Влияние грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждений котлованов в условиях городской застройки

На правах рукописи

ЛАНЬКО Сергей Владимирович

ВЛИЯНИе ГРУНТОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

на деформируемость ограждениЙ котлованов

в условиях городской застройки

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре геотехники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мангушев Рашид Абдуллович

Официальные оппоненты: Парамонов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Петербургский университет

путей сообщения», профессор кафедры

«Основания и фундаменты»

Татаринов Сергей Викторович,

кандидат технических наук,

ООО «Бюро экспертизы и

совершенствования проектных решений»,

г. Санкт-Петербург, генеральный директор

Ведущая организация: ООО «СК «Подземстройреконструкция»,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится «9» апреля 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний (ауд. 219).

Тел./факс: 8 (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «___» _____________ 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, Казаков Юрий

профессор Николаевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

В связи с интенсивным развитием строительной техники и технологий, расширение городов и мегаполисов происходит как «вверх» (увеличение этажности зданий) так и «вниз» (активное использование подземного пространства). Строительство новых зданий производится не только на незастроенных территориях, но и в условиях городской, исторически сложившейся застройки. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга освоение подземного пространства всегда является сложной задачей, поскольку с поверхности и до глубины порядка 20-40 м залегают слабые водонасыщенные пылевато-глинистые грунты. Особенностью указанных грунтов является проявление тиксотропных свойств – при техногенном воздействии такие грунты переходят в текучее состояние, и приобретают свойства вязкой жидкости. Угол внутреннего трения и сцепление таких грунтов становятся близким к нулю, что ведёт за собой увеличение активного давления на ограждение котлована более чем в 2 раза.

Как установлено практическим опытом, зона влияния нового строительства на здания окружающей застройки составляет 30 м и более, таким образом, одним из требований к проекту ограждения котлована должны быть требования по деформативности конструкции ограждения, так как дополнительные осадки зданий окружающей застройки в основном зависят от горизонтальных деформаций конструкции ограждения котлованов. В сложных инженерно-геологических условиях одной из причин возникновения значительных горизонтальных перемещений ограждений котлованов может служить расструктуривание грунтов при вибрационном воздействии. Расструктуренные грунты могут в некоторых случаях приобретать вид вязкой жидкости, что в свою очередь приводит к увеличению активного давления на подпорную стенку. В этом случае следует предусматривать устройство превентивных мероприятий по закреплению основания существующих фундаментов, либо выбор «щадящей» технологической схемы производства работ.

В последние годы в крупных городах, в частности в Санкт-Петербурге, строятся здания с развитым подземным пространством, что требует устройства котлованов большой глубины и объёмов. Ограждение таких котлованов может быть выполнено (на основе технико-экономического расчёта) с использованием различных конструкций и технологий, в том числе ранее мало применяемых.

К таким ограждениям относятся и конструкции, выполненные из грунтоцемента по технологии струйной цементации. Учёт работы таких конструкций при вскрытии котлована, в том числе в случае необходимости увеличения жёсткости уже существующих ограждений из металлического шпунта является актуальной и малоисследованной задачей проектирования подземных сооружений. При этом также необходимо учитывать воздействие струйной технологии на окружающий массив грунта и подземную часть сооружения в целом.

Степень разработанности темы исследования.

Как показывает опыт строительства в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов и городской застройки, одной из причин возникновения дополнительных деформаций существующей застройки вблизи котлованов является развитие горизонтальных перемещений ограждения котлованов. Влияние устройства котлованов в условиях городской застройки отражено в работах Н. С. Никифоровой, В.В. Семенюк-Ситникова, В.А. Ильичева, О.А. Шулятьева, Р.А. Мангушева, И.В. Колыбина, В.П. Петрухина, О.А. Мозгачевой, В.М. Улицкого, С.И. Алексеева, В.А. Васенина, П.А. Коновалова, Burland J. B., Standing J. R., Jardine F. M., Moormann Ch., Moormann H. R. и др. Методы расчёта ограждений котлованов аналитическими и численными методами, а также применимости различных моделей поведения грунтов достаточно широко освещены в работах многих исследователей (А. Я. Будин, Г. К. Клейн, В.Н. Парамонов и др.).

Н.С. Никифоровой (2008) разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции. По ее предложениям, зависимость дополнительных перемещений ограждения котлована может быть выражена в общем виде следующим образом: . Очевидно, что для снижения деформаций зданий существующей застройки вблизи глубоких котлованов следует выбирать конструкции ограждения с высокими жесткостными характеристиками, либо предусматривать распорную или анкерную системы, с той целью, чтобы минимизировать горизонтальные перемещения ограждения. Н.С. Никифоровой разработана методика расчёта осадок зданий окружающей застройки с учётом различных факторов, в том числе типа ограждающей конструкции.

Одним из эффективных методов снижения горизонтальных деформаций может служить применение технологии струйной цементации, как для устройства грунтоцементных ограждений, так и для закрепления грунтов с внешней стороны ограждения и ниже дна котлована. Так, в работах В.А. Ильичёва и Ю.А. Готмана (2011) предложен следующий метод снижения горизонтальных деформаций ограждений котлованов: с внешней стороны ограждения котлована устраиваются грунтоцементные массивы, размеры которых определяются исходя из разработанного автором алгоритма. Грунтоцементные массивы располагаются в зонах с наибольшими деформациями грунтового массива, получаемыми по расчёту. Указанные грунтоцементные массивы снижают горизонтальные перемещения за счёт закрепления грунта и за счёт перераспределения активного давления между ограждением и грунтоцементными массивами.

В практике строительства также часто применяются горизонтальные диафрагмы (распорные диафрагмы), устраиваемые ниже дна котлована. Как правило, такие диафрагмы в большинстве случаев используются в качестве противофильтрационных завес, тогда как распорные конструкции по исследованиям А.Г. Малинина (2009) практически не «работают».

Анализ литературных источников и опытных данных показывает, что при проектировании и устройстве грунтоцементных ограждающих конструкций, как в «чистом виде», так и комбинированного типа, существует ряд проблем, требующих проведения экспериментально-теоретических исследований:

Геометрические размеры конструкций, как правило, назначаются ориентировочно и уточняются после проведения опытных работ. Можно выделить две методики теоретического определения диаметра грунтоцементной сваи. Первая учитывает гидродинамические особенности струи и зависит от большого числа параметров (И.И. Бройд, 2004) (давления подачи раствора, скоростей подъёма и вращения монитора, диаметров насадок, плотности раствора и др.). Вторая методика основывается на зависимости диаметра размываемой полости от характеристик грунта (удельного сцепления) и некоторых технологических параметров струйной цементации (А.Г. Малинин, 2010) – давление подачи и расход раствора, скорость подъёма монитора.

Физико-механические характеристики грунтоцемента: в связи с большим разбросом значений прочностных характеристик при испытании возникает ряд вопросов: какие значения следует принимать в расчётах при наличии испытаний? Является ли грунтоцементная конструкция сплошным и однородным телом (квазиоднородным)?

Методика определения прочности грунтоцемента рассмотрена в работе А.В. Чернякова (2011), где автор предлагает прочность грунтоцемента определять как прочность бетона на песчаном заполнителе (раствора) с учётом некоторых допущений.

Однако основной проблемой при определении прочностных характеристик грунтоцемента является точная оценка количества цемента, содержащегося в единице объёма обработанного грунта.

Указанная методика справедлива при обеспечении сплошности всей конструкции, так как при устройстве грунтоцементных конструкций зачастую не обеспечивается сплошность, т.е. в составе грунтоцемента возможны включения необработанного грунта.

Обеспечивается ли совместная работа и следует ли учитывать характеристики грунтоцемента в составе такой конструкции? Насколько эффективная такая конструкция?

Цель и задачи исследования.

Цель исследования – оценка влияния грунтоцементных конструкций, выполненных по технологии струйной цементации, на деформируемость ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов; разработка рекомендаций по проектированию грунтоцементных ограждающих конструкций глубоких котлованов в условиях городской застройки и слабых грунтов.

Объект исследования – грунтоцементные конструкции в составе ограждения комбинированного типа.

Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние ограждения комбинированного типа в составе грунтового основания.

Задачи исследования:

1. проведение обработки и обобщения экспериментальных данных для оценки изменения характеристик окружающего массива грунта при применении технологии струйной цементации;
2. обоснование эффективности применения вертикальных грунтоцементных конструкций в составе ограждения комбинированного типа численными методами;
3. проведение обработки и анализа результатов лабораторных испытаний механических характеристик грунтоцемента, полученного при применении технологии струйной цементации, для оценки их влияния на деформируемость ограждения котлована;
4. сопоставление результатов численного моделирования и натурных измерений горизонтальных перемещений ограждения котлована;
5. разработка рекомендаций по применению ограждения комбинированного типа (с учетом грунтоцементных конструкций) в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов при устройстве глубоких котлованов.

Научная новизна исследования:

1. теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций;
2. на основе экспериментальных данных определена зона влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта при устройстве вертикальных грунтоцементных элементов;
3. по результатам статистической обработки испытаний грунтоцементных образцов получены зависимости для оценки расчётных механических характеристик грунтоцемента;
4. натурными экспериментами подтверждена эффективность применения грунтоцементных конструкций при устройстве ограждений котлованов в условиях слабых пылевато-глинистых грунтов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

На основе проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны принципы проектирования ограждений комбинированного типа, выполненных с применением грунтоцементных конструкций, при устройстве глубоких котлованов в условиях городской застройки; предложена методика назначения механических характеристик грунтоцемента. Результаты исследования позволили в оперативном режиме увеличить жёсткость уже готового шпунтового ограждения при устройстве котлована большого объёма и обеспечить сохранность зданий окружающей застройки.

Результаты работы внедрены в учебный процесс и получили частичное отражение в учебном пособии для студентов строительных вузов «Методы подготовки и устройства искусственных оснований».

Методология и методы исследования.

Методы исследования:

1. анализ литературных источников по устройству ограждений котлованов с применения технологии струйной цементации;
2. оценка влияния параметров грунтоцементных конструкций на деформируемость ограждения котлована с применением численных методов;
3. численное моделирование напряжённо-деформированного состояния ограждения котлована в условиях городской застройки (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург);
4. проведение натурных экспериментов по оценке влияния технологии струйной цементации на окружающий массив грунта и по определению механических характеристик грунтоцемента на площадке строительства;
5. анализ данных инклинометрических наблюдений за перемещениями ограждения на экспериментальной площадке;
6. сопоставление результатов проведённых экспериментов с результатами численного моделирования.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, механики твёрдого и деформируемого тела, математической статистики; обеспечивается достаточным объёмом экспериментальных исследований с применением современных средств обработки экспериментальных данных и оборудовании, а также внедрением результатов работы на реальном объекте.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на четырёх научно-технических конференциях (СПбГАСУ, 2009-2012) и получили отражение в семи научных публикациях, две из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 116 наименований, и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 134 страницы машинописного текста. Работа содержит 52 рисунка и 10 таблиц.

Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, её научной новизне, установленной практической значимости диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения, пункту 7 «Разработка новых методов расчёта, конструирования и устройства оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции, усилении и ликвидации аварийных ситуаций»; пункту 10 «Разработка научных основ и основных принципов обеспечения безопасности нового строительства и реконструкции объектов в условиях сложившейся застройки, в том числе для исторических памятников, памятников архитектуры и др.».

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

В проведенных исследованиях рассматривается следующий вариант снижения горизонтальных перемещений ограждения котлована: с внешней стороны существу ющего шпунтового ограждения устраиваются грунтоцементные секущиеся сваи, которые армируются несущими элементами. Секущиеся сваи должны обеспечивать сплошность всей конструкции (рис. 1). За счёт устройства таких конструкций происходит увеличение жёсткости всего ограждения, что актуально при возникновении значительных горизонтальных деформаций существующего ограждения в условиях городской застройки.

Рис. 1. Конструктивное решение ограждения комбинированного типа:

ГЦС – грунтоцементные сваи; В – условная толщина ограждения;

b – шаг рядов ГЦС; а – шаг свай в ряду и шаг армирующих элементов

Теоретически обоснована эффективность устройства ограждений комбинированного типа с учётом грунтоцементных конструкций. Для оценки влияния грунтоцементных конструкций (ГЦК) на деформируемость ограждения комбинированного типа были проведены расчёты численными методами. С этой целью были решены несколько задач с помощью численного моделирования при различных переменных параметрах грунтоцементных конструкций: длины НГЦК и условной толщины ВГЦК грунтоцементной конструкции.

В первой задаче рассматривалось одноанкерное ограждение комбинированного типа, расчётная схема которого представлена на рис. 2, а, б. Инженерно-геологические условия приняты как характерные для центральной части г. Санкт-Петербург, представленные слабыми водонасыщенными пылевато-глинистыми грунтами большой мощности (см. с. 13-14).

В расчётах диаметр грунтоцементных конструкций был принят как наиболее характерный размер, получаемый в условиях пылевато-глинистых грунтов (0,7 м). Шаг свай назначается таким, чтобы обеспечивалась сплошность всего ограждения. При принятом диаметре свай их шаг в ряду равен 0,5 м, шаг рядов свай – 0,4 м. Переменность толщины грунтоцементных конструкций обеспечивается путём увеличения числа рядов свай.

Рис 2. Расчётная схема (а), сечение (б) ограждения комбинированного типа и расчётная схема в виде условной балки (в):

ГЦК – грунтоцементные конструкции; Нк – глубина котлована; Нгцк – длина грунтоцементных конструкций; ВГЦК – толщина грунтоцементных конструкций; Вусл – толщина условной балки

Расчёт конструкций такого типа выполнялся следующими методами:

1. При расчётах с помощью методов численного моделирования шпунтовое ограждение и армирующий элемент моделируются элементами типа «плита», пространство между ними моделируется грунтом с условными характеристиками грунтоцемента.
2. В случае, когда характеристики грунтоцемента неизвестны или расчёт производится аналитическими методами, грунтоцемент между шпунтом и армирующим элементом рассматривается лишь как матрица, обеспечивающая позиционирование несущих элементов, при этом сечение ограждающей конструкции рассматривается как условная балка с условными характеристиками (рис. 2, в).

Геометрические характеристики условной балки (пог. м.) приняты: