Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Конструктивно-технологические решения и методы расчета контрфорсных «стен в грунте» 14
1.1. Современное состояние и перспективы применения контрфорсных «стен в грунте» при строительстве городских подземных сооружений 14
1.1.1. Применение контрфорсных «стен в грунте» для ограждения котлованов различных объектов подземного строительства 14
1.1.2. Преимущества и недостатки использования контрфорсных «стен в грунте» при строительстве городских тоннелей 23
1.2. Конструкции и технологии возведения контрфорсных «стен в грунте» 25
1.2.1. Конструкции контрфорсных «стен в грунте» 25
1.2.2. Технологии возведения контрфорсных «стен в грунте» 27
1.3. Основные методы расчета «стен в грунте» 31
1.3.1. Методы теории предельного равновесия 31
1.3.2. Методы расчета конструкций на упругом и неупругом основаниях 33
1.3.3. Численные методы механики сплошной среды 36
1.4. Выводы 40
ГЛАВА 2. Исследование пространственной устойчивости траншей для контрфорсных «стен в грунте» 42
2.1. Общие положения 42
2.1.1. Факторы, влияющие на устойчивость траншей, заполненных тиксотропным раствором 42
2.1.2. Аналитические методы расчета устойчивости траншей, основанные на теории предельного равновесия 43
2.1.3. Численные методы расчета устойчивости траншей 46
2.1.4. Экспериментальные методы расчета устойчивости траншей 47
2.1.5. Особенности расчета устойчивости траншей для контрфорсных «стен в грунте» 49
2.2. Устойчивость стенок траншей, заполненных тиксотропным раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания 50
2.2.1. Актуальность задачи 50
2.2.2. Выбор расчетной схемы и построение конечно-элементной модели для области взаимного пересечения двух плоских стен 51
2.2.3. Методика определения коэффициента запаса устойчивости стен траншеи 53
2.2.4. Анализ результатов расчетов 53
2.2.5. Оценка устойчивости стен траншей в местах их взаимного пересечения и примыкания на основании исследований устойчивости стен плоских траншей 56
2.3. Влияние уровня подземных вод на устойчивость стен траншей 57
2.3.1. Выбор расчетной схемы и конечно-элементной модели задачи 58
2.3.2. Анализ результатов расчета 60
2.4. Влияние технологических нагрузок на устойчивость стен .траншей, предназначенных для устройства контфорсных «стен в грунте» 67
2.4.1. Определение технологических нагрузок, прикладываемых на поверхности грунта и к форшахте 67
2.4.2. Влияние веса механизмов для разработки траншеи на коэффициент запаса устойчивости траншеи и формы ее разрушения в предельном состоянии 70
2.4.3. Влияние веса арматурного каркаса на коэффициент запаса
устойчивости траншеи 77
2.5. Выводы 85
ГЛАВА 3. Исследование работы контрфорсных «стен в грунте» на пространственной конечно-элементной модели 88
3.1. Анализ возможности решения задач механики грунтов с помощью программных продуктов компании «MSC» 88
3.1.1. Расчет устойчивости откосов 89
3.1.2. Расчет плоской «стены в грунте», подкрепленной расстрелами 93
3.2. Создание конечно-элементной модели взаимодействия контрфорсной «стены в грунте» с грунтовым массивом в процессе разработки котлована 96
3.2.1. Определение размеров области решения задачи, постановка граничных условий, выбор конечно-элементной сетки и последовательности разработки котлована 96
3.2.2. Анализ результатов тестовых расчетов 99
3.3. Расчетно-теоретические исследования перемещений консольной контрфорсной «стены в грунте» 100
3.3.1. Планирование вычислительного эксперимента 100
3.3.2. Анализ результатов расчетов взаимодействия КСГ с грунтовым массивом в процессе разработки котлована для слабодеформируемых грунтов 102
3.3.3. Анализ результатов расчетов взаимодействия КСГ с грунтовым массивом в процессе разработки котлована для сильнодеформируемых грунтов 105
3.4. Статистическая обработка результатов вычислительного эксперимента 107
3.4.1. Разведочный анализ результатов 108
3.4.2. Выбор метода построения нелинейной регрессии 110
3.4.3. Определение регрессионных функций 112
3.4.4. Выводы 114
ГЛАВА 4. Исследование взаимодействия консольной контрфорсной «стены в грунте» с грунтоцементной распорной плитой 115
4.1. Общие положения 115
4.1.1. Использование технологии струйной цементации грунтов для создания конструктивных элементов подземных сооружений 115
4.1.2. Физико-механические свойства грунтобетонных материалов... 119
4.2. Консольные контрфорсные «стены в грунте» с грунтобетонными распорными элементами 122
4.2.1 Описание конструктивно-технологического решения 122
4.2.2. Выбор реального проекта для исследования возможностей предлагаемого метода 124
4.2.3. Физико-механические свойства грунта и материалов контрфорсной «стены в грунте» и грунтобетонной плиты 125
4.3. Расчетно-теоретические исследования взаимодействия грунтобетонной распорной плиты с контрфорсной «стеной в грунте» 128
4.3.1. Разработка конечно-элементной модели задачи о взаимодействии консольной контрфорсной «стены в грунте» с грунтобетонной распорной плитой 128
4.3.2. Исследование результатов расчетов плоской и контрфорсной «стен в грунте» 131
4.3.3. Влияние положения грунтобетонной плиты на результаты ее взаимодействия с контрфорсной «стеной в грунте» при разработке котлована 138
4.3.4. Выводы 144
Общие выводы 146
Библиографический список использованной литературы
- Применение контрфорсных «стен в грунте» для ограждения котлованов различных объектов подземного строительства
- Аналитические методы расчета устойчивости траншей, основанные на теории предельного равновесия
- Оценка устойчивости стен траншей в местах их взаимного пересечения и примыкания на основании исследований устойчивости стен плоских траншей
- Расчет плоской «стены в грунте», подкрепленной расстрелами
Введение к работе
Рост объемов и масштабов подземного строительства в крупных городах, развивающихся как культурно-исторические и торгово-промышленные центры, наблюдается во всем мире. Связан он с непрерывно возрастающей концентрацией населения в этих городах и непрерывным ростом численности автомобильного парка. Эти явления порождают практически все наиболее острые проблемы современных больших городов — территориальные, транспортные, экологические, энергетические и т.д. [10, 65].
В последние десятилетия увеличение масштабов подземного строительства наблюдается и в крупных городах России. Строятся большие многофункциональные подземные комплексы различного назначения, транспортные и коммуникационные тоннели, подземные стоянки и гаражи, производственные и складские помещения и др.
Сложность и высокий уровень ответственности подземных сооружений, значительное влияние их возведения в условиях плотной городской застройки на существующие окружающие объекты, требуют решения комплексных задач, связанных с математическим моделированием напряженно-деформированного состояния массива грунта и взаимодействующих с ним конструкций, режимов подземных вод и других факторов, от которых зависит безопасность строительства.
К настоящему времени научными, проектными и строительными организациями накоплен большой опыт успешной реализации сложных проектов подземного строительства. Примерами являются такие уникальные объекты, как ТРК "Охотный ряд" на Манежной площади в Москве, центральное ядро ММДЦ "Москва-Сити", тоннели 3-го Московского транспортного кольца и другие.
Не прекращается работа над созданием прогрессивных конструктивных и технологических решений подземных сооружений, которые обеспечивают защиту окружающей застройки при возведении новых объектов. Разрабатываются методы расчета и численного моделирования поведения подземных конструкций и находящихся в зоне их влияния существующих сооружений, методы и средства мониторинга.
Одной из современных технологий, находящей все более широкое применение при строительстве городских подземных транспортных
сооружений мелкого заложения, а также подземных этажей административных и жилых зданий является технология «стена в грунте» [80, 82, 188, 190]. «Стена в грунте» может выполнять функцию временного ограждения котлованов, а также входить в состав постоянной конструкции здания или подземного сооружения.
Способ, известный как «стена в грунте», был запатентован и впервые успешно применен в Австрии проф. Ведером в 1950 г. [68, 76, 188]. Сущность способа заключается в возведении элементов конструкций заглубленного сооружения в узких глубоких траншеях, вертикальные стенки которых удерживаются от обрушения при помощи глинистого или иного раствора, создающего избыточное гидростатическое давление на грунт. После проходки траншей на необходимую глубину их заполняют монолитным железобетоном, сборными железобетонными панелями или глиногрунтовыми материалами.
К числу достоинств «стен в грунте» можно отнести возможность применения в разнообразных и чаще всего стесненных условиях городского строительства в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений, высокую производительность, малый уровень шума и вибраций.
Кольматация пор грунта глинистым раствором и образование на стенках траншеи прочной корки, наряду с соответствующими решениями стыков составляющих секций, а в необходимых случаях - использованием гидроизоляции, позволяют создать достаточно водонепроницаемую постоянную несущую или временную ограждающую конструкцию, отказаться от применения дорогостоящих спецспособов (водопонижение, замораживание, химическое или инъекционное укрепление грунтов).
Область применения траншейных «стен в грунте» является достаточно широкой и распространяется на возведение сооружений любой формы и размеров в плане в различных инженерно-геологических условиях, включая водонасыщенные песчаные и глинистые грунты [10, 76].
Успешному развитию способа «стена в грунте» способствует широкая гамма предлагающегося на рынке строительной техники специализированного оборудования (грейферы, гидрофрезы, буровые установки и др.).
Большинство использованных при строительстве подземных сооружений «стен в грунте» имеет плоскую конструкцию. Однако в практике мирового строительства известны случаи строительства «стен в грунте»,
имеющих секции Т-образной в плане формы. Это так называемые контрфорсные «стены в грунте» [67].
По сравнению с плоскими «стенами в грунте» контрфорсные «стены в грунте» обладают рядом преимуществ:
контрфорсные «стены в грунте» при одинаковой с плоскими стенами толщине обладают существенно большей жесткостью и несущей способностью, что очень важно при строительстве в стесненных городских условиях, когда иные способы крепления стен котлована трудно осуществимы;
консольные контрфорсные «стены в грунте», которые устраиваются без применения внутри котлована дополнительных способов их крепления, оставляют в котловане большие свободные пространства, что позволяет, используя мощную высокопроизводительную технику, ускорить строительство, а, следовательно, уменьшить его стоимость;
контрфорсные «стены в грунте» в некоторых случаях могут оказаться более экономичными, чем плоские, так как-либо вообще не требуют устройства анкерной и распорной крепи (консольная конструкция), либо количество этого крепления существенно меньше, чем при строительстве плоской «стены в грунте»;
К числу достоинств контрфорсных «стен в грунте» можно отнести также
то, что для их устройства требуется такое же технологическое
оборудование, какое применяется для устройства плоских «стен в грунте».
Актуальность темы. Актуальность темы диссертационной
работы обусловлена расширением объемов подземного строительства в
сложных инженерно-геологических условиях с плотной городской
застройкой, требующих обеспечения минимальных осадок поверхности
земли и подвижек грунтового массива [10, 17, 18].
Высокая эффективность технологии «стена в грунте» при строительстве подземных сооружений различного назначения способствует расширению сферы ее применения в крупных городах России. Однако применение контрфорсных «стен в грунте» сдерживается малой изученностью вопросов, связанных с пространственной работой таких конструкций, необходимостью подкрепления их распорными или анкерными элементами и т.д. Недостаточно проработаны методы оценки устойчивости стенок Т-образных в плане траншей, предназначенных для устройства
контрфорсных «стен в грунте». В связи с этим исследование работы подобных конструкций стало настоятельной необходимостью.
При проектировании плоских «стен в грунте» расчет напряженно-деформированного состояния системы «стена-грунт» выполняется по схеме плоского деформированного состояния. В отличие от них контрфорсные «стены в грунте» должны рассчитываться по схеме пространственного напряженно-деформированного состояния. Учет упруго-пластического поведения грунта, изменения уровня подземных вод и возможности неполного контакта на границе между стеной и грунтом делает такие задачи на порядок сложнее, чем расчет плоских «стен в грунте». Решение подобных задач стало возможным лишь в последние годы благодаря появлению мощных вычислительных средств и специализированных пакетов прикладных программ.
В основу исследований положен системный подход к решению проблемы, когда «стена в грунте» и ґрунтобетонная распорная плита, расположенная ниже дна котлована, тиксотропныи раствор в траншее и стенки траншеи рассматриваются во взаимодействии между собой и с грунтом.
Цель и задачи диссертации. Целью работы является исследование закономерностей взаимодействия конструкций контрфорсных «стен в грунте», возводимых при строительстве городских тоннелей, с грунтовым массивом на различных этапах строительства тоннеля с учетом конструктивных особенностей, технологии строительства и свойств грунтового массива. Такие исследования позволят оценить преимущества контрфорсных «стен в грунте» перед плоскими «стенами в грунте», что должно способствовать более широкому их внедрению в практику строительства транспортных тоннелей. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
исследовать области применения и конструктивные решения при устройстве контрфорсных «стен в грунте» в практике мирового строительства;
разработать пространственные конечно-элементные модели траншей, заполненных тиксотропным раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания (угловых траншей), а также траншей для контрфорсных «стен в грунте». Используя первую из этих моделей исследовать устойчивость угловых траншей при различных
относительных размерах траншеи. Используя вторую модель установить зависимости между устойчивостью Т-образной в плане траншеи, удельным весом тиксотропного раствора и уровнем подземных вод. Оценить влияние технологических нагрузок на устойчивость стен Т-образных траншей;
создать конечно-элементную модель взаимодействия контрфорсной «стены в фунте» с грунтовым массивом в процессе разработки котлована. Используя эту конечно-элементную модель и программные комплексы «MSC.Patran» — «MSC.Marc», установить закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния данной конструкции;
разработать конечно-элементную модель упруго-пластического взаимодействия контрфорсной «стены в грунте», грунтобетонной плиты, создаваемой по технологии струйной цементации грунтов (jet grouting) ниже отметки дна котлована, и примыкающего к ним массива грунта в процессе разработки котлована. С помощью этой модели исследовать напряженно-деформированное состояние данной конструкции для определения таких параметров грунтоцементной плиты и контрфорсной «стены в грунте», при которых возможно устройство консольной контрфорсной «стены в грунте»;
на основе проведенных исследований дать рекомендации конструктивно-технологического характера, которые могут быть использованы при проектировании контрфорсных «стен в грунте», траншей, заполненных тиксотропным раствором в местах их взаимного пересечения и примыкания и горизонтальных распорных конструкций, созданных по технологии струйной цементации грунтов. Методика исследований. В основу исследований положен
системный подход к решению проблемы, когда «стена в грунте» и ґрунтоцементная распорная плита, тиксотропныи раствор в траншее и стенки траншеи рассматриваются во взаимодействии между собой и с грунтом. Такой подход можно эффективно реализовать лишь при использовании для расчетов современных проблемно ориентированных конечно-элементных комплексов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выполнен обзор применения контрфорсных «стен в грунте» в практике
мирового строительства;
исследована устойчивость траншей, заполненных тиксотропным раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания при различных относительных размерах траншеи. Определены формы разрушения Т-образной в плане траншеи и найдены закономерности изменения коэффициента запаса устойчивости траншеи в зависимости от уровня подземных вод, удельного веса тиксотропного раствора и технологических нагрузок, приложенных на поверхности грунта.
установлены закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния системы контрфорсная «стена в грунте» -грунтовый массив в процессе разработки котлована. Определены такие параметры этой системы, при которых возможно устройство консольной контрфорсной «стены в грунте», то есть отпадает необходимость устройства анкерной или распорной крепи;
исследовано напряженно-деформированное состояние, возникающее при взаимодействии контрфорсной «стены в грунте», распорной грунтобетонной плиты, создаваемой по технологии струйной цементации грунтов (jet grouting) ниже отметки дна котлована, и примыкающего к ним массива грунта в процессе разработки котлована. Определены такие параметры грунтоцементной плиты и контрфорсной «стены в грунте», при которых возможно устройство консольной контрфорсной «стены в грунте»;
Практическая значимость работы. На основании выполненного автором исследования получены следующие практические результаты:
определены области применения и возможные конструктивные
\ решения контрфорсных «стен в грунте» в практике мирового
строительства;
доказано, что при проектировании траншей, заполненных бентонитовым раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания, следует принимать коэффициент запаса устойчивости в 1,2 раза выше, чем для соответствующих им плоских траншей;
установлены формы разрушения траншей для контрфорсных «стен в грунте» и построены графики, позволяющие найти коэффициент запаса устойчивости таких траншей в зависимости от уровня подземных вод, удельного веса тиксотропного раствора, величины и положения технологических нагрузок;
определены размеры контрфорсной «стены в грунте» и параметры грунта, при которых для глубины котлована 10 — 12 м (такая глубина характерна для котлованов транспортных тоннелей, сооружаемых открытым способом) возможно устройство стены, не требующей дополнительных креплений в виде грунтовых анкеров, расстрелов и т.п.;
для ограждения стен котлованов транспортных сооружений в песчаных и гравелистых грунтах в качестве одного из вариантов предлагается использовать консольные контрфорсные «стены в грунте», закрепленные ниже дна котлована горизонтальной грунтобетонной плитой, созданной с помощью струйной цементации грунта. Такое ограждение может быть более экономичным, чем плоские «стены в грунте», закрепленные грунтовыми анкерами или расстрелами. Достоверность полученных результатов обоснована:
строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;
учетом требований действующих нормативных документов;
использованием разработок передовых отечественных и иностранных фирм и организаций;
тестовыми решениями задач связанных с устройством «стены в грунте», для которых либо имеются экспериментальные результаты, либо решения, полученные другими исследователями с использованием альтернативных методов расчета.
Реализация результатов. Результаты работы нашли применение:
в учебном процессе кафедры «Мосты и транспортные тоннели» МАДИ (ГТУ);
в НИЦ «ЗЭСТ» при проектировании подземных объектов в г. Москве. Апробация работы. Результаты исследований и основные
научные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) в 2004 — 2006 гг.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Стаин А. В. Влияние уровня подземных вод и технологических нагрузок на устойчивость стен траншей, предназначенных для устройства контрфорсных «стен в грунте». // Метро и тоннели -2006. -No 3.- С. 34 -35.
Стаин А. В. Влияние уровня подземных вод на устойчивость траншей для контрфорсных «стен в грунте». // Исследование мостовых и тоннельных сооружений: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2006. - С. 67 - 70.
Стаин А. В. Исследование конструкций контрфорсных «стен в грунте» для строительства транспортных тоннелей. // Транспортное строительство. - 2007. - No 4. - С. 29 — 30.
Стаин А. В. Работа консольных контрфорсных «стен в грунте» // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2005. - No 1. - С. 26 - 28.
Стаин А. В. Разработка расчетной модели для исследования работы консольных контрфорсных «стен в грунте». // Развитие научных идей Е.Е. Гибшмана в мостостроении (к 100-летию со дня рождения): сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2005. - С. 158 - 163.
Стаин А. В. Устойчивость стенок траншей, заполненных тиксотропным раствором, в местах их взаимного пересечения. // Подземное Пространство Мира. - 2005. - No 3 - 4. - С. 54 - 56.
Стаин А. В. Эффективность применения грунтоцементных распорных конструкций для контрфорсных «стен в грунте». // Транспорт. Наука, техника, управление. - 2005. - No 10. - С. 37- 40.
Стаин В.М., Стаин А.В. Контактная задача для стены в грунте. // Вопросы строительной механики и надёжности машин и конструкций: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2008. - С. 165 - 174.
Стаин В.М., Стаин А.В. Решение геотехнических задач с помощью программных продуктов компании MSC. // Вопросы строительной механики и надёжности машин и конструкций: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - 2008. - С. 128 - 138.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 183 стр., 131 иллюстраций, 17 таблиц и включает введение, 4 главы, общие выводы, список литературы 190 наименований и 3 приложения.
Диссертационная работа выполнена на кафедре мостов и транспортных тоннелей Московского автомобильно-дорожного института (Технического университета) под руководством к. т. н. профессора, члена-корреспондента РАЕН, Л. В. Маковского.
Применение контрфорсных «стен в грунте» для ограждения котлованов различных объектов подземного строительства
Вышеприведенные примеры показывают, что контрфорсные «стены в грунте» могут эффективно использоваться в различных областях подземного строительства, в том числе и при строительстве городских тоннелей, сооружаемых открытым способом.
В последние годы контрфорсные «стены в грунте» стали внедряться в практику подземного строительства и в России. Большая заслуга в этом принадлежит Маковскому Л.В. и Чеботареву С. В. Они систематизировали существующие конструктивные решения и технологии устройства контрфорсных «стен в фунте» и предложили свои варианты создания таких конструкций [67].
Преимущества и недостатки использования контрфорсных «стен в грунте» при строительстве городских тоннелей
Преимущества контрфорсных «стен в грунте» перед плоскими «стенами в грунте» достаточно очевидны:
контрфорсные «стены в грунте» при одинаковой с плоскими стенами толщине обладают существенно большей жесткостью и несущей способностью, что очень важно при строительстве в стесненных городских условиях, когда иные способы крепления стен котлована трудно осуществимы;
консольные контрфорсные «стены в грунте», которые устраиваются без применения внутри котлована дополнительных способов их крепления, оставляют в котловане большие свободные пространства, что позволяет, используя мощную высокопроизводительную технику, ускорить строительство, а, следовательно, уменьшить его стоимость;
контрфорсные «стены в грунте» в некоторых случаях могут оказаться более экономичными, чем плоские, поскольку либо вообще не требуют устройства анкерной и распорной крепи (консольная конструкция), либо количество этой крепи существенно меньше, чем при строительстве плоской «стены в грунте»;
для устройства контрфорсных «стен в грунте» можно использовать то же самое технологическое оборудование, что и для устройства плоских «стен в грунте».
К недостаткам устройства контрфорсных «стен в грунте» следует отнести следующие:
для обеспечения устойчивости Т-образных в плане траншей, заполненных тиксотропным раствором, в которых сооружаются контрфорсные «стены в грунте», требуются растворы большего удельного веса, чем для плоских траншей, что приводит к незначительному удорожанию строительства;
устройство контрфорсов вне области котлована требует некоторого увеличения размеров строительной площадки, что не всегда возможно при строительстве в условиях плотной городской застройки;
несколько усложняется технология производства работ, технология изготовления и монтажа пространственных арматурных каркасов;
из-за больших габаритов Т-образных элементов КСГ и их значительного веса КСГ затруднительно возводить в сборном и сборно-монолитном вариантах.
Рассмотренные в данной главе примеры применения КСГ в подземном строительстве показывают, что, несмотря на перечисленные выше недостатки, использование КСГ при строительстве городских тоннелей во многих случаях может оказаться технически и экономически оправданным. Поэтому исследования, направленные на изучение работы КСГ в составе ограждений городских транспортных тоннелей, являются актуальными.
Конструкции контрфорсных «стен в грунте» образуются из Т-образных железобетонных элементов. В зависимости от способа изготовления этих элементов и объединения их между собой, различают монолитные, сборно-монолитные и сборные контрфорсные «стены в грунте» [67]. При устройстве монолитных контрфорсных «стен в грунте», в каждую захватку траншеи опускают Т-образные арматурные каркасы, а затем осуществляют бетонирование (рис. 1.16).
Опуская в траншею сборные Т-образные железобетонные элементы и соединяя их между собой в стыках на границе захваток, получаем сборную контрфорсную «стену в грунте» {рис. 1.17). Стыки между Т-образными секциями выполняются по такой же технологии, что для плоских «стен в грунте» [67, 82].
Если объединение Т-образных сборных элементов происходит за счет создания между ними монолитных участков СГ, то получаем сборно-монолитную конструкцию контрфорсных «стен в грунте» (рис. 1.18).
Габариты и вес Т-образных элементов КСГ существенно больше, чем у элементов плоских СГ. Изготовление, транспортировка и монтаж таких элементов в сборном и сборно-монолитном вариантах вызывает определенные трудности. Поэтому в подземном строительстве применяются главным образом монолитные КСГ.
Так как в подземном строительстве применяются главным образом монолитные КСГ, то ниже будут рассмотрены технологии устройства именно этих стен. Технологии возведения монолитных КСГ в основном такие же, как и при устройстве плоских СГ. Они включают в себя следующие основные этапы [67].
1. По периметру котлована из Т-образных железобетонных элементов устраивается сборная, монолитная или сборно-монолитная форшахта высотой от 0,7 до 1,5 м (рис 1.19).
Аналитические методы расчета устойчивости траншей, основанные на теории предельного равновесия
Влияние различных факторов на устойчивость траншеи, заполненной тиксотропным раствором, обсуждалось в работах [61, 134, 167]. Было установлено, что устойчивость стенок траншеи зависит от следующих явлений.
1. Образование непроницаемой мембраны (корки). Эта мембрана, образуемая в стенках траншеи тиксотропным раствором, предотвращает потерю раствора и обеспечивает передачу на грунт удерживающего стены от обрушения давления раствора.
2. Проникание раствора в поры несвязного грунта. Образуя гель, тиксотропный раствор закрепляет грунт и предотвращает разрушение стен траншеи. Однако следует иметь в виду, что тиксотропный раствор может глубоко проникнуть в крупные пески или гравий, создав эффект, подобный эффекту поднятия уровня подземных вод, и таким образом уменьшить устойчивость стен траншеи.
3. Давление жидкого раствора (золя). Давление золя возникает от двух причин. Во-первых, плотность золя выше, чем плотность воды, на основе которой создавалась бентонитовая суспензия. Во-вторых, что вероятно более важно, уровень раствора в траншее поддерживается выше уровня грунтовых вод за ее пределами.
4. Арочный эффект. Траншеи создаются на относительно узких, коротких участках, что приводит к перераспределению давления грунта на концы участка и сопровождается увеличением устойчивости стен траншеи.
5. Прочность тиксотропного раствора при сдвиге. Раствор, будучи вязким и тиксотропным, имеет присущую ему прочность при сдвиге, которая теоретически обеспечивает сопротивление боковому давлению грунта.
6. Электроосмотическое давление. Частицы коллоидного бентонитового раствора притягиваются к стенам траншеи. Большая концентрация ионов на траншейной стене создает на нее осмотическое давление.
Пункты 1, 2 и 6 (Корка, проникание раствора в грунт и осмотическое давление) это процессы, возникающие в стене траншеи. Эти процессы предотвращают потери раствора за счет его фильтрации в грунт и разрушение стенок траншеи. Но ни один из этих факторов не влияет на устойчивость траншеи в целом.
Прочность тиксотропного раствора при сдвиге (пункт 5) также считается несущественной.
Два фактора являются наиболее важными в обеспечении общей устойчивости траншеи — давление тиксотропного раствора (пункт 3) и арочный эффект (пункт 4). Чтобы получить достоверные результаты расчета устойчивости стенок траншеи, согласующиеся с результатами экспериментов, нужно использовать методы расчета, учитывающие оба эти фактора.
Исторически первыми появились аналитические методы, основанные на теории предельного равновесия Кулона [125]. Так, например, в работе [158] предполагалось, что разрушение стенок траншеи происходит по наклонной плоскости. Равновесие призмы обрушения считалось обеспеченным, если равнодействующая давления раствора, приложенная к этой призме, уравновешивает силу активного давления грунта, которая не может быть больше некоторого максимального значения при любых углах наклона плоскости обрушения. Данный максимум определяется по методу Кулона. Рассмотренный подход дает результаты, хорошо согласующиеся с результатами экспериментов для бесконечно длинной траншеи в сухом несвязном грунте [189].
Однако, для коротких траншей этот метод имеет ряд недостатков. Согласно исследованиям Руссо [61], для плотины в Уанапуне устойчивость стенок траншей обеспечивалась при плотности раствора, намного меньшей, чем та, которая получалась по методу Нэша и Джонса. Кроме того, данный метод не учитывает длину траншеи, хотя известно, что устойчивость стенок траншеи значительно возрастает при уменьшении ее длины. Многие авторы принимают, что для обеспечения устойчивости стен траншеи активное давление грунта О должно удовлетворять неравенству где G определяется классическим или каким либо другим методом без рассмотрения равновесия воды, грунта и раствора. Это, конечно интуитивный подход, но он получил теоретическое подтверждение [61].
Шнеебели (Schneebeli G.) первым объяснил влияние длины траншеи на устойчивость ее стенок [169]. Он связал это влияние с арочным эффектом и предложил метод расчета, аналогичный методам, применяющимся при расчете силосов. С помощью теории Шнеебели удалось рассчитать устойчивость траншеи на строительной площадке водосбора Герсхайм на реке Рейн с использованием фактических значений плотности бентонитового раствора [170]. Теорию Шнеебели следует применять с осторожностью, так как она недостаточно подтверждена экспериментами. Ее ценность в том, что она пролила свет на такие важные факты, как зависимость устойчивости стенок траншеи от отношения высоты траншеи к ее длине.
В 1964 г. Ковалевский (Z. Kowalewski) разработал теорию устойчивости стенок траншеи, согласно которой поверхность обрушения имеет форму, отличную от традиционной формы по Кулону [61]. Тело обрушения по Ковалевскому ограничено стенкой траншеи, параболическим цилиндром с вертикальными образующими, проходящими через направляющую параболу, и плоскостью, наклоненной под углом к горизонтали. Такая форма обрушения близка к действительной форме.
Для практического применения своей теории Ковалевский и Песковский (Piaskowski А.) предложили ввести коэффициент запаса, минимальное значение которого принять равным 1,1 [164].
Оценка устойчивости стен траншей в местах их взаимного пересечения и примыкания на основании исследований устойчивости стен плоских траншей
При большой относительной глубине траншеи (H/L 4.5) удельный вес раствора мало влияет на отношение коэффициентов устойчивости плоской и угловой траншей, которое определяется в основном длиной траншеи.
При меньшей относительной глубине траншей (H/L 4.5) отношение коэффициентов устойчивости плоской и угловой стен заметно зависит от удельного веса бентонитового раствора — чем меньше удельный вес раствора, тем быстрее возрастает это отношение с уменьшением относительной глубины траншей.
При наименьшем удельном весе бентонитового раствора равном 10.5 кН/м и отношении H/L меньшем 1.65 происходит разрушение стенок угловой траншеи. Отношение коэффициентов устойчивости стенок плоской и угловой траншей в этом случае становится равным 1,2.
При наибольшем удельном весе бентонитового раствора равном 12 кН/м это отношение при H/L стремящемся к нулю стремится к величине равной 1,2.
Таким образом, для всех рассмотренных сочетаний удельных весов бентонитового раствора и относительных глубин траншей отношение коэффициентов устойчивости стен плоской и угловой траншей не превышает величину равную 1,2. Следовательно, можно рекомендовать при проектировании траншей, заполненных бентонитовым раствором в местах их взаимного пересечения, принимать коэффициент устойчивости в 1,2 раза выше, чем для соответствующих им плоских траншей. Эту рекомендацию, очевидно, можно распространить и на определение коэффициента запаса устойчивости траншей для контрфорсных «стен в грунте».
Согласно расчетным и опытным результатам, наиболее существенным параметром, влияющим на устойчивость стенок траншей, является уровень подземных вод, положение которого оказывает гораздо большее влияние на коэффициент устойчивости, чем такие параметры, как угол внутреннего трения грунта или длина захватки траншеи [61]. Поэтому представляется необходимым исследовать влияние УПВ на устойчивость стен траншеи для контрфорсной «стены в грунте».
Для исследования влияния УПВ на устойчивость стен траншеи, заполненной тиксотропным раствором, для контрфорсной «стены в грунте» рассматривалась задача об устойчивости стенок траншеи, разработанной трехчелюстным грейфером BH-S фирмы «Soilmec» [102]. Размеры в плане такой траншеи показаны на рис. 2.8.
Глубина траншеи принималась равной 20 м, что может соответствовать глубине котлованов для транспортных тоннелей и станций метрополитена, сооружаемых открытым способом. Устье траншеи по периметру обрамлялось железобетонной форшахтой высотой 1 м. 0,8м J
Так как предполагалась симметрия траншеи и примыкающего к ней массива грунта относительно вертикальной плоскости, проходящей посередине толщины контрфорсной части траншеи (рис. 2.8), то рассматривалась область по одну сторону от плоскости симметрии при соответствующих граничных условиях.
В работе [ 163] было показано, что влияние массива грунта, расположенного ниже дна траншеи, на устойчивость ее стенок незначительно, поэтому в плоскости, ограничивающей расчетную модель снизу, граничные условия соответствуют отсутствию как горизонтальных, так и вертикальных перемещений.
Расчетная схема полученной при сделанных допущениях конструкции показана на рис. 2.9. Здесь же изображена соответствующая ей конечно-элементная модель. Свойства грунта в ней определялись упруго-пластической моделью Кулона-Мора.
Для исследований был выбран песчаный грунт с относительно низкими прочностными характеристиками - мелкий песок, параметры которого взяты из таблицы свойств грунтов Рекомендаций [8]: ? удельный вес выше уровня подземных вод Junsat= 18 кН/мЗ; ? удельный вес ниже уровня подземных вод Ysaf= 20 кН/мЗ; ? сцепление С = 1,0 кН/м2; ? угол внутреннего трения р = 29; ? угол дилатансии Ц/=У\\ ? модуль упругости Є - 20000 кН/м2; ? коэффициент Пуассона V— 0,3
Удельный вес тиксотропного раствора yls варьировался во всем интервале, определенном нормами [6], принимая значения 10,3, 10,5, 11,0, 11,5, 12,0 и 12,5 кН/м3.
Уровень тиксотропного раствора согласно тем же нормам должен находиться выше уровня подземных вод, но не ниже 0,2 м от верха форшахты. В данном исследовании уровень тиксотропного раствора был зафиксирован на отметке 0,2 м от верха форшахты, что соответствовало расстоянию F=19,8 м от дна траншеи.
В рамках исследования положение уровня подземных вод изменялось от дна траншеи (Y=0 м), до уровня тиксотропного раствора (Y=19,8 м).
Расчет плоской «стены в грунте», подкрепленной расстрелами
При УПВ выше критической отметки, но ниже нижней грани форшахты для yts =10,3 кН/м, по мере поднятия УПВ, схема разрушения изменялась последовательно в соответствии с рис. 2.26, 2.27 и 2.28 и при достижении УПВ нижней грани форшахты стала такой, как показано на рис. 2.38, а для у =12,5 кН/м выглядела так, как показано на рис. 2.39.
При поднятии УПВ выше нижней грани форшахты и 7/ 10,3 кН/м, коэффициент устойчивости траншеи становится меньше единицы, а при У/Л==12,5 кН/м коэффициент устойчивости траншеи снижается до величины 1,2038 для УПВ, совпадающего с уровнем тиксотропного раствора (Y= 19,8 м), и форма разрушения траншеи выглядит так, как показано на рис. 2.40 2.5. Выводы
1. Исследование устойчивости траншей, заполненных тиксотропным раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания при различных относительных глубинах траншей и удельных весах бентонитового раствора, позволяет сделать следующие выводы:
для любой, заданной относительной глубины траншеи, коэффициент устойчивости траншей в местах их взаимного пересечения (угловых траншей) растет пропорционально удельному весу бентонитового раствора;
при любых относительных глубинах угловой траншеи и удельных весах бентонитового раствора, изменяющихся в интервале от 10,5 кН/м до 12,5 кН/м , отношение коэффициентов запаса устойчивости стен плоской и угловой траншей не превышает величину равную 1,2. Следовательно, при проектировании траншей, заполненных бентонитовым раствором в местах их взаимного пересечения и примыкания, можно принимать коэффициент устойчивости в. 1,2 раза выше, чем для соответствующих им плоских траншей. Эта рекомендацию распространяется и на определение коэффициента запаса устойчивости траншей для контрфорсных «стен в грунте».
2. По результатам исследований влияния уровня подземных вод на устойчивость траншей для контрфорсных «стен в грунте» построены графики, изображенные на рис. 2.10. Эти графики позволяют при проектировании траншей найти коэффициента запаса устойчивости траншеи во всем диапазоне изменения удельного веса тиксотропного раствора от 10,3 кН/м до 12,5 кН/м и при любом уровне подземных вод. Анализ данных графиков приводит к следующим выводам:
для уровня подземных вод существуют критические отметки, ниже которых его влияние на устойчивость траншеи несущественно. Положение этих отметок зависит от удельного веса тиксотропного раствора. Оно изменяется от глубины 5 м от поверхности земли для тиксотропного раствора с удельным весом 12,5 кН/м , до глубины 6,5 м от поверхности земли для тиксотропного раствора с удельным весом 10,3 кН/м3;
если уровень подземных вод располагается ниже критической отметки, то коэффициент устойчивости стен траншеи для контрфорсных «стен в грунте» в зависимости от удельного веса тиксотропного раствора изменяется от 3,1 до 4,2. Это означает, что устойчивость траншеи гарантированно обеспечена во всем диапазоне изменения удельного веса тиксотропного раствора от 10,3 кН/м до 12,5 кН/м ;
повышение уровня подземных вод от критической отметки до уровня нижней грани форшахты (глубина 1 м от поверхности земли) приводит к значительному снижению коэффициента запаса устойчивости траншеи. Он уменьшается в 2,6 раза для тиксотропного раствора с удельным весом 10,3 кН/м и в 2 раза для тиксотропного раствора с удельным весом 12,5 кН/м3;
3. Результаты исследований влияния временной нагрузки от веса строительных механизмов на бровке траншеи на коэффициент запаса устойчивости траншеи для контрфорсной «стены в грунте» представлены на графиках, изображенных на рис. 2.22. Анализ этих графиков позволяет сделать следующие выводы:
наличие временной нагрузки приводит к некоторому уменьшению коэффициента устойчивости траншеи, по сравнению со случаем ее отсутствия. В наибольшей степени это уменьшение проявляется при уровне подземных вод ниже критической отметки и составляет от 9,3 % для удельного веса тиксотропного раствора равного 10,3 кН/м до 15,5 % для удельного веса тиксотропного раствора равного 12,5 кН/м3;
при уровне подземных вод выше критической отметки по мере поднятия уровня подземных вод к поверхности земли коэффициенты запаса устойчивости траншеи стремятся к тем значениям, которые были получены при отсутствии временной нагрузки (см. п. 2). 4. По результатам исследований влияния веса арматурного каркаса, опирающегося на форшахту, на коэффициент запаса устойчивости траншеи для контрфорсной «стены в грунте» построены графики, изображенные на рис. 2.32, 2.33. Эти графики можно использовать при проектировании траншей для контрфорсных «стен в грунте». Они позволяют определить коэффициент запаса устойчивости траншеи при любом уровне подземных вод, удельном весе тиксотропного раствора изменяющемся в интервале от 10.5 кН/м до 12,5 кН/м и весе арматурного каркаса от 6 до 18 т. Анализ графиков, приводит к следующим выводам:
при добавлении к временной нагрузке веса арматурного каркаса глубина критической отметки для уровня подземных вод уменьшается пропорционально увеличению веса арматурного каркаса. Она поднимается с глубины 6 м от поверхности земли при отсутствии каркаса и удельном весе тиксотропного раствора равном 10,3 кН/м до глубины 3 м для, каркаса весом 18 т и удельном весе тиксотропного -з раствора равном 12,5 кН/м ;
в наибольшей степени вес арматурного каркаса уменьшает коэффициент запаса устойчивости траншеи при уровне подземных вод ниже критической отметки. Однако, даже в случае самого невыгодного нагружения арматурным каркасом весом 18 т, коэффициент запаса устойчивости траншеи получается больше 2. При проектировании траншей для контрфорсных «стен в грунте» во многих случаях такая величина коэффициента запаса устойчивости траншеи может оказаться вполне достаточной.
при поднятии уровня подземных вод выше критической отметки влияние веса арматурного каркаса на устойчивость траншеи существенно уменьшается и величина коэффициента запаса устойчивости траншеи стремится к тем значениям, которые были получены при отсутствии нагрузки от арматурного каркаса.
