Деформации грунтового массива и ограждения при разработке котлована в условиях слабых грунтов

На правах рукописи

Сливец Константин Владимирович

Деформации грунтового массива и ограждения

при РАЗРАБОТКЕ котлована в условиях слабых грунтов

Специальность

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО “ПГУПС” (Петербургский университет путей сообщения)

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Парамонов Владимир Николаевич ГОУ ВПО «Петербургский университет путей сообщения»
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Кириллов Владимир Михайлович ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»
	кандидат технических наук, доцент Матвеенко Геннадий Алексеевич ООО «Подземстройреконструкция», г. Санкт-Петербург
Ведущая организация:	ООО «Геоизол», г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 2 » марта 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-ая Красноармейская ул., 4, зал заседаний.

Телефакс (812) 316-58-72

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

Автореферат разослан « » февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. т. н., проф. Ю. Н. Казаков

Актуальность темы. В настоящее время для всех крупных городов, в том числе и для Санкт-Петербурга, в связи с нехваткой свободной территории для нового строительства, актуален вопрос об освоении подземного пространства. Строительство подземных сооружений в центре города связано с устройством котлованов, разработка которых осложняется наличием вблизи зданий и сооружений, а также мощной толщей слабых грунтов. Поэтому для проектировщика чрезвычайно важно иметь надежный метод расчета ограждающих конструкций в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, действенность которого подтверждена наблюдениями в натурных условиях.

Количество и качество данных натурных наблюдений, имеющихся на настоящий момент, не позволяет провести их сравнение с результатами расчетов, выполненных по различным методикам. Для получения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) системы «ограждение-грунт» в рамках данной работы выполнен комплексный мониторинг на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Проведение наблюдений на опытной площадке с использованием специального оборудования позволило получить более обширную информацию о поведении системы «ограждение-грунт» в сравнении с наблюдениями, выполняемыми на строительных площадках. Данные натурных наблюдений, полученные на опытной площадке, значительно точнее данных, получаемых на строительной площадке, поскольку влияние посторонних факторов сведено к минимуму.

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 условиях.

проведены 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 надежные 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 данные о совместной работе ограждения и грунтового массива на опытной площадке в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга;

предложен алгоритм получения параметров нелинейной упругопластической модели.

Теоретическая значимость. Предложен алгоритм расчета ограждений котлованов с использованием нелинейных упругопластических моделей грунта и способ определения их параметров.

Практическая значимость. 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 Геореконструкция-Фундаментпроект и кафедры Основания и фундаменты ПГУПС при расчете ограждающих конструкций в центральной части Санкт-Петербурга.

На защиту выносятся:

результаты полевых исследований НДС системы «ограждение колована-массив грунта», выполненных на опытной площадке;

результаты сравнения данных натурных наблюдений с результатами расчетов, выполненных различными инженерными методами, и результатами численного моделирования с использованием упругопластических моделей грунта;

алгоритм подбора параметров нелинейных упругопластических моделей.

Объем работы. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, перечислены выносимые на защиту вопросы, а также отражена новизна работы.

В первой главе выполнен анализ существующих методов расчета ограждающих конструкций. Данному вопросу посвящены исследования А. Я. Будина, З. Н. Буцко, С. С. Голушкевича, Ю. М. Гончарова, Б. Ф. Горюнова, В. Б. Гуревича, Н. И. Давидовича, Г. А. Дуброва, Ю. К. Зарецкого, В. М. Кириллова, Г. К. Клейна, Г. Е. Лазебника, Т. А. Малышевой, И. П., Матвеенко Г. А., Прокофьева, В. Ф. Раюка, В. Н. Ренгача, П. Роу, Н. К. Снитко, В. В. Соколовского, К. Терцаги, В. М. Улицкого, А. Б. Фадеева, Н. А. Цытовича, Г. П. Чеботарева, А. Г. Шашкина, К. Г. Шашкина, Ф. М. Шихиева, В. С. Христофорова, Б. Хансена.

Современные нормативные методы расчета ограждений котлованов основаны на решениях задач теории предельного равновесия. Грунт в этих методах рассматривается как жесткопластическая среда. Давление грунта является известной величиной и изменяется с глубиной по линейному закону. Однако, как показали многочисленные исследования, давление грунта на ограждающие конструкции зависит от многих факторов. В некоторых способах расчета подпорных сооружений делалась попытка учета этих факторов путем трансформации эпюры давления грунта, введения эмпирических коэффициентов, регулирующих величину изгибающего момента и усилия в распорке. Учет таких факторов возможен при совместном расчете системы «ограждение-грунт».

Расчет способом коэффициента постели является простейшим способом, позволяющим описать взаимодействие ограждения и грунта. Следует отметить, что аналитические решения существуют только для консольной стенки и мало отличаются от расчета свай на горизонтальную нагрузку. Расчет ограждения с одним или несколькими ярусами распорок способом коэффициента постели возможен при использовании численных методов. Закон, по которому коэффициент постели меняется с глубиной, может быть принят любым. Главным недостатком способа коэффициента постели является схематизация работы грунта при его взаимодействии с ограждением, а также неопределенность величины коэффициента постели.

Использование метода конечных элементов (МКЭ) позволяет при расчете системы «ограждение-грунт» использовать различные модели грунта. Наиболее часто используемая в расчетах идеально упругопластическая модель с критерием прочности Кулона-Мора весьма схематично описывает поведение реального грунта, так как в ней модули объемного сжатия и сдвига являются постоянными величинами. Вместе с тем, эта модель требует определения минимального числа параметров. Применение моделей, основанных на ассоциированном законе пластического течения, таких как Modified Cam-Clay, должно быть тщательно обосновано. Необходимо проведение сложных и трудоемких опытов по определению формы поверхности нагружения, что ограничивает применение подобных моделей. Упругопластические модели, базирующиеся на деформационной теории пластичности, требуют проведения менее трудоемких лабораторных опытов и достаточно точно описывают поведение грунта на простых траекториях нагружения. Существуют также смешанные модели (Hardening Soil Model, HS-small model), при построении которых используются как зависимости теории пластического течения, так и зависимости деформационной теории пластичности. 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.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований работы ограждения опытного котлована и массива грунта, проведенного под руководством к.т.н. Васенина В. А.

По данным инженерно-геологических изысканий в геологическом строении участка опытной площадки до глубины 30 м принимают участие техногенные (tg IV), морские и озерные (m,1 IV), озерно-ледниковые (lg III), ледниковые (g III), а также межледниковые отложения (lg II) (рис. 1).

Рис. 1. Инженерно-геологическая колонка и данные статического

зондирования на участке опытной площадки

Опытный котлован имел в плане размеры 31х11,5 м (рис. 2). Распорные конструкции были расположены на глубине 3,5 м от верха шпунта.

Рис. 2. Продольный и поперечный разрезы опытного котлована

Ограждение котлована было выполнено из шпунта типа F 6012 в поперечном сечении имеющего форму полукруга, длина которого составляла 22 м (табл.).

Таблица Геометрические характеристики сечения шпунта F 6012

Схематический профиль шпунта	Обозначение	А, мм	t, мм	d2, мм	D, мм	t, мм	Площадь сечения, см2	Wx, см3	Ix, см4
								1п.м	1 п.м
	F 6012	1208	12	32	60	10	246	5833	350000