В современных городах в условиях плотной застройки все более актуальной становится проблема строительства подземных сооружений, предназначенных для размещения автостоянок, торговых комплексов, пешеходных переходов, автомобильных развязок и т. д. Во многих европейских городах эта задача успешно решается, чему способствуют благоприятные геотехнические условия. Ряд городов, в том числе и Санкт-Петербург, относятся к областям с крайне сложными условиями для строительства подземных сооружений. Так для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга характерно наличие мощной толщи (15.20 м) слабых глинистых грунтов текучей или текучепластичной консистенции. При низкой прочности данные грунты обладают сравнительно высокой плотностью, что обеспечивает большие давления на ограждающие конструкции подземных сооружений.
При благоприятных геотехнических условиях — высоких механических характеристиках грунтов, низком уровне грунтовых вод, отсутствие зданий и сооружений в зоне риска — разработка котлована под подземную часть сооружения выполняется с устройством естественного откоса. В противном случае требуется устройство ограждающих конструкций.
При проектировании подземного сооружения в зоне примыкания к существующим сооружениям необходимо принимать во внимание следующие факторы риска, которые могут привести к деформациям окружающей застройки:
1. Технология устройства ограждения.
2. Изменение уровня грунтовых вод на территории.
3. Устойчивость и податливость ограждения от статических нагрузок-давление грунта, примыкающих зданий.
Одним из наиболее существенных факторов риска является работа ограждения при вскрытии котлована.
Существующие нормативные методы расчета ограждений котлованов нацелены, в основном, на обеспечение их прочности и устойчивости. В данных методах нагрузки на ограждение, зависящие от прочностных параметров грунта, уже известны, по ним определяются изгибающие моменты, и рассчитывается сечение ограждения, необходимое для обеспечения прочности конструкции. Из условия обеспечения устойчивости ограждения определяется необходимая глубина его заделки.
При строительстве в условиях плотной городской застройки более важным становится вопрос об ограничении деформаций окружающих зданий, а, следовательно, и ограждения котлована. Имеется множество данных о деформациях существующих зданий в центральной части Санкт-Петербурга при устройстве рядом с ними подземных сооружений, как правило, это информация касается только осадок зданий. Таким образом, установлены сами факты деформаций зданий, но не причины их вызывающие. В общем, по имеющимся данным невозможно однозначно ответить на вопрос в какой степени осадки обусловлены перемещениями ограждения, а в какойтехнологическими причинами. На основании имеющихся данных не представляется возможным выполнить сравнение результатов расчета с данными натурных наблюдений. Поэтому важно иметь как можно большее количество натурных наблюдений, которые включают помимо наблюдений за осадками, также данные о деформациях самого ограждения по всей его высоте и данные о перемещениях грунтового массива вблизи котлована.
В настоящее время наибольший интерес представляют методы расчета, позволяющие прогнозировать не только усилия в самих ограждающих конструкциях, но и напряженно-деформированное состояние (НДС) окружающего грунтового массива. Решение задачи о взаимодействии системы «стенка-грунт» или системы «стенка-грунт-здание» возможно осуществить только численными методами. В данном случае ключевым становится вопрос о выборе модели грунта. Проектировщик или исследователь, как правило, стоит перед дилеммой: использовать простую модель, параметры которой известны, либо применять более сложную модель, но с рядом параметров требующих дополнительного определения. Теоретически применение сложной модели должно приводить к результатам лучше согласующимся с реальностью. Вместе с тем более полное описание поведения грунта в сложной модели может нивелироваться неточностью определения ее параметров. Окончательный выбор в пользу той или иной модели должен осуществляться на основании сравнений результатов расчетов с данными натурных наблюдений.
Безусловно, наибольший интерес представляют методы расчета, позволяющие прогнозировать деформации подпорного сооружения и окружающего грунтового массива во времени. Применение реологических моделей связано со многими трудностями, среди которых главной является получение реологических параметров на основе лабораторных исследований. Чем сложнее реологическая модель среды, тем больше параметров (определяемых в механике грунтов с низкой доверительной вероятностью) в нее входит, и тем больше вероятность ошибки при прогнозе дальнейших деформаций. Наш опыт показывает, что даже при уточнении параметров реологической модели по результатам длительных наблюдений за деформациями основания сооружения, попытки применить те же параметры сложной модели для подпорного сооружения со сходными инженерно-геологическими условиями приводят к большим ошибкам.
Таким образом, любой выполняемый расчет будет предполагать не прогноз, а оценку напряженно-деформированного состояния грунтового массива с той или иной степенью вероятности. Часто опыт и интуиция проектировщика дают более достоверную оценку поведения системы «ограждение-грунт», чем нормативный расчетный аппарат. Тем не менее, инженерные методы не обладают универсальностью, поэтому для каждой схемы взаимодействия основания и сооружения разрабатываются собственные методы расчета. Если результаты инженерного метода расчета не соответствуют натурным данным, то выполняются достаточно трудоемкие экспериментальные исследования и на основании исследований вводится система эмпирических коэффициентов, корректирующих условность расчетной схемы.
Решение задачи при сложной геометрии напластования грунтов, произвольном нагружении как в пространстве, так и во времени, изменении граничных условий задачи, использовании нелинейных зависимостей между напряжениями и деформациями возможен, как уже отмечалось, только численными методами.
Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование взаимодействия ограждения котлована и грунтового массива в натурных условиях и оценка достоверности современных инженерных и численных методов расчета раскрепленных ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
— исследовано современное состояние вопроса о расчете ограждающих конструкций котлованов и наблюдениях за работой ограждений в натурных условияхпроведены натурные наблюдения на опытной площадке и получены данные о НДС системы «ограждение котлована-массив грунта»;
— выполнено сравнение данных экспериментальных исследований с результатами расчетов, проведенных различными методами;
— обоснован выбор нелинейной упругопластической модели грунта для расчета взаимодействия ограждающих конструкций и массива грунта, а также предложен алгоритм подбора её параметров;
— на основании сравнения опытных и теоретических данных выбраны наиболее точные методы расчета ограждений и обоснована эффективность выбранной модели грунта для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга.
Научная новизна работы состоит в следующем:
— на основании сравнения данных натурных наблюдений и результатов расчета ограждения определена достоверность различных методов расчета применительно к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга;
— получены подробные данные о совместной работе ограждения и грунтового массива на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга;
— предложен алгоритм получения параметров нелинейной упруго-пластической модели.
Теоретическая значимость. Предложен алгоритм расчета ограждений котлованов с использованием нелинейных упругопластических моделей грунта и способ определения их параметров.
Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по расчету ограждений котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Предложены рекомендации по выбору типов ограждений котлованов, при устройстве подземного пространства в условиях плотной городской застройки в центральной части Санкт-Петербурга.
Реализация работы. Результаты работы использовались в научно-практической деятельности отдела Геотехнических исследований НПО «Гео-реконструкция-Фундаментпроект» и кафедры Основания и фундаменты ГТГУПС при расчете ограждающих конструкций в центральной части Санкт-Петербурга.
На защиту выносятся:
1. результаты полевых исследований НДС системы «ограждение колована-массив грунта», выполненных на опытной площадке;
2. результаты сравнения данных натурных наблюдений с результатами расчетов, выполненных различными инженерными методами, и результатами численного моделирования с использованием упругопластических моделей грунта;
3. алгоритм подбора параметров нелинейных упругопластических моделей.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и 2 приложений. Она имеет объем 172 страницы, включая 151 страница машинописного текста, 112 рисунков, 7 таблиц.
Список литературы
включает 119 наименований на 12 страницах, в том числе 19 на иностранном языке.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
1. Использование существующих методов расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий при определении как усилий в конструкциях, так и их деформаций приводит к большому разбросу результатов. Целью настоящей работы является оценка и выбор наиболее эффективного метода расчета ограждений для конкретных инженерно-геологических условий (в рассматриваемой работе — для условий центральной части Санкт-Петербурга) на основании сравнения данных натурных исследований и результатов расчетов с использованием различных методов. Для решения данного вопроса необходимо иметь результаты натурных наблюдений.
2. В центральной части Санкт-Петербурга при участии автора диссертации проведен крупномасштабный натурный эксперимент на опытном котловане, глубиной 8,5 м, размерами 31×11,5 м. В качестве ограждающих конструкций на опытной площадке использовалась шпунтовая стенка с одним ярусом распорок, установленных на глубине 3,56 м. Максимальные горизонтальные перемещения шпунта составили 40 мм и произошли на глубине 11 м. Следовательно, наиболее эффективным является раскрепление ниже дна котлована, которое может быть выполнено, например, по технологии закрепления грунта методом jet-grouting.
3. Максимальные вертикальные перемещения поверхности грунта составили 38 мм, произошли на расстоянии 6 м от оси шпунта и соответствуют максимальным горизонтальным перемещениям ограждения. Таким образом, при расчете ограждения, устраиваемого вблизи здания, необходимо чтобы горизонтальные перемещения ограждающих конструкций не превышали величины предельно допустимых дополнительных осадок зданий по ТСН 50−302−2004.
4. В лабораторных опытах отмечено значительное влияние нарушения природной структуры грунта на его деформационные характеристики. Предложен алгоритм, позволяющий определить деформационные характеристики грунта ненарушенной структуры, на основе данных статического зондирования. Параметры нелинейных упругопластических моделей, назначенные на основе предложенного алгоритма, приводят к результатам, хорошо согласующимся с наблюдениями на опытной площадке.
5. Расхождение с данными наблюдений по величинам максимальных горизонтальным перемещений шпунта составляет 3% и 17% для моделей, реализованных в программе FEM-Models и PL AXIS соответственно. Расхождение с опытными данными результатов расчета при использовании нормативных методов расчета значительно больше.
6. В последние годы при проектировании зданий в центральной части Санкт-Петербурга, как правило, рассматриваются варианты устройства однои двухуровневых подземных парковок. Глубина вскрытия котлована под одноуровневые подземные парковки составляет 4 — 4,5 м, под двухуровневые 7 — 7,5 м, т. е. ниже подошвы фундаментов зданий, что предопределяет устройство ограждений котлованов. В работе рассмотрены варианты устройства ограждений в центральной части города.
Консольные шпунтовые ограждения из расчетов по прочности и по деформациям устраивать недопустимо, необходимо устройство железобетонной стенки. При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах вне примыкания к существующим зданиям допустимо использование как шпунтовой, так железобетонной раскрепленных стенок, в зависимости от глубины котлована и инженерно-геологических условий. При глубинах котлованов более 4,5 м в зонах примыкания к существующим зданиям необходимо использовать в качестве ограждающих конструкций железобетонную стенку с несколькими ярусами распорок и предусматривать более сложные конструктивные мероприятия — строительство методом «top-down», глубинное раскрепление и т. п.
