ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА, ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЗАСТРОЙКИ, ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛЁГКОЙ СТЕРЖНЕВОЙ КРЕПИ

В настоящее время развитие жилого хозяйства крупных мегаполисов происходит за счёт точечной застройки их центральных районов. Любое вмешательство в существующую городскую застройку сопряжено с определёнными трудностями, например, с технологическими особенностями, связанными с возведением зданий и сооружений, расположенных вблизи или вплотную к существующим зданиям и сооружениям (особенно, если речь идёт о зданиях и сооружениях, представляющих историческую и/или культурную ценность для города).

Новое строительство вблизи существующих зданий и сооружений является задачей более сложной, нежели возведение отдельно стоящего здания или сооружения на ненарушенном основании, так как помимо обычного проектирования необходимо ещё и учитывать влияние нового строительства на здания и сооружения окружающей застройки [4].

В результате нового строительства здания и сооружения окружающей застройки получают дополнительные деформации (осадки и крены), которые вызывают изменения напряжённо-деформируемого состояния (НДС) вмещающего массива.

Одним из способов по снижению негативного влияния нового строительства на существующие здания и сооружения является применение новых передовых методов временного ограждения котлованов. Одним из таких методов является закрепление стен котлована лёгкой стержневой крепью – нагелями [2, 3, 5]. Трудности в применении нагельного крепления состоят в том, что при применении подобного вида крепления отсутствует чёткая зависимость для определения ориентировочного радиуса (характерного размера) зоны влияния разработки котлована [6].

Целью данной научно-исследовательской работы является определение характера распространения зоны влияния в пределах и за пределами стержневой крепи.

Для достижения цели составлена следующая задача:

1. Определение радиуса зоны влияния котлована численными методами на примере реального объекта строительства.

Данная задача была решена на примере реального объекта – «Реконструкция стоянки в многоквартирном многоэтажном доме с помещениями общественного назначения, автостоянкой по ул. Кирова в Октябрьском районе г. Новосибирска».

В качестве временного ограждения котлована использовались арматурные стержни (нагели) в сочетании со свайно-балочным ограждением (рисунок 1) и арматурные стержни, ограждающие котлован со стенкой, расположенной под углом 15° к вертикали. Дополнительно стоит отметить, что котлован был разработан в 2007 г, а планируемый год ведения строительно-монтажных работ (СМР) назначен на 2017 г.

Рисунок 1 – Схема свайно-балочного ограждения, в сочетании с нагельным креплением

Ориентировочно для определения нормативной зоны влияния нагельного крепления котлована принята зависимость из существующих нормативных документов [6, 7]:

                                                     (1)

где H_к – глубина котлована.

В нормативную зону влияния попадают несколько объектов (рисунок 2):

• перегонные тоннели метрополитена;
• подземные теплотрассы;
• линия электропередач;
• жилые и административные здания.

Рисунок 2 – Нормативная зона влияния разработки котлована на здания окружающей застройки

Для геотехнических расчётов в плоской постановке были выбраны наиболее опасные расчётные сечения 1-1, 2-2, 3-3 (рисунок 3).

Рисунок 3 – Расчётные сечения для геотехнических расчётов

За внешними пределами области, ограниченной сечениями 1-1 и 3-3, влияние на объекты метрополитена также будет, но, во-первых, это влияние будет меньше (это видно из нормативной зоны влияния), во-вторых, объекты метрополитена в этих областях имеют большие геометрические размеры и включены в зону влияния лишь частично, и, в-третьих, расстояние от этих объектов метрополитена до высотного корпуса (см. рисунок 3, корпус 1.2) максимально, что является благоприятным фактором.

Рассматриваемый высотный комплекс имеет переменную этажность. Грунтовое основание, на котором расположен комплекс, характеризуется неравномерным распределением прочностных и деформационных свойств под подошвами фундаментов. Параметры объектов метрополитена необходимы для расчёта были приняты на основании архивных материалов, обследование не проводилось.

В расчётных сечениях (рисунки 4-6) учитывались все объекты, включенные в нормативную зону влияния для корректного учёта истории формирования НДС.

Рисунок 4 – Расчётное сечение 1-1

Рисунок 5 – Расчётное сечение по оси 2-2

Рисунок 6 – Расчётное сечение по оси 3-3

Расчет рассмотренных выше сечений производится методами механики сплошной среды, с помощью численного моделирования [1]. Решение задачи производится в плоской постановке. Для численного анализа используется метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе Midas GTS NX v. 1.1. Грунтовый массив смоделирован плоскими КЭ. Модель грунтового массива представлена упруго-пластической с критерием разрушения по условию Кулона-Мора. Модель элементов конструкций – упругая. На рисунках 7-9 представлена аппроксимация расчётной области сечений конечными элементами.

Рисунок 7 – Конечно-элементная модель. Расчётное сечение 1-1

Рисунок 8 – Конечно-элементная модель. Расчётное сечение 2-2

Рисунок 9 – Конечно-элементная модель. Расчётное сечение 3-3

С целью учёта истории формирования НДС системы «сооружение – грунтовый массив» расчёт рекомендуется выполнять постадийно [8, 9]:

Стадия 1 – моделирование поля «начальных напряжений». На этой стадии смоделированы все имеющиеся инженерно-геологические элементы, граничные условия. Поле начальных напряжений смоделировано воздействием собственного веса грунта с обнулением всех, рассчитанных в процессе нагружения, деформаций в конце данной стадии.

Стадия 2 – моделирование существующих подземных сооружений. На этой стадии смоделированы все конструкции окружающей застройки (объекты метрополитена, теплотрассы, водопровод и здания).

Стадия 3 – экскавация грунта подземных сооружений. На этой стадии смоделирована разработка грунта внутри всех подземных сооружений. Этот процесс необходим для корректного учёта влияния технологических операций в расчётах.

Стадия 4 – экскавация первого яруса котлована. На этой стадии смоделировано устройство ограждения котлована, и экскавация первого яруса.

Стадия 5 – экскавация второго яруса котлована. На этой стадии смоделировано устройство ограждения котлована, и экскавация второго яруса.

Стадия 6 – возведение фундамента здания. На этой стадии моделируется возведение фундаментной части зданий высотного комплекса нового строительства.

Стадия 7 – нагрузка фундамента здания. На этой стадии выполнено моделирование поэтажного возведения высотного комплекса.

На стадиях 1-5 все перемещения по окончании выполнения расчётов на стадии обнулены. Подобный алгоритм позволяет учесть НДС грунтового массива до начала выполнения СМР в котловане.

В результате упругопластического расчёта МКЭ определяются поля напряжений и перемещений для каждого расчётного сечения и на каждой расчётной стадии. Их анализ позволяет установить НДС сложной системы «фундамент – грунтовый массив – объекты метрополитена».

На рисунках 10-12 показаны изополя суммарных перемещений элементов рассматриваемой геотехнической системы на последней расчётной стадии, соответствующей ситуации, когда высотный комплекс полностью возведен.

Рисунок 10 – Поле суммарных перемещений. Расчётное сечение 1-1

Рисунок 11 – Поле суммарных перемещений. Расчётное сечение 2-2

Рисунок 12 – Поле суммарных перемещений. Расчётное сечение 3-3

Во всех расчётных сечениях фиксируется влияние проектируемого высотного комплекса на объекты окружающей застройки. Наиболее сильное влияние на объекты метрополитена наблюдается в расчётном сечении 1-1 (рисунок 13), что вполне предсказуемо, поскольку именно в этом случае расстояние от одного из высотных корпусов до перегонного тоннеля имеет минимальное значение.

Рисунок 13 – Перемещения грунтового массива с тоннелем

Для ограждения котлована, представляющего собой комбинацию свайно-балочного ограждения с добавлением нагельной крепи расчётная зона влияния представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 – Расчётная зона влияния

Как видно из рисунка радиус (характерный размер) зоны влияния нового строительства ограничивается расстоянием, при котором расчётное значение дополнительной осадки грунтового массива не превышает 1 мм [7], для данного типа ограждения этот размер составит 19,9 м.

Для ограждения котлована, представляющего собой нагельные стержни, ограждающие котлован со стенкой, расположенной под углом 15° к вертикали представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 – Расчётная зона влияния

Как видно из рисунка радиус (характерный размер) зоны влияния нового строительства ограничивается расстоянием, при котором расчётное значение дополнительной осадки грунтового массива не превышает 1 мм [7], для данного типа ограждения этот размер составит 15,3 м.

По результатам проделанной работы и проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Объекты метрополитена находятся в зоне интенсивных деформаций, по причине строительства высотного комплекса;

2. Рекомендуемый нормативный радиус (характерный размер) зоны влияния нового строительства для лёгкой стержневой крепи (нагели) ограничивается расстоянием:

.                                         (2)

Список литературы:

1. Илларионов С.О. Численный и модельный эксперимент влияния нового строительства на существующую застройку // По материалам V региональной научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» апрель 2014 г. – Пермь, 2014.
2. Кузнецов А.О. Практическая методика расчёта откосов, армированных горизонтальными стержнями круглого сечения // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. – 2017. – Т. 283. – С. 88-96.
3. Кузнецов А.О., Королёв К.В., Полянкин Г.Н., Караулов А.М. Предельное давление армированного грунта на ограждающие конструкции // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2017. – № 10 (706). – С. 93-103.
4. Полянкин Г.Н., Погребняк В.Ю. Анализ влияния временных конструкций котлованов на напряжённо-деформированное состояние грунтового массива и окружающей застройки // Материалы I Международного заочного конкурса научно-исследовательских работ. – Научно-образовательный центр «ЗНАНИЕ», 2015. – С 77-83.
5. Савельев Ю.Н. Облегчённая стержневая крепь при строительстве тоннельных сооружений новосибирского метрополитена: дис. … канд. техн. наук: 05.23.11 / Савельев Юрий Николаевич. – Новосибирск, 2002. – 155 с.
6. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.minstroyrf.ru/docs/14627/ (дата обращения: 2.02.2018).
7. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Изменением № 1) [Электронный ресурс]. – М.: Минрегион России, 2011. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200084538/ (дата обращения: 2.02.2018).
8. СП 120.13330.2011 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями № 1, 2) [Электронный ресурс]. – М.: Минрегион России, 2012. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200095542 (дата обращения: 2.02.2018).
9. СП 249.1325800.2016 Коммуникации подземные. Проектирование и строительство закрытым и открытым способом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200138447 (дата обращения: 2.02.2018).
10. Стахнёв Я.О., Власов Н.Д., Кузнецов А.О. Об особенностях расчёта определения осадок зданий, попадающих в зону влияния нового строительства аналитическим и численным методами // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. LVIII между-нар. студ. науч.-практ. конф. № 10(57). URL: https://sibac.info/archive/technic/10(57).pdf (дата обращения: 06.03.2018)