Delist.ru

Взаимодействие конструкций контрфорсных "стен в грунте" с грунтовым массивом при строительстве городских тоннелей (15.04.2008)

Автор: Стаин Александр Валерьевич

установлены закономерности в формировании напряженно-деформированного состояния системы «контрфорсная «стена в грунте» - грунтовый массив» в процессе разработки котлована. Определены такие параметры этой системы, при которых возможно устройство консольной контрфорсной «стены в грунте», без устройства анкерной или распорной крепи;

исследовано напряженно-деформированное состояние, возникающее при взаимодействии контрфорсной «стены в грунте», распорной грунтобетонной плиты, создаваемой по технологии струйной цементации грунтов ниже отметки дна котлована, и примыкающего к ним массива грунта в процессе разработки котлована. Определены такие параметры грунтоцементной плиты и контрфорсной «стены в грунте», при которых возможно устройство консольной контрфорсной «стены в грунте»;

Практическая значимость работы. На основании выполненного автором исследования получены следующие практические результаты:

определены области применения и возможные конструктивные решения контрфорсных «стен в грунте»;

доказано, что при проектировании траншей, заполненных бентонитовым раствором, в местах их взаимного пересечения и примыкания следует принимать коэффициент запаса устойчивости в 1,2 раза выше, чем для соответствующих им плоских траншей;

установлены формы разрушения траншей для контрфорсных «стен в грунте» и построены графики, позволяющие найти коэффициент запаса устойчивости таких траншей в зависимости от уровня подземных вод, удельного веса тиксотропного раствора, величины и положения технологических нагрузок;

определены размеры контрфорсной «стены в грунте» и параметры грунта, при которых для глубины котлована 10 – 12 м (такая глубина характерна для котлованов транспортных тоннелей, сооружаемых открытым способом) возможно устройство стены, не требующей дополнительных креплений в виде грунтовых анкеров, расстрелов и т.п.;

для ограждения стен котлованов транспортных сооружений в качестве одного из вариантов предложено использовать консольные контрфорсные «стены в грунте», закрепленные ниже дна котлована горизонтальной грунтоцементной плитой, созданной с помощью струйной цементации грунта. Такое ограждение может быть более экономичным, чем плоские «стены в грунте», закрепленные грунтовыми анкерами или расстрелами.

Достоверность полученных результатов обоснована:

строгостью исходных предпосылок применяемых методов исследований;

учетом требований действующих нормативных документов;

использованием разработок передовых отечественных и иностранных фирм и организаций;

тестовыми решениями задач, связанных с устройством «стены в грунте», для которых либо имеются экспериментальные результаты, либо решения, полученные другими исследователями с использованием альтернативных методов расчета.

Реализация результатов. Результаты работы нашли применение:

в учебном процессе кафедры «Мосты и транспортные тоннели» МАДИ (ГТУ);

в ИИЦ «ЗЭСТ» при проектировании подземных объектов в г. Москве и Ярославле.

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения диссертационной работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) в 2004 – 2006 гг.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 183 стр. текста, 131 иллюстрацию, 17 таблиц и включает введение, 4 главы, общие выводы, список литературы 190 наименований и 3 приложения.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации дается анализ современного состояния и перспектив применения контрфорсных «стен в грунте» при строительстве городских подземных сооружений. Рассмотрены вопросы применения контрфорсных «стен в грунте» для ограждения котлованов различных объектов подземного строительства. Отмечены преимущества и недостатки использования контрфорсных «стен в грунте» при строительств городских тоннелей. Проанализированы конструкции и технологии возведения контрфорсных «стен в грунте». Дан краткий обзор основных методов расчета «стен в грунте».

Впервые контрфорсная «стена в грунте» была использована в 1973 г. в Англии для создания стен подземного резервуара. С тех пор она нашла применение в самых различных областях подземного строительства: при устройстве технологических камер для проходки автодорожного тоннеля под существующими железнодорожными магистралями в Америке; для создания стен многоярусного подземного гаража во Франции; для закрепления стен котлована строящихся тоннелей рядом с историческим памятником в Германии и т. д. В последние годы контрфорсные «стены в грунте» стали внедряться в практику подземного строительства и в России.

Для описания поведения грунта и взаимодействующей с ним конструкции могут быть использованы методы теории предельного равновесия, аналитические методы расчета конструкций на упругом и неупругом основаниях, численные методы механики сплошной среды.

Первые работы по определению давления грунта на подпорную стенку с использованием теории предельного равновесия были выполнены Шарлем Кулоном. Дальнейшее развитие теория Кулона получила в трудах К. Кульмана, Г. Ребхана, Ж. Понселе и Миллера-Бреслау. Далее идеи Кулона - Миллера-Бреслау были развиты в исследованиях И.П. Прокофьева, В.В. Соколовского, С.С. Голушкевича, Н.К. Снитко, Г.К. Клейна, А.К. Бугрова, М.Н. Гольдштейна, И.Л. Дудинцевой, А.Г. Дорфмана, Ю.К. Зарецкого, Э.И. Воронцова и других. Эти идеи находят применение при расчете давления грунта на подпорные сооружения и в настоящее время.

Л.Л. Галин, М.И. Горбунов-Посадов, М.М. Филоненко-Бородич, П.Л. Пастернак, В.З. Власов, Г.К. Клейн, И.Я. Штаерман и другие. Упругое основание может быть представлено в виде трёх основных моделей – модели Винклера, модели упругого полупространства и модели упругого слоя. У каждой из моделей есть свои достоинства, но есть и существенные недостатки - модель Винклера не учитывает распределительной способности основания, модель упругого полупространства переоценивает деформации основания, а модель упругого слоя занижает их.

Методы теории предельного равновесия и аналитические методы расчета конструкций на упругом и неупругом основаниях не позволяют в рамках одной задачи правильно определить деформации как конструкции, так и грунтового основания. Такую возможность обеспечивают лишь численные методы механики сплошной среды.

В настоящее время при решении задач о взаимодействии строительных конструкций с грунтом используются главным образом четыре вычислительных метода - конечных разностей (МКР), конечных элементов (МКЭ), граничных элементов (МГЭ) и дискретных элементов (МДЭ). Численные методы механики сплошной среды позволяют решить практически любую задачу о взаимодействии конструкции с грунтовым массивом, на любой стадии изготовления конструкции с учетом нелинейных эффектов, возникающих при этом взаимодействии. Наиболее обеспеченным в программном отношении и в то же время наиболее универсальным является МКЭ, поэтому именно он выбран для решения поставленных в данной работе задач.

В нашей стране развитие МКЭ для практического применения в задачах геомеханики получило благодаря работам Александрова А.В., Бугрова А.К., Гольдина А.Л., Грошева М.Е., Дорфмана А.Г., Зарецкого Ю.К., Зерцалова М. Г., Ержанова Ж.С., Золотова О.Н., Кузнецова С.В., Линькова А.М., Масленникова А.М., Постнова В.А., Рассказова П.Н., Розина Л.А., Салганика Р.Л., Угодчикова А.Г., Ухова С.Б., Фадеева А.Б., Чеботаева В.В., Шапошникова Н.Н., Юфина С.А. и других исследователей. За рубежом развитие МКЭ связано с именами Айронса Б., Аргириса Д., Ахмада С., Бате К., Ф. де Вебеке, Вилсона Е., Габусси Ж., Галлагера Р., Десаи Ф.С., Дж. Дункана, Женишека А., Зенкевича О., Клафа Г., Кратохвила И., Дж. Одена, Уилсона Э., Чанга Ю. и других.

и другие.

При проектировании подземных сооружений с применением технологии «стена в грунте» часто возникают ситуации, когда стены либо пересекаются, либо примыкают друг к другу. Имеются в виду отдельно стоящие опоры, выполненные по технологии «стена в грунте» (рис. 1, а), угловые участки ограждений котлованов (рис. 1, б), а также контрфорсные «стены в грунте» (рис 1, в).

Рис. 1. Примеры пересечений и примыканий «стен в грунте»:

а – «стена в грунте» под отдельно стоящую опору; б – «стена в грунте» в угловой части котлована; в – контрфорсная «стена в грунте»

Траншеи, предназначенные для устройства конструкций «стен в грунте», заполняют тиксотропным раствором, который удерживает стены траншей от обрушения. Так же как и стены плоских участков траншей, стены траншей в местах их взаимного пересечения должны быть проверены на устойчивость. Устойчивость стен траншей в области их взаимного пересечения очевидно меньше, чем в областях достаточно удаленных от этого пересечения, где траншеи могут рассматриваться как плоские.

Чтобы установить степень снижения коэффициента устойчивости стен траншей в местах их взаимного пересечения по сравнению со стенами, достаточно удаленными от этого пересечения, то есть плоскими, без ограничения общности получаемых результатов, можно выбрать расчетную схему траншеи с двумя плоскостями симметрии (рис. 2.).

Рис. 2. Расчетная схема и конечно-элементная модель области взаимного пересечения траншей (угловой траншеи)

Такую траншею далее, в отличие от плоской, будем называть угловой. Деформации и перемещения массива грунта, расположенного ниже дна траншеи, мало влияют на ее устойчивость, поэтому на нижней грани расчетной модели приняты условия отсутствия перемещений.

Для определения коэффициента устойчивости стен траншеи Ksf использовался метод снижения прочностных параметров грунта – угла внутреннего трения ( и сцепления с вплоть до разрушения стенок траншей.

Исследовалось влияние удельного веса тиксотропного раствора (ts и отношения глубины траншеи H к длине ее плоской части L на величину коэффициента устойчивости стен траншеи. Для этого рассматривались траншеи длиной L равной 3 м, 4 м, 6 м, 10 м и 20 м, а в качестве тиксотропного раствора была взята водно-бентонитовая суспензия с удельными весами 10.5, 11.0, 11.5 и 12.5 кН/м3.

Глубина траншей H и ширина d во всех случаях принимались равными соответственно 20 м и 1 м. Высота форшахты равнялась 1,5 м, а уровень тиксотропного раствора в траншеях задавался на отметке 0,2 м от верха форшахты. Уровень грунтовых вод располагался на отметке 1,5 м от поверхности земли.

Массив грунта в окрестности траншей принимался сложенным из дренированного песка средней крупности, поведение которого описывалось моделью Кулона-Мора для однородной, изотропной, сплошной среды с удельным весом выше уровня грунтовых вод (d=17 кН/м3, удельным весом ниже уровня грунтовых вод (sat=20 кН/м3, модулем упругости Е=32000 кН/м2, коэффициентом Пуассона ( =0,3, сцеплением с =1 кН/м2, углом внутреннего трения ( =36  и углом дилатансии ( =10 .

К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт как теоретических, так и экспериментальных исследований устойчивости стенок плоских траншей. Поэтому представляет интерес возможность оценки устойчивости стен траншей в местах их взаимного пересечения на основании исследований устойчивости стен плоских траншей. Для достижения этой цели по результатам выполненных в данной работе расчетов были построены графики (рис. 3), показывающие как изменяется отношение коэффициентов устойчивости плоской и угловой траншеи в зависимости от относительной глубины траншеи и удельного веса тиксотропного раствора.

загрузка...