Зависимость напряженно-деформированного состояния «стены в грунте» от количества буровых свай в пределах котлована



В рамках данного исследования выполнен анализ напряженно-деформированного состояния конструкции «стены в грунте» и окружающего массива грунта при разработке котлована в условиях Санкт-Петербурга в программном комплексе Plaxis 2D на двух участках реального объекта. Рассматриваемые участки были аналогичны друг другу в отношении параметров котлована и грунтовых условий, но различались количеством буровых свай, попадающих в сечение. В рамках исследования выполнено сравнение горизонтальных перемещений «стены в грунте» в зависимости от количества буровых свай в пределах котлована по результатам мониторинга и численных расчетов, а также выполнено сопоставление с результатами расчета без учета свай. Сделаны выводы относительно армирующего эффекта свай для массива грунта со стороны действия пассивного давления грунта.

Ключевые слова: буровые сваи, армирование грунта, напряженно-деформированное состояние, ограждающая конструкция, стена в грунте.

В настоящее время новое строительство часто ведется в стесненных условиях на территориях с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Поэтому в качестве ограждающей конструкции часто применяется «стена в грунте», которая представляет собой монолитную железобетонную конструкцию. Корректная оценка напряженно-деформированного состояния конструкции ограждения способствует экономической эффективности проектных решений, не ущемляя их надежности [1].

Напряженно-деформированное состояние гибких подпорных стенок определяется горизонтальным давлением грунта, которое можно определить аналитическими и численными способами [2]. При этом армирующий эффект от влияния буровых свай на ограждение котлована часто не учитывается. Однако, аналогично технологии укрепления склонов при помощи свай, этот фактор должен способствовать увеличению максимального горизонтального давления, которое способен выдержать грунтовый массив [3].

В рамках данного исследования был выбран объект, расположенный в Приморском районе г. Санкт-Петербурга.

Рассматриваемый объект, представляет собой единое здание, состоящее из трех блоков разной высоты (от 2 до 15 этажей) с двумя подземными этажами. Общий вид здания представлен на рис. 1

Рис. 1. Несущие конструкции каркаса здания

Столь существенное различие в этажности строящегося здания привело к существенной неоднородности плотности свайного поля.

Проектом строительства предполагалась разработка котлована глубиной до 8,2 м с устройством ограждающей конструкции — монолитной железобетонной «стены в грунте» толщиной 0,8 м и глубиной заложения до 26,2 м от уровня земли. «Стена в грунте», размерами 273х180 метров, предусмотрена вокруг внешнего периметра комплекса и имеет нестандартную форму, повторяющую его геометрию. Нижняя часть «стены в грунте» погружена в водоупорный слой грунта, который представляет собой глину. Тип разработки котлована — под защитой пригрузочной бермы и подкосов.

Проектом для комплекса зданий предусмотрен фундамент на буронабивных сваях длиной 37 м от дна котлована и диаметром 1,18 м, выполняемых по технологии «под защитой обсадной трубы». Буронабивные сваи выполняются с выровненной дневной поверхности земли и погружены в глины. Сваи объединены единой ростверковой плитой толщиной от 1 до 2 м. Для обеспечения равномерной деформации всего сооружения буронабивные сваи расставлены в соответствии с рисунком 2.

Рис. 2. Схема расположения свай

Численное моделирование выполнялось в программном комплексе «Plaxis 2D», реализующем решение методом конечных элементов. «Plaxis» используется для решения задач инженерной геотехники и предназначен для всесторонней оценки изменения напряженно деформированного состояния грунтов при производстве работ по устройству фундаментных конструкций и конструкций ограждения котлованов [4].

Работа грунта описывалась упругопластической моделью с упрочнением Hardening Soil model (HS). Основная идея модели упрочняющегося грунта заключается в гиперболической зависимости между вертикальными деформациями и девиаторными напряжениями при первичном трехосном нагружении [4].

Моделирование буронабивных свай выполнено элементом ««Embedded beam» (погруженная балка), который позволяет описать взаимодействие сваи с грунтом по боковой поверхности и под острием, а также учитывает прочность на контакте «массив грунт — свая» [4].

Для сравнительного анализа результатов расчета были проведены расчеты для двух сечений (см. рис. 2) на участке, различающихся по степени армирования сваями.

Общий вид расчетной схемы представлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид расчетной схемы

По сечению 1–1 сваи расположены с шагом 3 м, по сечению 2–2 в направлении параллельном ограждению котлована с шагом 6 м.

Результаты численных расчетов представлены на следующих рисунках:

Рис. 4. Максимальные горизонтальные смещения для сечения 1–1

Рис. 5. Максимальные горизонтальные смещения для сечения 2–2

Рис. 6. Максимальные горизонтальные смещения без учета свай

Рис 7. Сопоставительный график результатов численных расчетов

Численные расчеты показали высокую сходимость с натурными данными. Результаты сравнения смещений ограждения котлована сведены в таблицу 1.

Таблица 1

	, мм
	Сечение 1–1	Сечение 2–2	Без учета свай
Расчет	124,3	145,2	254,2
Мониторинг	128,47	142,4	-

Результаты численных экспериментов и данные мониторинга показали, что буровые сваи в пределах котлована оказывают существенное влияние на конструкцию ограждения, так как повышают приведенные прочностные параметры среды за счет армирования. К максимальному уменьшению перемещений «стены в грунте» приводит усиление наибольшим количеством свай в пределах котлована.

Таким образом, чтобы повысить точность расчетов и снизить затраты на проектирование до стадии производства работ, необходимо учитывать в расчетах влияние свайного поля на ограждение котлована. Учет данного фактора возможен с использованием метода конечных элементов.

Литература:

1. R. A. Mangushev, I. P. Diakonov, I. B. Bashmakov & D. A. Paskacheva. Calculation method of determining the earth pressure on the diaphragm wall considering the undrained soil behavior // In book: Smart Geotechnics for Smart Societies, 2023, с. 1015–1021.
2. Мангушев Р.А, Осокин А. И. «Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах»: Учеб. Пособие. М., СПб: Изд-во АСВ, 2013. — 256 с.
3. Khazaleh M. A. The effect of soil reinforcement of strength of the soil // Sustainable Energy and Environment Review. 2023. Vol. 1. Issue 1. Pp. 68–79.
4. Мангушев Р. А., Дьяконов И. П., Полунин В. М. «Численные расчеты в геотехнической практике. (Опыт применения конечно-элементного программного комплекса «ПЛАКСИС»)»: учеб.-практич. пособие. М.: Изд-во АСВ, 2022. — 316 с.