Сравнительный анализ «стены в грунте» в качестве ограждающей и несущей конструкции

Библиографическое описание:

Савиков Р. А. Сравнительный анализ «стены в грунте» в качестве ограждающей и несущей конструкции // Молодой ученый. — 2019. — №22. — С. 195-199. — URL https://moluch.ru/archive/260/59964/ (дата обращения: 13.01.2020).



Приведены общие сведения о конструкции «стена в грунте». Рассматривается моделирование «стены в грунте» в ПК ЛИРА-САПР в качестве ограждающей и несущей конструкции. Проведен сравнительный анализ результатов обоих расчетных случаев.

Ключевые слова: стена в грунте, ограждающая конструкция, несущая конструкция, моделирование.

Активно развивающееся новое строительство в плотной городской застройке подразумевает под собой освоение подземного пространства и устройство открытых котлованов. Наличие в Санкт-Петербурге специфических геологических и гидрологических условий сильно осложняют данный процесс.

Такие методы ограждения котлована, как металлический шпунт различных профилей, стена из буросекущихся или бурокасательных свай, траншейная стена в грунте, успешно применяются в мировой практике строительства. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки, а также особые условия применения.

Общие сведения оконструкции «стены вгрунте»

«Стена в грунте» представляет собой конструкцию ограждений стенок котлована, состоящую из железобетонных панелей толщиной 400, 600, 800, 1200 мм. Панели армируются отдельными каркасами и отделяются друг от друга специальными ограничителями. Производство работ ведется захватками в узких и глубоких траншеях. Бетонирование осуществляется методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) с одновременной откачкой вытесняемого бентонитового раствора, под защитой которого ведется устройство траншеи [1].

Основные преимущества конструкции:

1. Высокая жесткость и несущая способность;
2. Способность воспринимать высокие нагрузки, в том числе от наземных конструкций, когда «стена в грунте» является несущей;
3. Щадящая технология устройства «стены в грунте», которая позволяет выполнять работы в непосредственной близости к существующей застройке;
4. Возможность проводить в работы в зонах наличия элементов старых фундаментов, валунов, искусственных препятствий и труднопроходимых грунтах.

Исходные данные для сравнительного анализа

Согласно заданию требуется рассмотреть два проектных решения «стены в грунте» в качестве ограждающей и несущей конструкции.

Проектируемое здание имеет семь надземных и два подземных этажа. Габариты «стены в грунте» в плане представлены на рис. 1. Монолитные панели, из которых состоит «стена в грунте», выполнены из бетона класса В30, W8, F150 по ГОСТ 26633–2012. Толщина ограждающей конструкции — составляет 600 мм, толщина несущей конструкции — 800 мм. В котловане предусмотрена двухуровневая распорная система из металлических труб 1020х10 мм.

Рис. 1. «Стена в грунте» в плане

Согласно выполненным инженерно-геологическим изысканиям на данном участке строительства по глубине конструкции представлены разные инженерно-геологические элементы, отраженные на разрезе на рис. 2. Физико-механические свойства грунтов, которые были учтены при расчете давления на «стену в грунте» указаны в таблице 1.

Рис. 2. «Стена в грунте» с привязкой к инженерно-геологическому разрезу

Таблица 1

№ИГЭ	Тип грунта	, кН/м3	, град	, кПа		, м
1	Насыпные грунты: супеси, пески со строительным мусором	18	10	1	0.5	2
2	Суглинки тяжелые пылеватые тугопластичные (по св. тугопластичные) коричневато-серые ленточные, выветрелые, ожелезненные)	18.9	15	14	0.943	2.5
4	Суглинки легкие пылеватые мягкопластичные (по св. мягкопластичные) серые слоистые	19.7	10	7	0.748	0.8
6	Суглинки легкие пылеватые мягкопластичные (по св. мягкопластичные) серые слоистые	20.5	17	19	0.615	2.5
7	Пески пылеватые плотные серые насыщенные водой с прослоями супеси, разнозернистого песка	21.5	33	5	0.45	3.8
8	Супеси пылеватые твердые серые с гравием, галькой, валунами	22.4	28	100		4.4

Учет работы грунта при расчете

Применяется классическая теория Кулона с упрощением, основным моментом которой является рассмотрение несвязного грунта, поэтому давление грунта на боковую поверхность конструкции принято согласно послойному методу расчёта.

Внешней нагрузкой на ограждающую котлован конструкцию «стена в грунте» является распорное (активное) давление грунта, которое включает в себя нагрузку от грунта за ограждающей стенкой котлована и полезную нагрузку по бровке котлована. Отпорное (пассивное давление) возникает ниже уровня откопки котлована и препятствует смещению заглубленной части ограждения, обеспечивая устойчивость против выпора грунта [2, с. 54].

Активное (пассивное) давление на конструкцию «стены в грунте» в соответствии с СП 22.13330.2016 определяется по формуле:

где — равномерно распределенная нагрузка на поверхности засыпки;

— объемный вес грунта, кН/м³;

— глубина, м;

— коэффициент активного (пассивного) давления, величина которого при горизонтальной поверхности засыпки, вертикальной стенке и угле трения грунта о стенку определяется по формуле

где — угол внутреннего трения грунта.

Рис. 3. Схема приложения активного и пассивного давления на конструкцию «стена в грунте»

Моделирование ирасчет железобетонной конструкции «стена вгрунте»

При моделировании «стены в грунте» в ПК ЛИРА-САПР использовались 3-х и 4-х узловые плоские конечные элементы, а именно КЭ-42 и КЭ-44 соответственно. Расчет производился в линейной постановке задачи для наиболее критического этапа работ, когда произведена откопка от уровня дна котлована и установлены оба уровня распорной системы.

Согласно указаниям СП 63.13330.2016 и СП 52–103–2007 расчет железобетонных конструкций проводится по прочности, трещиностойкости, а также определяются максимальные перемещения «стены в грунте».

Ограждающая конструкция, схема которой приведена на рис. 4, работает на изгиб, поэтому основной нагрузкой, оказывающей на нее влияние, будут изгибающие моменты. В случае, когда «стена в грунте» выступает не только как ограждение котлована, но и как несущая конструкция подземных этажей здания, она рассчитывается как изгибаемый внецентренно-сжатый элемент, так как воспринимает значительные продольные усилия. Данная схема представлена на рис. 5.

Рис. 4. Расчетная модель ограждающей конструкции в ПК ЛИРА-САПР

Рис. 5. Расчетная модель несущей конструкции в ПК ЛИРА-САПР

Сравнение результатов расчета ипринятого армирования конструкции

По результатам расчета «стены в грунте» получены значения усилий

, а также значений перемещений конструкции, которые показаны в таблице 2.

Таблица 2

Параметр результата расчета	Значения параметров при следующих вариантах проектирования конструкции:
	«стена вгрунте» вкачестве ограждающей конструкции	«стена вгрунте» вкачестве несущей конструкции
Изгибающий момент , т*м	86	100
Изгибающий момент , т*м	129	144
Перемещения вдоль оси X, мм	65	70
Перемещения вдоль оси Y, мм	68	72

Также для каждого варианта конструирования «стены в грунте» было подобрано армирование, результаты которого сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Принятое армирование	Значения параметров при следующих вариантах проектирования конструкции:
	«стена в грунте» в качестве ограждающей конструкции	«стена в грунте» в качестве несущей конструкции
Вертикальное	28А500С	32А500С
Горизонтальное	12А500С	12А500С

Выводы:

1. Выбор между «стеной в грунте» в качестве несущей или ограждающей зависит, в основном, от их требуемого функционального назначения в будущем.
2. Использование «стены в грунте» в качестве несущей конструкции позволяет сократить материалоемкость проекта.
3. Применение «стены в грунте» в качестве несущей конструкции позволяет сократить объем выполняемых строительно-монтажных работ.

Литература:

1. Зубков Б. М., Перлей Е. М., Раюк В. Ф. и др. Подземные сооружения, возводимые способом «стена в грунте». — Л.: Стройиздат, 1977. — 200 с.
2. Мангушев Р. А., Никифорова Н. С., Конюшков В. В., Осокин А. И., Сапин Д. А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М.: АСВ, 2013. — 256 с.

Основные термины (генерируются автоматически): несущая конструкция, грунт, ограждающая конструкция, стен, изгибающий момент, значение параметров, давление грунта, пассивное давление, расчетная модель, вариант проектирования конструкции.

Распорная дисковая система котлована «Лахта-центра»

 

Для начала работ по созданию фундамента высотного здания специалисты должны подготовить соответствующий котлован. 

Откопка котлована и устройство распорной дисковой системы в нем происходит внутри пятиугольника, выделенного красной границей. 

Схема дисковой распорной системы в разрезе.
Дисковая распорная система удерживает стену в грунте от бокового давления грунта по мере откопки котлована. Это временная конструкция, она будет демонтирована в период сооружения коробчатого фундамента. 

Откопка котлована с параллельным созданием удерживающей распорной системы началась в августе 2013 года.
Распорные крепления стен котлована применяют при его глубине более 4-5 м. Глубина котлована под здание башни «Лахта центра» — 17 м.

Особое внимание уделяется вопросу сохранности датчиков системы геотехнического мониторинга (провода изпод земли в центре фотографии). Для измерения возможных деформаций, возникающих в стволе свай, в 12 сваях установлено по 4 датчика на 7 уровнях. В 10 специальных скважинах глубиной 100 м установлены датчики измерения порового давления в грунтовом массиве и датчики измерения послойной деформации грунта.

Откапываются металлические двутавровые балки, ранее установленные в 50-ти из 264-х буронабивных свай. На них будут опираться железобетонные распорные диски.

Происходит сборка арматурного каркаса первого распорного диска.
Система водопонижения — игловые фильтры (вертикальные белые трубы по периметру котлована) погружаются в грунт на глубину 4-5 метров. Через них выкачивается вода из верхнего водонасыщенного горизонта, «запертого» внутри стены в грунте. В нижних, более плотных глинах воды практически нет, а новая в котлован не попадает — «стена в грунте» выполняет свою работу.
Дно котлована остается сухим, и это позволяет работать монтажникам.

Перед заливкой диска в арматуру устанавливаются проходные гильзы диаметром 30 мм (они необходимы в дальнейшем при демонтаже (резке) диска с помощью троса с алмазным напылением), а также диаметром 400 мм для возможности подачи бетона на нижние диски и плиту фундамента.

Чтобы не допустить образования пустот в процессе бетонирования, рабочие выравнивают раствор, применяя специальную технику – глубинные вибраторы.

Бетон набирает прочность 28 суток, но уже через 48 часов становится достаточно прочным, чтобы работы могли продолжаться. 

После создания первого распорного диска продолжаются работы по углублению котлована.

Проводятся работы по извлечению грунта из-под выполненного диска для создания следующего. Задействованы экскаваторы трех видов: миниэкскаваторы, которые извлекают грунт из-под диска; средние — подтягивают его к «длиннорукому» экскаватору, который поднимает грунт наверх. 

Под готовым диском на двутавровых колоннах сварщики монтируют опорные столики для следующего диска — они зафиксируют бетонный диск на двутаврах.

Создается арматурный каркас для очередного диска.

Одновременно с работами по устройству распорной дисковой системы устраняются технологические неровности «стены в грунте».

Внешний вид котлована после создания четвертого распорного диска. 

«Длиннорукий» экскаватор осуществляет выборку грунта и остатков бетонного боя. В общей сложности извлечено и вывезено на специальный полигон более 100 тыс. куб.м грунта. С помощью этого экскаватора также подается щебень для укладки на дно котлована.

Для обеспечения проектных характеристик сваи изготавливаются на 2 м выше отметки дна котлована (технологическая переливка). На фото — демонтаж технологической переливки свай.

Для демонтажа верхней части свай (технологической переливки) применяются дистанционно-управляемые манипуляторы.

Металлические двутавровые колонны, на которых держатся распорные диски, сохраняются.

Целостность проводов от датчиков в стволе свай обеспечивается на протяжении всех этапов работ. Во время эксплуатации здания данные о состоянии свайного поля с этих датчиков будут поступать в единую систему геомониторинга.

Идёт продувка пустотелых металлических труб, оставленных в буронабивных сваях. Затем в эти трубы опустят ультразвуковые датчики контроля состояния свай.

Выполнены работы по устройству «бетонной подготовки» толщиной 300 мм (5 распорный диск), в дальнейшем на этом диске будет осуществляться монтаж арматурного каркаса нижней плиты (толщиной 3,6 м) коробчатого фундамента.

Стена в грунте — Энциклопедия нашего транспорта

Схема технологии «стена в грунте»

«Стена в грунте» — специальная технология, благодаря которой становится возможным возведение подземных сооружений в тесном соседстве с существующими зданиями и сооружениями, и даже внутри действующих цехов. «Стена в грунте» позволяет выполнять ограждения котлованов в условиях плотной застройки и в непосредственной близости от коммуникаций. Зачастую, это единственное решение при возведении подземных объектов. Также она оптимальна в условиях реконструкции исторических памятников, при освоении подземного пространства ниже уровня грунтовых вод и для создания противофильтрационных завес в основании гидротехнических сооружений.

Этот тип ограждения изготавливается с извлечением грунта под защитой бентонитового раствора. Затем устанавливается арматурный каркас, и раствор замещается бетоном. Технология позволяет впоследствии использовать «стену в грунте» как несущую конструкцию, а также как конструкцию, исключающую доступ грунтовых вод в заглублённое эксплуатируемое сооружение.

Её применение максимально оправдано при строительстве крупных объектов. Порой «стена в грунте» является единственной подходящей технологией для строительства станции метрополитена или подземной автостоянки. Данный метод кардинально решает проблемы, с которыми сталкивается заказчик в центре города: узкие площадки строительных объектов, ограничение в движении, сохранение целостности строений, минимизация сброса сточных вод, обеспечение экологической безопасности.

Возможно применение неармированных «стен в грунте» для выполнения функции противофильтрационной диафрагмы, а именно:

• в теле и основании земляных плотин;
• в основании бетонных плотин;
• в теле и основании дамб верховых водоёмов ГАЭС, прудов-охладителей АЭС, по бортам каналов;
• по периметру отстойников и шлаконакопителей нефтеперерабатывающих, химических и металлургических предприятий;
• по бортам карьеров открытой добычи полезных ископаемых и крупных строительных котлованов вместо водопонижения.

Последовательность операций

1. По периметру будущего котлована сооружается монолитная железобетонная направляющая стенка — форшахта. Она обеспечивает проектное направление, необходимую точность сооружения стены и предотвращает обрушение грунта в верхней части траншеи.
2. Разрабатывается траншея под стену. Разработка производится двухчелюстным гидравлическим грейфером. При разработке грунта траншея заполняется бентонитовым раствором, который предотвращает обрушение стенок.
3. Происходит подготовка выкопанной траншеи к бетонированию. Специально подготовленные арматурные каркасы переводятся в вертикальное положение и опускаются в траншею. После монтажа каркасов в траншею опускаются бетонолитные трубы с приёмными воронками.
4. Производится бетонирование стены, при этом вытесняемый бетонной смесью бентонитовый раствор откачивается насосом и подаётся на установку регенерации. Темп бетонирования составляет 20—30 м³/час.
5. Производится разработка грунта котлована и устройство крепления стены. Котлован разрабатывается ярусами.

Основными способами обеспечения несущей способности «стены в грунте» на горизонтальные нагрузки являются установка грунтовых анкеров, устройство распорной системы и сооружение нулевого цикла полузакрытым способом по схеме «сверху-вниз» (технология semi-top-down).

Преимущества

«Стена в грунте» предоставляет возможность в основном на большой глубине возводить конструкции торговых комплексов, объектов бытового обслуживания, автостоянок, складов, транспортных и инженерных тоннелей и коллекторов.

«Стена в грунте» служит не только ограждением глубоких котлованов, но также может быть одновременно капитальным фундаментом и стеной возводимого сооружения. Работы выполняются в условиях круглогодичного строительства.

В сравнении с давно известными способами ограждения строительных котлованов «стена в грунте» обладает рядом данных технических преимуществ:

1. Возможность устраивать котлованы там, где обычные способы их крепления неэффективны или невозможны вовсе.
2. Достаточно высокая водонепроницаемость.
3. Высокая надёжность и возможность работы в сложных геологических условиях.
4. Высокие темпы сооружения (до 200 погонных метров готовой стены в месяц на один станок).
5. Полное отсутствие динамических колебаний грунта, что позволяет осуществлять строительство в непосредственной близости от существующих зданий и коммуникаций.
6. Низкий уровень шума на всех этапах работ.

ТР 206-09 «Технические рекомендации по проектированию и производству работ по устройству ограждающих конструкций котлованов в стесненных условиях существующей городской застройки в г. Москве»

КОМПЛЕКС ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПОЛИТИКИ И СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРОДА МОСКВЫ

ГУП «НИИМОССТРОЙ»

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПРОИЗВОДСТВУ РАБОТ
УСТРОЙСТВУ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КОТЛОВАН* СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ В Г. МОСКВЕ

ТР 206-09

Москва 2009

Настоящие Технические рекомендации предназначены для изыскательских, проектных и строительно-монтажных организаций, выполняющих геотехнические работы по проектированию и устройству ограждающих конструкций котлованов в стесненных условиях существующей городской застройки в г. Москве.

Технические рекомендации разработаны ГУП «НИИМосстрой». Руководитель разработки д-р техн.наук В.Л. Кубецкий.

В работе над документом принимали участие: В.А. Устюгов, канд.техн.наук, В.Ф. Коровяков, д-р техн.наук, Б.В. Ляпидевский, канд.техн.наук, Ф.М. Гибадулин, А.В. Шиков.

Технические рекомендации разработаны совместно со специалистами: В.А. Ильичев, д-р техн.наук, В.В. Знаменский, д-р техн.наук (МГЭКК ОФиПС), В.П. Петрухин, д-р техн.наук, И.В. Колыбин, канд.техн.наук (НИИОСП им. Н.М. Герсеванова), А.В. Антипов, В.Ю. Свитин (ГУП «Мосгоргеотрест»), В.Г. Пахомов, Н.М. Кулагина (МГСН), А.И. Дронов, Г.Е. Скрылева (ОАТИ), А.В. Ишин, А.И. Щербаков (Мосстройлицензия).

Настоящие «Технические рекомендации по проектированию и производству работ по устройству ограждающих конструкций котлованов в стесненных условиях существующей городской застройки в г. Москве» разработаны в развитие постановлений Правительства Москвы от 7.12.2004 № 857-ПП «Об утверждении правил подготовки и производства земляных работ, обустройства и содержания строительных площадок в городе Москве», от 29.05.2007 № 412-ПП «О концепции освоения подземного пространства и основных направлениях развити