих в песчаном основании в зоне влияния нового строительства на существующую застройку (рис. 2.23). Нет шпунта
Изолинии нормальных вертикальных напряжений Визуальный анализ характера распределения изолиний нормальных вертикальных напряжений позволяет сделать вывод о сокращении зоны влияния нового строительства в основании под существующим объектом при устройстве шпунта посередине между соседними фундаментами; установка разделительного ряда вплотную у возводимого здания позволяет практически блокировать напряжения, образовавшиеся от строительства нового объекта, концентрируя их за шпунтовой стенкой в пределах зоны основания непосредственно под штампом возводимого строения. В напряженном состоянии основания под удаленным от возводимого объекта краем штампа существующего здания практически не происходят изменения во всех трех случаях. Дополнительные нормальные вертикальные напряжения по центральной оси штампа существующего объекта незначительны и отмечены слабой динамикой изменения в зависимости от устройства шпунтового ограждения. Наиболее активные процессы изменения напряженного состояния основания происходят во всей правой зоне исследования основания, начиная от оси по ближайшему к возводимому зданию краю штампа существующего строения. Так дополнительные нормальные вертикальные напряжения в этой зоне без устройства разделительного ряда составляют более 20% от напряжений, полученных до влияния нового строительства на существующий объект. Отрезной ряд, установленный посередине между взаимовлияющими фундаментами, позволяет сократить дополнительные нормальные вертикальные напряжения до 12-16%. При устройстве шпунтовой стенки вплотную у фундамента возводимого здания дополнительные нормальные вертикальные напряжения в рассматриваемой зоне основания под взаимовлияющими фундаментами составляют 6-9%. То есть исследование нормальных вертикальных напряжений в основании под штампом существующего здания показало, что изменения происходят в пределах 9% от влияния строящегося объекта в рассматриваемом случае, что является общепринятым научным допущением, и позволяет подчеркнуть наибольшую значимость разделительного ряда, установленного вплотную к возводимому зданию.
Одновременно в программе «СОТИ» были построены изолинии нормальных горизонтальных напряжений, возникающих в песчаном основании в зоне влияния нового строительства на существующую застройку (рис. 2.24). Нет шпунта
Изолинии нормальных горизонтальных напряжений Изучение характера распределения изолиний нормальных горизонтальных напряжений подтверждает выводы о работоспособности шпунтовой стенки, разделяющей основание существующей и возводимой застройки, сделанные при анализе характера распределения изолиний нормальных вертикальных напряжений. Однако процентное отношение дополнительных нормальных горизонтальных напряжений, вызванных влиянием нового строительства, к основным, полученным до дополнительного воздействия, существенно превышает значения, вычисленные при изучении нормальных вертикальных напряжений. Так, для случая без устройства разделительного ряда дополнительные нормальные горизонтальные напряжения составляют до 65%, при установке шпунта посередине между соседними фундаментами до 50%, и устройство отрезного ряда у фундамента возводимого здания позволяет снизить дополнительные деформации до 30%. Причем, если основание под существующим строением разделить по центральной оси штампа на две части, то левая область (удаленная от влияния нового строительства) менее напряжена, чем правая, с разницей значений напряжений в различных точках до 27% во всех трех случаях.
Таким образом, применение тензометричексих датчиков для измерения напряжений в песчаном основании позволило оценить изменения напряженно-деформированного состояния основания существующего здания, расположенного в зоне влияния нового строительства, без устройства разделительного ряда, а также с его установкой посередине между фундаментами и у возводимого здания. Доказана целесообразность применения ограждающей конструкции как мероприятия по обеспечению сохранности существующих строений, а также подтверждена ее наибольшая эффективность при устройстве вплотную к фундаменту возводимого здания.
Развитие вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений в основании на всех стадиях нагружения моделей
Составить полную картину изменения напряженно-деформированного состояния основания существующего здания возможно лишь при изучении развития нормальных дополнительных напряжений на каждой ступени нагружения возводимого здания вплоть до предельного состояния основания под ним. С этой целью после каждой ступени нагружения выполнялся опрос тензодатчиков в песчаном основании с автоматическим построением изолиний нормальных вертикальных и горизонтальных напряжений в программе «СОТИ» (рис. 2.25 – 2.27). Вертикальные напряжения 0,4Рпр
Горизонтальные напряжения 0,4РпР Рисунок 2.25 Изолинии нормальных напряжений при влиянии возводимого здания (2) на существующее (1) без устройства шпунта
В результате оценки полученных изолиний нормальных напряжений определен характер их распределения – в основании близко расположенных зданий зоны напряженного состояния накладываются друг на друга, формируя единое поле напряженно-деформированного состояния. Совместная работа близлежащих фундаментов с основанием формирует единую систему «существующее здание – основание – возводимое здание», отдельное изучение элементов которой недопустимо.
Анализ изменения напряженного состояния основания под рассматриваемыми объектами на всех стадиях пошагового нагружения показал, что дополнительные нормальные напряжения в основании существующего здания значительно возрастают с третьей стадии нагружения (нагрузка на возводимый объект 0,6Рпр). Таким образом, можно сделать вывод, что давление под подошвой фундамента возводимого объекта, не превышающее давление под подошвой фундамента существующего здания, не оказывает значительного влияния на изменение напряженно-деформированного состояния основания под существующим строением.
Практическое применение программы «Расчет оптимальной глубины заложения разделительной стенки» в проектировании
Численное моделирование выполнено с целью объективной проверки изменений напряженно-деформированного состояния грунтового основания взаимовлияющих фундаментов, полученных экспериментально. Очевидное сходство графических материалов позволяет не только подтвердить полученные данные, но и объективно оценить их адекватность.
Таким образом, теоретически и эмпирически доказана эффективность разъединительного ряда как специального защитного мероприятия существующего строения от воздействий нового строительства, а также наибольшая работоспособность при устройстве его вплотную у возводимого объекта при правильно подобранной глубине заложенияАктуализация предложений по подбору оптимальных параметров разделительного ряда
В результате сравнительного анализа осадок штампа существующего здания, с данными, полученными при моделировании в расчетном комплексе PLAXIS установлена хорошая сходимость. Это подтверждает достоверность экспериментальных данных и адекватность выводов, сделанных в результате их оценки.
Так как расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными, с целью расширить область исследования, выполнено численное моделирование влияния нового строительства на существующую застройку на расстояниях между фундаментами L = 0,5b; 1,5b; 2,5b. Это позволило сэкономить время и трудозатраты на выполнение опытов.
Обобщенные результаты численного моделирования взаимовлияния соседних фундаментов, расположенных на различных расстояниях, без устройства разделительного ряда, представлены на рисунке 3.23 графиком зависимости значения Sad,umax / Sumax от расстояния между фундаментами.
График зависимости Sad,umax / Sumax от расстояния между фундаментами Очевидно, что расстояние между фундаментами L = 3,5b является безопасным для всех рассматриваемых типов зданий и категорий их технического состояния. Полученные экспериментальные и численные данные характеризуют процесс взаимовлияния фундаментов существующего и возводимого зданий на песчаном основании. Чтобы оценить поведение основания существующего здания, расположенного в зоне влияния нового строительства, представленного связными грунтами, выполнено численное моделирование на основаниях, характеристики которых представлены в таблице 3.3. Для каждого основания выполнен расчет предельной нагрузки Рпр, что позволило аналогично численному эксперименту на песчаном основании приложить нагрузки на существующий и возводимый фундамент 0,4Рпр и Рпр соответственно.
Из графиков на рисунке 3.24 видно, что песчаное основание получает наибольшие деформации. Поскольку несвязный грунт создает наиболее неблагоприятные условия взаимодействия фундаментов, результаты осадок, полученные на песчаном основании, могут быть применены к суглинкам и глинам с некоторым запасом.
Численное моделирование поведения разделительного ряда выполнено для расстояний между фундаментами L = 0,5b; 1,5b; 2,5b в пяти положениях согласно рисунку 2.6.
Гражданские ипроизводственныеодноэтажные имногоэтажные здания сполнымжелезобетоннымкаркасом Многоэтажныебескаркасные здания снесущими стенами изкрупных панелей Многоэтажныебескаркасные здания снесущими стенами ихкрупных блоков иликирпичной кладки безармирования Многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича или бетонных блоков с арматурными или железобетонными поясами Многоэтажные иодноэтажные зданияисторическойзастройки илипамятники истории,архитектуры икультуры с несущимистенами из кирпичнойкладки безармирования
Поскольку проведение мероприятий по обеспечению сохранности существующей застройки от влияния нового строительства в стесненных условиях является весьма актуальной задачей современной строительной индустрии, возникает необходимость в программных продуктах, позволяющих на начальной стадии проектирования подобрать параметры планируемых к применению ограждающих конструкций в зависимости от условий строительства.
В данной главе описывается разработанная автором методика определения оптимальной глубины заложения разделительного ряда, устраиваемого в пяти положениях между параллельными ленточными фундаментами (рис. 2.6), удаленными друг от друга на различные расстояния, с одинаковой глубиной заложения.
Автоматическое определение оптимальной глубины заложения ограждающей конструкции имеет большое практическое значение, так как до настоящего времени эта проблема никем не была решена. В современном проектировании определение оптимальной глубины заложения разделительной стенки выполняется методом случайного подбора этого параметра с помощью численного моделирования взаимовлияния близлежащих фундаментов на грунтовом основании в таких программах, как Plaxis, GEOWall, Фундамент, СпИн и др. Процедура случайного подбора оптимальной глубины заложения шпунта занимает много времени, так как при каждом подобранном значении расчет приходится выполнять заново. В связи с этим автором был разработан алгоритм и создана компьютерная программа определения оптимальной глубины заложения ограждающей конструкции, установленной между параллельными ленточными фундаментами с одинаковой глубиной заложения
105 для различных условий строительства «Расчет оптимальной глубины заложения разделительной стенки». Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014614052 от 14.04.2014 г [51].
В основу программы для ЭВМ «Расчет оптимальной глубины заложения разделительной стенки» заложены результаты экспериментально-численного диссертационного исследования (таблица 3.4). Определение оптимальной глубины заложения разделительного ряда выполняется для различных типов существующих зданий, их категорий технического состояния, ширины и глубины заложения возводимого фундамента, расстояния между фундаментами существующего и строящегося объектов, положений шпунтовой стенки [78].
Классификация существующих зданий, а также категории их технического состояния, приняты согласно [69]. Ширина (Ь) и глубина заложения (d) возводимого фундамента, и расстояние между соседними фундаментами (L) задается в метрах. Для каждого типа существующего здания и категории его технического состояния определено расстояние (Lmax), на котором влияние нового строительства не превышает его предельно допустимые осадки (табл. 4.1).
