Экспериментальные и численные исследования эффективности применения геотехнических экранов при защите городской застройки в зоне влияния глубоких котлованов

Экспериментальные и численные исследования эффективности применения геотехнических экранов при защите городской застройки в зоне влияния глубоких котлованов

Ф.Ф.Зехниев, Д.А.Внуков

На базе полученных экспериментальных и расчётных данных разработаны рекомендации, позволяющие существенно повысить эффективность применения защитных геотехнических отсечных экранов и тем самым гарантировано обезопасить окружающие здания и сооружения, расположенные в зоне влияния глубоких котлованов, от дополнительных сверхнормативных деформаций их оснований и фундаментов.

Ключевые слова: геотехнический отсечной экран, глубокий котлован, защита существующих зданий, лабораторный испытательный стенд, численный метод.

Experimental and Numerical Study of the Geotechnical Cutoff Walls Efficiency for the Protection of Existing Buildings

in the Zone of Deep Pits. By F.F.Zehniev, D.A.Vnukov

The article presents the recommendations that were developed on the basis of experimental and calculated data. They will provide significant improvement of the geotechnical cut-off walls efficiency and thus the protection of existing buildings, located in the zone of deep pits influence, from additional excess deformations of its bases and foundations.

Keywords: geotechnical cut-off wall, deep pit, protection of existing buildings,laboratory test stand, numerical method.

При освоении подземного пространства городов возникают вопросы, связанные с решением задач по обеспечению защиты существующей застройки, попадающей в зону влияния строительства.

Устройство геотехнических отсечных экранов между котлованом и окружающей застройкой (здания, сооружения и коммуникации) является одним из видов защитных мероприятий, призванных обезопасить окружающие здания и сооружения от дополнительных сверхнормативных деформаций их фундаментов.

Геотехнический экран представляет собой сплошную или прерывистую конструкцию в виде «стены в грунте» или стенки из металлических труб, буровых свай, которая устраивается в грунтах между будущим котлованом и существующими сооружениями, подлежащими защите.

Анализ российской и зарубежной научно-технической базы [1-6] показывает, что на практике в отдельных случаях для защиты окружающей застройки, расположенной в зоне влияния котлованов глубиной от 7 до 18 м (средняя глубина 12 м), применение геотехнических экранов не рекомендуется.

При этом в отечественных нормах [7] отсутствуют данные по параметрам и условиям эффективного применения геотехнических экранов, в особенности при строительстве зданий и сооружений с подземной частью в глубоких котлованах.

Проведение экспериментальных исследований

Целью экспериментальных исследований являлось получение данных по техническим параметрам, определяющим эффективность применения геотехнических экранов вблизи глубоких котлованов, с проверкой адекватности данных по изменению полей перемещений грунтового массива, получаемых численным методом исследований с применением конечно-элементного программного комплекса Р1ах1^ 2D.

Экспериментальные исследования проведены на автоматизированном испытательном комплексе (АИК «АСИС») с использованием лабораторного стенда (плоского лотка) и измерительной системы «АСИС», разработанных отечественной специализированной организацией НПП «Геотек», Пенза (рис. 1).

Конструктивно стенд выполнен в виде лотка с внутренними размерами: длина - 722 мм; ширина - 156 мм; высота - 536 мм. Стенд представляет собой плоский лоток с прозрачными передней и задней стенками, выполненными из стекла (дуплекс) толщиной 12 мм.

Эксперименты выполнялись методом физического моделирования для натурных котлованов глубиной (Нк) 8 м и 12 м, что с учётом принятого масштабного коэффициента 1:50 соответствует глубине котлованов в модели равной 16 см и

Рис. 1. Общий вид лабораторного стенда и оборудования: 1 - лоток, 2 - компьютер, 3 - блок управления и регистрации сигналов

24 см, как с применением геотехнического отсечного экрана, так и без него.

Под физической моделью понимается материальная система, свойства и параметры которой подобны реальному объекту, она представляет собой упрощенное воспроизведение процессов, происходящих в реальной системе.

В качестве физической модели массива грунта использовался песок средней крупности по классификации ГОСТ 25100-2011 [9] в воздушно-сухом состоянии. Гранулометрический состав песка был определён по ГОСТ 12536-2014 [10] и приведён в таблице 1.

В качестве элементов физической модели принимались следующие материалы: ограждение котлована и геотехнический отсечной экран - лист оцинкованной стали толщиной 0,5 мм; распорная система - деревянные бруски сечением 10*10 мм с накладками из пористого сжимаемого материала толщиной 10 мм в торцевой части; фундаментная плита (штамп) - деревянная доска толщиной 30 мм, длиной 480 мм и шириной 154 мм.

Давление под подошвой модели фундамента существующего здания в экспериментах было принято 7 кПа, что с

учётом масштабного коэффициента физической модели соответствует натурному давлению, равному 350 кПа. В проводимых исследованиях масштаб модельных экспериментов для линейных размеров и нагрузки на основание принимались с учётом габаритных размеров лабораторного испытательного стенда. Относительное расстояние от ограждения котлована до здания в экспериментах принято 0,5Н, а до геотехнического экрана - 0,3Нк. Экран выполнялся как вертикально, так и под углом 15о к вертикальной плоскости.

Обработка результатов и получение данных экспериментального опыта (поле перемещений песчаного грунта) выполнялись методом цифровой обработки Particle Image Velocimetry (PIV). В применяемом методе снимки частиц регистрируются на электронный носитель цифровой камеры, а последующая обработка снимков позволяет рассчитать смещения частиц между парой обрабатываемых снимков, например, за ступень откопки котлована. В проведённых экспериментальных работах сопоставлялись фотографии до начала откопки (после передачи нагрузки на штамп и выжидания стабилизации его осадки) и по её завершении

Таблица 1. Гранулометрический состав песка

Рис. 2. Фотоснимки лабораторного опыта с наклонным геотехническим экраном: слева - до откопки котлована, справа - после откопки котлована

Рис. 3. Результирующее двухкомпонентное поле перемещений грунтового массива, полученное методом цифровой обработки РIV

(рис. 2). После измерения перемещений частиц строится двухкомпонентное поле перемещений с последующим расчётом деформаций (рис. 3).

По результатам шести выполненных экспериментов (лабораторных опытов) было получено достаточное количество данных для последующей их систематизации и проверки адекватности изменения полей перемещений грунтового массива, получаемых численным методом конечных элементов.

Для проверки адекватности полей перемещений песчаного грунта при откопке котлована с геотехническим экраном, полученных по результатам цифровой обработки фотоснимков при проведении лабораторных опытов, выполнено их сопоставление с результатами численных исследований, проведённых с применением конечно-элементного программного комплекса Р1ах1^ 2D.

В качестве примера на рисунке 4 представлено сопоставление изополей перемещений песчаного грунта по результатам лабораторного опыта, проведённого для физической модели натурного котлована глубиной 12 м (с применением наклонного геотехнического экрана) и численного моделирования.

Сравнение изополей перемещений грунтового массива, полученных в лабораторных опытах, и данных численного моделирования показали качественную сходимость результатов.

Наличие геотехнического отсечного экрана в массиве грунта (как в экспериментальных, так и в численных опытах) наглядно показывает формирование области активных деформаций между конструкциями ограждения котлована и экрана, что обусловлено снижением угла трения грунта по материалу конструкции экрана. При этом с обратной стороны отсечного экрана деформации грунтового массива практически отсутствуют.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по диапазону перемещений грунтового массива для физической модели котлована глубиной 8 м (опыты №№ 1-3) и глубиной 12 м (опыты №№ 4-6) приводится в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, данные по диапазону перемещений грунтового массива, полученные по результатам лабораторных испытаний, в целом согласуются с результатами численного моделирования.

Экспериментальные исследования подтверждают функциональное назначение геотехнического экрана, заключающееся в ограничении области грунтового массива, в котором возникают изменения напряжённо-деформированного состояния от разработки грунта в котловане.

Проведение численных исследований

Для выявления оптимальных технических параметров геотехнических отсечных экранов было выполнено 66 расчётов по оценке влияния котлованов глубиной Нк=8 м и Нк=12 м на изменение напряженно-деформированного состояния

Рис. 4. Изополе горизонтальных перемещений грунтового массива: слева - лабораторный эксперимент, справа - численный расчёт в Р1ах!$

Таблица 2

№ опыта Наличие отсечного экрана Метод определения величины перемещений грунтового массива Диапазон перемещений, мм

общих горизонтальных вертикальных

1 без экрана экспериментальный 0,02-0,15 0,015-0,06 0,01-0,20

численный 0,016-0,16 0,014-0,14 0,01-0,13

2 вертикальный экспериментальный 0,02-0,35 0,01-0,25 0,01-0,3

численный 0,02-0,34 0,01-0,26 0,01-0,3

3 наклонный экспериментальный 0,02-0,5 0,01-0,05 0,02-0,35

численный 0,1-1,0 0,001-0,34 0,06-0,7

4 без экрана экспериментальный 0,1-8,0 0,1-4,0 0,1-7,5

численный 0,5-8,0 0,1-5,0 0,3-6,0

5 вертикальный экспериментальный 0,1-1,0 0,1-0,7 0,06-0,7

численный 0,1-1,5 0,6-1,1 0,1-1,4

6 наклонный экспериментальный 0,1-1,3 0,1-0,6 0,06-0,8

численный 0,1-1,2 0,5-1,1 0,1-1,1

основании существующей застроики с применением конечно-элементного программного комплекса Р1ах15 2D.

Для моделирования взаимодействия геотехнического отсечного экрана и ограждающей конструкции котлована с окружающим грунтом использовались интерфейсные элементы (контакт между конструкцией и окружающим грунтом). Расчётные значения прочностных характеристик на контакте «конструкция - грунтовый массив» принимались в соответствии с положениями СП 22.13330.2011 [7]: удельное сцепление ск = 0, угол трения грунта по материалу конструкции по формуле 5 = укф, где ф - угол внутреннего трения грунта, ук - коэффициент условий работы. Принятые в расчётах численным методом значения коэффициента условий работы представлены в таблице 3.

Численные исследования проведены для характерных типов инженерно-геологических условий города Москвы. Принятые в расчётах напластования грунтов, толщины слоёв и их физико-механические свойства представлены в таблице 4.

Положение геотехнического отсечного экрана в расчётах принималось по ранее установленным в НИИОСП параметрам

(без учёта наличия нагрузки на основание от существующего здания), определяющим его глубину погружения (1,2Нк) и расстояние до котлована (0,3Нк) при угле наклона экрана к вертикальной плоскости 0° и 15°. Жесткостные характеристики конструкции отсечного экрана в расчётах приняты: нормальная жёсткость ЕА = 2,4* 106 кН; изгибная жёсткость Е1 = 5,89*103 кН-м2, что соответствует конструкции экрана, выполняемого, например, из буроинъекционных свай диаметром 200 мм с шагом 400 мм.

На основании полученных в рамках численных исследований расчётных данных была выполнена оценка величины снижения дополнительной осадки поверхности грунтового массива, а также фундаментов зданий при разработке котлованов глубиной 8 м и 12 м в зависимости от инженерно-геологических условий, величины давления под подошвой фундамента, угла наклона экрана к вертикальной плоскости, коэффициента условий работы экрана (табл. 5 и 6). Величина снижения дополнительной осадки определяется отношением осадки поверхности грунтового массива или фундаментов здания с учётом применения экрана к осадке без применения экрана.

Таблица 3

Материал конструкции Технология устройства и особые условия У < к

Бетон, железобетон Монолитные гравитационные и гибкие подпорные стены, бетонируемые насухо. Монолитные фундаменты 0,67

Монолитные гибкие стены, бетонируемые под глинистым раствором в грунтах естественной влажности. Сборные гибкие стены, устраиваемые под глинистым раствором в любых грунтах. 0,33

Таблица 4

Тип грунтовых условий Физико-механические характеристики

Наименование грунтов Толщина слоя, м удельный вес у, кН/м3 сцепление с, кПа угол внутр. трения ср, ° модуль деформации £, МПа коэф. Пуассона V

насыпь 1,5 16,5 1 12 10 0,35

I песок ср. крупности, ср. плотности 10,0-15,0 19,7 2 36 30 0,30

насыпь 1,5 16,5 1 12 10 0,35

II суглинок полутвердый 6,5 20,0 38 21 22 0,35

песок ср.

крупности, ср. 3,5-8,5 19,7 2 36 30 0,30

плотности

насыпь 1,5 16,5 1 10 10 0,35

песок мелкий, рыхлый 3,5 17,0 1 27 17 0,30

песок

III пылеватый, рыхлый 3,0 16,7 1 23 7 0,30

песок

пылеватый, 4,5-10,0 18,9 1 18 18 0,30

ср. плотности

Также при оценке эффективности параметров применения геотехнических экранов рассмотрена зависимость величины снижения дополнительной осадки фундаментов здания от параметра, учитывающего влияние нагрузки от здания на величину горизонтальных деформаций ограждающей конструкции котлована. Параметр влияния нагрузки определяется отношением максимального горизонтального перемещения конструкции ограждения при наличии нагрузки от здания ис к величине её перемещения без нагрузки от здания иб при принятой изгибной жёсткости ограждения котлована и отсутствии отсечного экрана. В качестве примера на рисунке 5 приведена зависимость величины снижения дополнительной осадки фундаментов здания от

параметра влияния нагрузки для котлована глубиной 8 м в I типе грунтовых условий.

Таким образом, выполненная систематизация данных и анализ результатов численных исследований по деформированию грунтового массива и дополнительных осадок оснований фундаментов зданий при применении геотехнических отсечных экранов вблизи глубоких котлованов выявили технические параметры, определяющие эффективность применения отсечных экранов.

Результаты выполненных экспериментальных и численных исследований по деформированию грунтового массива и дополнительных осадок оснований фундаментов зданий вблизи котлованов глубиной Н от 8 м до 12 м позволили разработать

Таблица 5. Оценка величины снижения дополнительной осадки поверхности грунтового массива

Глубина котлована, м Тип грунтовых условий Вид отсечного экрана Относительная область снижения деформаций поверхности грунтового массива Коэффициент максимального снижения осадки поверхности грунтового массива Бэ/Б

8 I вертикальный (0,3-0,8)-Н к 0,20

наклонный (0,3-0,6)-Нк 0,20

II вертикальный (0,3-0,6)Нк 0,25

наклонный (0,3-1,0)Нк 0,25

III вертикальный (0,3-1,0)'Нк 0,25

наклонный (0,3-1,0)-Нк 0,35

12 I вертикальный (0,3-0,7)-Н к 0,20

наклонный (0,3-0,9)-Нк 0,10

II вертикальный (0,3-0,9)-Нк 0,25

наклонный (0,3-0,9)-Нк 0,25

III вертикальный (0,3-1,0)-Нк 0,50

наклонный >1,0-Н к 0,65

Таблица 6. Оценка величины снижения дополнительной осадки фундаментов здания

№ Глубина котлована Нк, м Давление под подошвой плитного фундамента, кПа Максимальные горизонтальные перемещения ограждения котлована, мм ис/ иб Максимальная осадка здания без отсечного экрана К, мм Э/ис Величина снижения дополнительной осадки, %

с применением отсечного экрана в зависимости от коэффициента условия работы ук н наклона экрана

без нагрузки (пб) с нагрузкой (ис) у* =0,33 ук=0,б7

вертикальный | наклонный вертикальный наклонный

I ТИП ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ

1 8 Без нагрузки 9,9 9.9 1.00 5.60 0.57 80 89 80 84

2 350 38 3.84 27,50 0,72 10 14 11 18

3 120 16,5 1.67 10.10 0.61 29 39 34 30

4 12 Без нагрузки 13,6 13,6 1.0 10.2 0,75 76 85 76 80

5 350 48.6 3.6 31.5 0.65 36 6 31 5

6 120 29,3 2,2 15.0 0.51 57 41 58 34

II ТИП ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЙ

7 8 Без нагрузки 13,6 13,6 1.0 10,2 0,75 76 85 76 80

8 350 48.6 3.6 31,5 0.65 36 6 31 5

9 120 29,3 2,2 15.0 0,51 57 41 58 34

10 12 Без нагрузки 19,1 19.1 1.0 5.4 0.28 37 76 39 72

11 350 56.5 3.0 35,3 0.62 18 16 25 12

12 120 27,9 1.5 10.1 0,36 21 27 36 20

4 2016 145

следующие рекомендации по эффективному применению геотехнических отсечных экранов.

1. При применении геотехнических отсечных экранов в качестве защитных мероприятий для снижения деформаций оснований окружающей застройки следует учитывать:

- инженерно-геологические условия площадки;

- расчётные и предельные дополнительные деформации оснований фундаментов зданий существующей застройки;

- влияние нагрузки от существующих зданий и сооружений на деформации конструкции ограждения котлована;

- технологические осадки от устройства экрана.

2. При расположении экрана на расстоянии 0,3-Як от ограждения котлована максимальная область снижения деформаций поверхности грунтового массива составляет 1,0 Нк от ограждения котлована. Максимальный коэффициент снижения дополнительной осадки поверхности грунтового массива, определяемый отношением осадки с учётом применения экрана к осадке без применения экрана, находится в пределах от 0,1 до 0,25. Исключение составляет применение отсечных экранов при разработке 12-метрового котлована в III типе грунтовых условий, для которого максимальный коэффициент снижения дополнительной осадки составляет 0,5-0,65. Таким образом, применение геотехнических отсечных экранов является достаточно эффективным мероприятием при защите инженерных коммуникаций от дополнительных деформаций при разработке котлована.

Рис. 5. Зависимость величины снижения дополнительной осадки фундаментов здания от параметра влияния нагрузки для котлована глубиной 8 м в I типе грунтовых условий

3. Возможность применения геотехнического отсечного экрана для защиты существующих зданий и сооружений следует рассматривать в случае, если их расчётные дополнительные деформации основания фундаментов по результатам геотехнического прогноза достигают предельных дополнительных величин, регламентируемых таблицей Л.1 приложения Л - СП 22.13330.2011. При этом необходимо учитывать параметр влияния нагрузки, определяемый отношением максимального горизонтального перемещения конструкции ограждения котлована при наличии нагрузки от здания к величине её перемещения без нагрузки от здания при принятой изгибной жёсткости ограждения котлована и отсутствии отсечного экрана. Для предварительной оценки эффективности применения геотехнического отсечного экрана рекомендуется использовать таблицу 7.

4. При выполнении геотехнического прогноза необходимо учитывать технологическую осадку основания фундаментов зданий от устройства геотехнического отсечного экрана. В качестве рекомендуемого значения технологической осадки следует принимать величину средней осадки равную 8 мм при устройстве экрана на расстоянии от 1 м до 3 м до здания. Указанную величину технологической осадки от устройства экрана необходимо суммировать с расчётной дополнительной осадкой здания, полученной по результатам численного моделирования. Также допускается технологическую осадку суммировать с осадкой, полученной при предварительной оценке с учётом величины снижения, принимаемой по таблице 7. При устройстве геотехнического отсечного экрана в рамках геотехнического мониторинга необходимо вести наблюдения за дополнительными осадками фундаментов защищаемых зданий для оценки величины технологической осадки.

5. Рекомендуется применение геотехнических отсечных экранов в качестве защитного мероприятия для зданий и сооружений, в том числе исторической застройки, расположенных на расстоянии не менее 0,4-Як от ограждения котлована в случае, если требуется снизить дополнительные расчётные деформации оснований их фундаментов на незначительную величину. При этом экран следует располагать ближе к ограждению котлована на расстоянии, исключающем возможность проявления технологических осадок от его устройства.

Таблица 7

Глубина котлована, м Тип грунтовых условий Параметр влияния нагрузки Рекомендуемый вид отсечного экрана Глубина устройства отсечного экрана Величина снижения дополнительной осадки, %

8 I [1; и] вертикальный и наклонный не менее 1,2Нк 90-30

II [1; и] наклонный 40-20

12 I [1; 2,2] вертикальный и наклонный 85-40

II [1; 1-5] наклонный 80-20

6. При проектировании геотехнических отсечных экранов рекомендуется рассматривать конструкции, изгибная жёсткость которых не превышает жёсткости ограждающей конструкции котлована. В противном случае следует прибегать к конструктивным мероприятиям, направленным на повышение жёсткости ограждения котлована, либо рассматривать другие виды защитных мероприятий для окружающей застройки с учётом технико-экономических показателей.

Литература

1. Старшинов,А.А. Опыт разработки системы мониторинга на основе прогноза влияния подземного строительства на окружающую застройку в условиях г. Москвы / А.А. Старшинов, А.А. Фурсов, А.Д. Кузнецов // Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений: сб. тр. межд. конф. 13-16 июня 2001. - СПб, 2001. - Т. II. - с. 191-197.

2. Басиев, А.Н. Метод обеспечения устойчивости зданий при проходке вблизи подземных коллекторов и тоннелей / А.Н. Басиев, М.В. Зелов // Подземное строительство России на рубеже XXI века: тр. юбилейной науч.-практич. конф. 15-16 марта 2000. - М., 2000. - С. 97-104.

3. Bin-Chen, B.H. The use of piling and propping for the protection of buildings beside deep excavations: case studies from Taipei, Taiwan / В.Н. Bin-Chen, F.T. David, C. Chun-Hung, N.H. Richard, Hwang // Proc. The 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse. 2002) "Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground", 4th Session Deep Excavation: Design and analysis. - Toulouse, Franse, 23-25 October, 2002. - P. 57-62.

4. Никифорова, Н.С. Геотехнические отсечные экраны для защиты зданий вблизи глубоких котлованов / Н.С. Никифорова, Д.А. Внуков // Сб. науч. тр. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова ОАО «НИЦ «Строительство». Вып. 100. - М., 2011. - С. 224-242.

5. Никифорова, Н.С. Защита зданий вблизи глубоких котлованов и коммуникационных коллекторов геотехническими отсечными экранами / Н.С. Никифорова, Д.А. Внуков // Вестник МГСУ. - 2011. - №5. - С.108-112.

6. Nikiforova, N.S. Geotechnical cut-off diaphragms for built-up area protection in urban underground development

/ N.S. Nikiforova, D.A. Vnukov // The proc. of the 7th Int. Symp. "Geotechnical aspects of underground construction in soft ground", 16-18 May, 2011, tc28 IS Roma, AGI, 2011, №157NIK.

7. СП 22.13330.2011 «СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция» - М.: 2011.

8. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация.

9. ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.

Literatura

1. Starshinov, A.A. Opyt razrabotki sistemy monitoringa na osnove prognoza vliyaniya podzemnogo stroitel'stva na okruzhayushhuyu zastrojku v usloviyah g. Moskvy / A.A. Starshinov, A.A. Fursov, A.D. Kuznetsov // Geotehnika. Otsenka sostoyaniya osnovanij i sooruzhenij: sb. tr. mezhd. konf. 13-16 iyunya 2001. - SPb, 2001. - T. II. - s. 191-197.

2. Basiev, A.N. Metod obespecheniya ustojchivosti zdanij pri prohodke vblizi podzemnyh kollektorov i tonnelej / A.N. Basiev, M.V. Zelov // Podzemnoe stroitel'stvo Rossii na rubezhe XXI veka: tr. yubilejnoj nauch.-praktich. konf. 15-16 marta 2000.

- M., 2000. - S. 97-104.

4. Nikiforova, N.S. Geotehnicheskie otsechnye ekrany dlya zashhity zdanij vblizi glubokih kotlovanov / N.S. Nikiforova, D.A. Vnukov // Sb. nauch. tr. NIIOSP im. N.M. Gersevanova OAO «NITS «Stroitel'stvo». Vyp. 100. - M., 2011. - S. 224-242.

5. Nikiforova, N.S. Zashhita zdanij vblizi glubokih kotlovanov i kommunikatsionnyh kollektorov geotehnicheskimi otsechnymi ekranami / N.S. Nikiforova, D.A. Vnukov // Vestnik MGSU. - 2011.

- №5. - S.108-112.

7. SP 22.13330.2011 «SNiP 2.02.01-83* Osnovaniya zdanij i sooruzhenij. Aktualizirovannaya redaktsiya» - M., 2011.

8. GOST 25100-2011. Grunty. Klassifikatsiya.

9. GOST 12536-2014. Grunty. Metody laboratornogo opredeleniya granulometricheskogo (zernovogo) i mikroagregatnogo sostava.