Мониторинг ограждающей конструкции глубокого котлована

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.152

И.А. САЛМИН, инженер

ООО «ИнжПроектСтрой»

Мониторинг ограждающей конструкции глубокого котлована

В настоящей работе представлен опыт оптимизации проектного решения по ограждению котлована глубиной 14,4 м. Мониторинг перемещений ограждения котлована двумя методами показал сопоставимые результаты (перемещения в процессе разработки и дальнейшей эксплуатации не превысили 16 мм). Наблюдения за показаниями датчиков сил позволило сделать вывод об отсутствии эффектов ползучести корня анкера, а также о значительно меньших усилиях в анкерах, чем было получено по расчету. Низкие значения усилий в анкерах обусловлены низкими значениями перемещений ограждения котлована. Системы мониторинга являются важным инструментом для получения фактической информации о состоянии ограждения в процессе разработки котлована, а также дальнейшей его эксплуатации.

Ключевые слова: мониторинг, ограждение котлована, инклинометр, датчик силы, GeoWall, Alterra, подземное строительство, анкер.

Для цитирования: Салмин И.А. Мониторинг ограждающей конструкции глубокого котлована // Жилищное строительство. 2017. № 9. С. 29-33.

I.A. SALMIN, Engineer

Monitoring of the Enclosing Structure of a Deep Pit

The article presents an experience in optimization of the design solution of enclosing the pit of 14.4 m depth. The monitoring of moving of the pit enclosing by two methods shows comparable results (moving during the process of excavation of the pit and its further operation didn't exceed 16 mm). Monitoring the readings of force sensors has made it possible to conclude that the effects of creep of the anchor root are absent and the stresses in anchors were significantly lesser that obtained according to the calculation. Low values of stresses in anchors are due to the low values of displacement of the excavation fence. Monitoring systems are an important instrument for obtaining factual information about the enclosing conditions during the process of pit excavation as well as its further operation.

Keywords: monitoring, pit enclosing, inclinometer, force sensor, GeoWall, Alterra, underground construction, anchor.

For citation: Salmin I.A. Monitoring of the enclosing structure of a deep pit. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 9, pp. 29-33. (In Russian).

При строительстве технических сооружений для очистки ливневых сточных вод в Перми необходимо выполнить устройство ограждения котлована. Глубина котлована составляет 14,4 м, протяженность котлована в плане 25 м. Существующий проект предполагал устройство ограждения из БНС 0600 мм, глубиной 30 м с 4-мя ярусами крепления грунтовыми анкерами.

В геологическом строении данного района принимают участие биогенные (ПГС), четвертичные отложения. Коренные породы встречены всеми скважинами и представлены пермскими отложениями (алевролиты, аргиллиты). Особенностью коренных грунтов является их размокаемость. При добавлении воды один образец полностью размок. Второй образец показал падение прочности на одноосное сжатие более чем в 10 раз. Уровень грунтовых вод находится на отметке глубины котлована.

Предварительный анализ существующего проектного решения показал, что длина заделки 16,6 м для котлована глубиной 14,4 м является избыточной. Обвязочный пояс из одинарного швеллера 30Ш недостаточен для подобного котлована, причем конструкция пояса не позволит провести натяжения анкеров. Корни анкеров предлагалось выполнить 0600 мм в аргиллитах и алевролитах по технологии

92017 ^^^^^^^^^^^^^

струйной цементации грунтов [1], что является достаточно спорным решением. На практике возможно объединить технологию буроинъекционных свай с технологией струйной цементации; технология носит название Атлант-Jet [2], при этом диапазон диаметров варьируется от 300 мм в глинистых грунтах до 500 мм в песчаных. Практика показывает, что разрушить струей цементного раствора полускальный грунт до 0600 мм не представляется возможным.

Выбор проектного решения подтверждался техническим отчетом по расчету в программе Plaxis 8 с использованием модели Hardening Soil. Отчет содержал ряд неточностей и допущений. Основным замечанием к отчету было использование в качестве расчетных значений физико-механических характеристик грунтов табличные значения из СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*». Анализ отчета по расчету показал, что расчетные значения усилий в анкерах превышают несущую способность анкеров по материалу.

С целью устранения выявленных недочетов было решено внести изменения в проектное решение. В новом решении длину ограждения сократили с 30 до 22,5 м, глубина заделки составила 8,1 м. Изменению подверглись анкеры: длина анкеров уменьшилась, но площадь сечения анкерных тяг уве- 29

Рис. 1. Начальное проектное решение. Зеленым цветом показана длина ограждения до заделки (14,4 м), красным — заделка (16,6 м). Длина ограждения 30м

ТА* ™

Рис. 2. Сравнение двух проектных решений. Красным цветом показано исходное проектное решение, зеленым цветом

— новое решение

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 4. Расчет ограждения котлована в программе GeoWall

личена, уменьшен угол установки анкеров с 30 до 20°, диаметр корней анкеров уменьшен с проектных 600 до 0 250 мм. Сравнение двух решений представлено на рис. 2.

Для оптимизации проектного решения были выполнены дополнительные изыскания, в результате которых уточнен инженерно-геологический разрез, а также получены физико-механические характеристики грунтов.

При расчете ограждений котлованов одной из первых задач является выбор модели взаимодействия грунта с ограждением. В МКЭ решается полная система уравнений равновесия, геометрических соотношений, физических соотношений и граничных условий для каждого элемента, на которые разбивается массив грунта и ограждение. В качестве физических соотношений для грунта часто применяют упругопластическую модель с критерием перехода в пластическое состояние согласно зависимости Кулона-Мора.

В инженерных методиках (в частности, предлагаемых в СП 22.13330.2011, СП 101.13330.2012 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные соору-

92017 ^^^^^^^^^^^^^

жения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87», [3-4]) горизонтальная реакция грунта определяется кусочно-линейной функцией, которая зависит от горизонтального смещения ограждения.

В расчетах применялись оба подхода к моделированию взаимодействия ограждения и грунта: подход МКЭ реализован в программе Alterra [5] (рис. 3), подход с кусочно-линейной функцией реализован в программе GeoWall (рис. 4).

Оптимизация проектного решения позволила сократить общую длину буронабивных свай на 25%, длину анкеров на 30%. Замена анкеров Titan на Атлант [6, 7] производства ООО «ИнжПроектСтрой», позволила дополнительно сократить стоимость работ. При оптимизации варьировались отметки установки анкеров [8], углы установки, длина заделки. По результатам расчетных усилий подбиралось армирование ограждения, длина корней анкеров [9], площадь поперечного сечения тяг анкеров.

С целью подтверждения правильности принятых проектных решений предусмотрено проведение мониторинга в про- 31

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

^ ___.»ДГ —

1Г*.'г

I ¡щ , ^__

20

Макс. перемещения, мм Усилия в анкерах, кН

Исходный проект, Plaxis 8 148 750

Оптимизированный проект, GeoWall 6 33 550

Оптимизированный проект, АКегга 122 530

Наблюдения 16 200

21 фев 23 мар 22 апр 22 май 21 июн 21 июл 20 авг 19 сен М1 М2 М3 М4 М5 М6 М7 М8 М9 М10 М11 М12 М13 М14 М15 М16 М17 М18 М19 М20

Рис. 6. Значения горизонтальных перемещений марок от времени

Рис. 5. Положение опорных точек для мониторинга. Синим цветом показаны геодезические марки, красным цветом — датчики усилий на анкеры, желтым — инклинометрическая трубка

цессе разработки котлована. Мониторинг включал в себя геодезические наблюдения, инклинометрические наблюдения, а также контроль усилий в анкерах по показаниям датчиков сил.

Геодезические марки устанавливали по 4 шт. на каждом ярусе и верхней обвязочной железобетонной балке - итого 20 марок (рис. 5). Наблюдения велись начиная с февраля по настоящее время. Результаты наблюдений представлены на рис. 6.

За все время наблюдений перемещения ограждения, по данным геодезических наблюдений, не превышали 16 мм. Параллельно производились измерения инклинометром. Результаты наблюдений представлены на рис. 7.

За все время наблюдений перемещения ограждения, по данным инклинометрических наблюдений, не превышали 8 мм. Эпюры профилей, полученные инклинометром, представлены на рис. 8.

В дополнение к мониторингу перемещений установлены датчики усилий на анкеры. Результаты наблюдений представлены на рис. 9.

Изначальное усилие натяжения составляло 100-150 кН в зависимости от яруса установки анкеров. На протяжении пяти месяцев усилие натяжения в анкерах изменилось незначительно: выросло соответственно до 120-180 кН.

Отличие результатов наблюдений от расчетных значений связано с тем, что фактические условия работы ограждений котлованов могут отличаются от условий, предполагаемых при проектировании. Причины этому могут быть различными:

- расчетные модели ограждений котлованов имеют ряд допущений;

- расчетные значения физико-механических свойств грунтов, как известно, являются случайными величинами с определенным доверительным интервалом;

Сравнение результатов расчета с наблюдениями

0

20 фев 22 мар 21 апр 21 май 20 июн 20 июл 19 авг

Рис. 7. Значения максимальных перемещений по результатам инклинометрических наблюдений

-10

Гор. перемещения, мм

-5 0 5

10

ярус 1 ярус 2 ярус 3 ярус 4 проект. отм. 27 мар до 2 яруса 06 апр до 3 яруса 13 апр до 3 яруса 22 апр до 4 яруса 06 май до проект. отм. 11 май до проект. отм. 16 авг до проект. отм.

20

Рис. 8. Значения максимальных перемещений по результатам инклинометрических наблюдений

250

^ 200

150

100

с

о

50

0

ПА

ч—1 ч. У

Ярус 2 Ярус 3 Ярус 4

16 мар 15 апр 15 май 14июн 14 июл 13 авг 12 сен 12 окт

Рис. 9. График зависимости усилий в анкерах от времени

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

- устройство ограждения котлована может изменить гидрогеологические условия площадки;

- возможное превышение глубины разработки котлована;

- возможное появление дополнительной технологической нагрузки на бровке котлована.

Для уточнения расчетной модели можно воспользоваться обратным расчетом и определить фактические значения свойств грунтов, которые оказывают наибольшее влияние на НДС схемы. Подобный анализ на примере осадки фундаментной плиты с подбором модуля деформации приведен в статье [10].

При обратных расчетах ограждения котлована было подобрано повышенное значение угла внутреннего трения грунта заделки (с 15 до 25°). В этом расчетном случае результаты перемещений ограждения котлована и усилия в анкерах стали достаточно хорошо описывать наблюдаемые значения на реальном объекте.

Список литературы

1. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. М.: Строй-издат, 2010. 226 с.

2. Малинин П.А., Струнин П.В., Гульшина Ю.Г., Салмин И.А. Опыт применения новой технологии грунтовых анкеров «Атлант Jet» при креплении глубокого котлована в Москве: Сб. трудов международной научно-технической конференции «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение». СПб, 2014. С. 142-148.

3. Клейн Г.К. Расчет подпорных стен. М.: Высшая школа, 1964. 196 с.

4. Горбунов-Посадов М.И., Ильичев В.А., Крутов В.И. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Под. общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.

5. Малинин П.А., Воробьев А.В., Жемчугов А.А. Шестаков А.П. Современный программный комплекс для геотехнических расчетов методом конечных элементов // Жилищное строительство. 2011. № 9. С. 32-33.

6. Малинин П.А., Струнин П.В. Опыт строительства глубокого котлована с использованием технологии струйной цементации грунтов // Геотехника. 2013. №2. С. 4-13.

7. Малинин А.Г., Малинин Д.А. Анкерные сваи «Атлант» // Жилищное строительство. 2010. № 5. С. 60-62.

8. Марголин В.М. - Поиск оптимальных решений ограждения котлована «стеной в грунте» с использованием бу-роинъекционных анкеров // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 12. С. 23-26.

9. Малинин Д.А. Несущая способность винтовых анкеров «Атлант» // Жилищное строительство. 2012. № 9. С. 46-49.

10. Тер-Мартиросян З.Г., Тер-Мартиросян А.З., Соболев Е.С. Анализ данных геотехнического мониторинга плитных фундаментов большой площади // Геотехника. 2012. № 4. С. 28-34.

Выводы.

Проектирование ограждений котлованов является многофакторной задачей, затрагивающей различные области знания механики грунтов. Расчеты ограждения котлована позволяют получить некоторый набор различных вариантов проектных решений, но мониторинг дает ответ на вопрос, насколько выбранное решение соответствует поставленной задаче.

Мониторинг является полезным инструментом при разработке котлована. Авторы проекта могут получать сигналы о состоянии ограждения практически в любое время в процессе строительства и даже после него. Мониторинг в роли обратной связи позволяет дать ответ, насколько расчетная модель близка к реальности. Это дает возможность развиваться инженеру-проектировщику. Полученный опыт позволяет в дальнейшем принимать более рациональные проектные решения.

References

1. Malinin A.G. Struinaya tsementatsiya gruntov [Jet cementation of soil]. Moscow: Stroyizdat, 2010. 226 р.

2. Malinin P.A., Strunin P.V., Gulshina Yu.G., Salmin I.A. Experience of use of new technology of soil anchors «the Atlas of Jet» when fastening a deep ditch in Moscow». Works of the international scientific and technical conference «Modern Geotechnologies in Construction and Their Scientific and Technical Maintenance». St. Petersburg, 2014, рр. 142-148. (In Russian).

3. Klein G.K. Raschet podpornykh sten [Calculation of retaining walls]. Moscow: Vysshaya shkola, 1964. 196 p.

4. Gorbunov-Posadov M.I., Ilyichev V. A., Krutov V.I. Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya [Bases, bases and underground constructions]. Under. general edition of E.A. Sorochan and Yu.G. Trofimenkov. Moscow: Stroyizdat, 1985. 480 p.

5. Malinin P.A., Vorobyov A.V., Zhemchugov A.A. Shestakov A.P. A modern program complex for geotechnical calculations with a finite element method. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2011. No. 9, рp. 32-33. (In Russian).

6. Malinin P.A., Strunin P.V. Experience of construction of a deep ditch with use of technology of jet cementation of soil. Geotekhnika [Geotechnics]. 2013. No. 2, рp. 4-13. (In Russian).

7. Malinin A.G., Malinin D.A. Anchor piles «Atlant». Zhilishchnoe stroite!stvo [Housing construction]. 2010. No. 5, fp. 60-62. (In Russian).

8. Margolin V.M - Search of optimal solutions of a protection of a ditch «a wall in soil» with use the buroinjektsionnykh of anchors. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and civil engineering]. 2012. No. 12, рp. 23-26. (In Russian).

9. Malinin D.A. The bearing ability of screw anchors «Atlas». Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2012. No. 9, рp. 46-49. (In Russian).

10. Ter-Martirosyan Z.G., Ter-Martirosyan A.Z., Sobolev E.S. Analysis of data of geotechnical monitoring of the slabby bases of the big area. Geotekhnika [Geotechnics]. 2012. No. 4, рp. 28-34. (In Russian).

MALININ GROUP

MALININ group объединяет компании «ИнжПроектСтрой»; «Специальная строительная техника»; «Анкерные системы»; «GeoSoft», занимающиеся геотехническими работами, производством специального строительного оборудования, анкеров, а также разработкой программного обеспечения для геотехнических расчетов.

www.MalininGroup.com

Proekt@MalininGroup.com

9'2017

33