8(499) 350-23-58 8(495) 249-26-57
Крепление котлованов, расчет
При строительстве подземных сооружений открытым способом в условиях плотной городской застройки постоянно возникают практические задачи, одна из которых состоит в том, чтобы не допустить разгрузку грунта, находящегося за ограждающей конструкцией. Эта разгрузка окружающего выработку грунта приводит к деформациям и, как следствие, к появлению многочисленных новых и дальнейшему раскрытию образовавшихся ранее дефектов в зданиях и сооружениях, попадающих в зону влияния строительства. Наибольшее влияние оказывает, как правило, устройство котлованов, которое является первоначальной и трудоемкой операцией открытого ведения работ, широко применяемое наряду с закрытыми способами производства горно-строительных работ. Сооружение объектов производится в основном в осадочных породах четвертичного возраста, которые являются, как правило, дисперсными многофазными средами со структурными непрочными связями между минеральными частицами скелета.
Одной из нерешенных является задача по полному исключению деформаций грунта во время строительства и после его окончания. В связи с этим необходимо более подробно учитывать влияние температурного фактора, который не всегда принимается во внимание, на изменение напряженно-деформированного состояния (н.д.с.) крепления стен котлованов на примере «благополучного» вида крепления - «стены в грунте», которая сооружается постепенно небольшими по длине стены заходками на всю глубину крепления под глинистым раствором.
Наблюдение за креплением стены котлована здания в г. Москва, длиной более ста метров и глубиной более двадцати метров, велось с самого начала сооружения крепления и до ее окончания (примерно в течение одного года). Стена была сооружена осенью (начало сооружения - август, окончание – начало декабря), и выполняла в последующем функцию ограждающей котлован конструкции после разработки грунта котлована. В результате мониторинга деформаций стены было установлено, что весной следующего года (в начале марта месяца, когда имели место резкие понижения температуры окружающего воздуха в ночное время) появилась горизонтальная деформация верха стены (в сторону котлована), свидетельствующая либо об ее изгибе или повороте, что привело к частичной разгрузке грунта.
Анализ выполненного мониторинга показал, что произошел поворот стены в сторону котлована (примерно на 1,8 см). В результате сначала появилась полость в верхней части грунта за стеной, затем образовалась трещина вдоль стены на асфальтной дороге, расположенной параллельно стене на расстоянии примерно 5 м от стены. Проезжая часть дороги при этом просела примерно на 3 см. Трещина разрыва со сдвигом по вертикали длиной, равной 2/3 длины стены, повторяла профиль котлована. Ширина раскрытия трещины, составлявшая в первое время 2 см, достигла значения 11 см. По результатам наблюдений и мониторинга, удалось оперативно принять меры по дополнительному креплению и стабилизировать горизонтальные деформации стены. Следует отметить, что рассматриваемое крепление является примером пассивного крепления, вступающего в работу только после развития бокового давления грунта. В связи с этим рассмотрим одну из возможных причин возникновения указанной сложной ситуации, а именно влияние температурного фактора на изменение н.д.с. стены и, как следствие на изменение н.д.с. породы, находящейся в зоне крепления этой стены. Температурный фактор может проявляться следующим образом. Открытая сторона стены при быстром сезонном понижении температуры охлаждается, в то время как снижение температуры внутренней стороны благодаря контакту с грунтом идет с запозданием. Возникает температурный градиент, являющийся причиной появления линейных и угловых деформаций «стены в грунте», что приводит к изгибу стены в сторону котлована, и, как следствие, горизонтальным подвижкам грунта. Следует отметить, что при сооружении стены в ее пределах температура была примерно одинаковой, а температурный градиент появился после разработки грунта в холодное время года.
Проведенные исследования применительно для дна котлована показали, что после разгрузки однофазной среды при отсутствии противодействия она приходит в самонапряженное состояние. Это состояние является неустойчивым, склонным к массовому образованию многочисленных дефектов в структуре материала геомассива, которые вызваны реализацией энергии упругого последействия, сопровождающейся потерей прочности вплоть до разрушения.
В отличие от условий выполненных экспериментов, для стены необходимо еще принять во внимание наличие бокового давления грунта и воды, что усилит эффект образования дефектов в структуре грунта. Кроме того, характерной особенностью получаемого состояния является то, что период образования дефектов является относительно краткосрочным процессом в отличие от аналогичного процесса в связной горной породе.
В качестве мер по предотвращению отмеченного эффекта можно рекомендовать тепловую завесу не только на время твердения бетона, но и на весь зимний период производства работ. Однако более радикальным может быть разработка принципиально иных методов крепления – активных, позволяющих сохранять природную структуру грунта или хотя бы противодействовать реализации массового образования дефектов, что чрезвычайно важно в условиях плотной городской застройки. Например, создание предварительного изгибающего момента, как это предложено, например, для тоннелей, не только защитит стену от рассматриваемого фактора, но и увеличит ее несущую способность.
Такимо образом получается, что известный метод крепления котлованов «стена в грунте» являются пассивным видом крепления, воздействие на который неоднородного температурного фактора приводит к горизонтальным перемещения стены и деформациям грунта, что в условиях плотной городской застройки может привести к образованию дефектов в близлежащих зданиях и сооружениях.
В связи с этим необходимо создание и внедрение новых видов крепления котлованов при строительстве подземных сооружений открытым способом, препятствующих реализации негативных последствий возникновения само-напряженного состояния геоматериала. При разработке проекта котлована специалистами геотехниками, такие факторы учитываются всегда при проектировании.