WEB-ресурс научно-практических конференций

К.т.н. Чунюк Д.Ю., Ярных В.Ф.

Московский государственный строительный университет, Россия

ВОПРОСЫ РАСЧЕТА ГЛУБОКИХ КОТЛОВАНОВ В СТЕСНЕННЫХ ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ

Научно-технический прогресс идет непрерывно, совершенствуются методики расчета строительных конструкций, оттачиваются процессы проектирования и организации строительного производства.

Пять - десять лет назад, использование в инженерной практике специализированных программных комплексов для создания объемных моделей системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка" было уделом очень узкого круга профессионалов. Огромные вычислительные мощности, кропотливая работа по корректному заданию всех необходимых для расчета параметров, максимально точно описывающих реальные инженерно-геологические условия и архитектурно-конструктивные особенности объекта строительства, накладывали свой отпечаток на трудоемкость решения подобных задач.

Гораздо большее распространение получили в то время программы компьютерного моделирования плоских моделей системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка" (« Wall -3» (Россия), « Plaxis 2 D » (Нидерланды) и пр.), которые были менее требовательны к вычислительным возможностям и позволяли относительно точно описывать реальные условия, обходясь минимумом расчетных параметров.

При использовании данных программ модель системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка" разбивается на следующие этапы: анализ инженерно-геологических данных, принятых архитектурно-планировочных и конструктивных решений и другой исходной информации; выбор нескольких характерных сечений массива грунта; плоское моделирование совместной работы грунтов основания и подземных конструкций с учетом наличия близлежащих зданий, и при этом для каждого из выбранных сечений приходилось практически заново собирать расчетную схему и вводить необходимые параметры. Программные комплексы, такие как « PLAXIS » (Нидерланды), « ABAQUS » (США), « ANSYS » (США), « Z _ SOIL . PC » (Швейцария), «Платон» (Россия), « UWay » (Россия) и др. для геотехнических расчетов имели в своем арсенале исчерпывающий перечень необходимых инструментов, включая полный перечень моделей грунтов . с реди которых модель Кулона-Мора, Модель рыхлых грунтов, Модель мягких ползучих грунтов, Твердая модель, модель слабого грунта, линейно-упругая модель, с возможностью создания собственных пользовательских моделей.

Таким образом, используя возможности расчетных комплексов, удавалось с достаточной степенью точности моделировать совместную работу грунтов оснований и подземных конструкций в плоской постановке. Однако, для того чтобы получить исчерпывающую информацию о поведении массива грунта и работе конструкций требовалось проведение большого количества «плоских» расчетов с последующим сбором всех результатов в единую картину в голове у проектировщика, проводящего комплексный анализ всей информации. А ведь грамотный инженерный анализ - важнейший этап любого строительного проектирования, определяющий высокое качество принятых проектных решений и обеспечивающий необходимую надежность возводимого объекта.

Такой подход по рассмотрению и моделированию плоских задач при проектировании подземных конструкций, в том числе конструкций ограждения котлованов, и анализу напряженно-деформированного состояния грунтов основания до определенного времени полностью себя оправдывал и давал очень близкие к реальности результаты, удовлетворяя запросам инженеров-практиков. О важности корректного учета напряженно-деформированного состояния массива грунтов мы писали в одной из прошлых статей [2].

Время идет, усложняются инженерно-геологические условия площадок строительства. Постепенно переходят от застройки земель кварталами, на «точечную» застройку оставшихся в наличии земель и освободившихся участков при сносе старых и аварийных зданий в стесненных городских условиях.

Усложняется архитектура возводимых зданий, растет этажность объектов, стали появляться комплексы переменной этажности высотой до 75м, которой теперь никого не удивишь. Появляются новые и корректируются старые строительные нормы. Ужесточаются и дополняются требования к деформациям и кренам как проектируемых, так и уже построенных или существующих объектов при оценке влияния нового строительства на окружающую застройку.

Одновременно с вышеперечисленными процессами идет рост вычислительных возможностей компьютеров. И если раньше процесс вычисления расчетной задачи мог занимать на специальной ЭВМ весь рабочий день, то сейчас та же задача на современном «настольном» компьютере будет посчитана за полчаса. Расчеты несущих конструкций вих надземной части, с успехом могут выполнены, например, в программах «Лира» (Украина), « SCAD » (Украина), « STARK _ ES » (Россия), « Ing +» (Россия) и др. А вот программные комплексы, связанные сгеотехническими расчетами, воснову которых положены процессы моделирования грунтов основания, взаимодействия между несущими конструкциями игрунтами гораздо можно пересчитать по пальцам.

Все вышеперечисленные факторы приводят нас к необходимости использования специализированных программных комплексов позволяющих просчитывать 3-х мерные модели системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка", которые максимально точно учтут при создании расчетных моделей полный спектр исходной информации уже на начальных этапах проектирования. К такой информации следует отнести и инженерно-геологические условия с не однородным напластованием и переменной мощностью в пределах каждого из слоев массива грунта, и существующую застройку, и разнообразные контуры ограждения в плане подземных частей проектируемых зданий, включая различные системы крепления ограждений.

Все чаще усложнившаяся архитектура и необходимость освоения подземного пространства, а также наличие по соседству с объектом существующих зданий или сооружений вносят в расчет свои коррективы. Наличие нескольких блоков подземных этажей с различными отметками заложения по глубине, наличие сложного рельефа с большим перепадом отметок поверхности требуют от проектировщиков принятия смешанной схемы крепления ограждения котлована, зачастую и так имеющего сложную форму в плане.

Появляется все большее количество объектов, где в качестве ограждения котлована на одном из участков используется шпунтовое ограждение из труб одних диаметров без распорной системы, переходящее в ограждении из труб других диаметров уже с креплением стенки подкосной системой, которая на следующем участке переходит в горизонтальные распорки. А участок ограждения, проходящего в непосредственной близости от существующего здания, выполняется методом «стена в грунте». При использовании плоских расчетных моделей для получения более полной информации о работе массива грунта и несущих конструкций необходимо просчитать десятки сечений, снова и снова собирая каждую модель, для учета всего многообразия конструктивных особенностей, геологических условий и пр.

В инженерной практике, с каждым годом только растет количество случаев, в которых использование объемной конечно-элементной модели становиться единственным способом получения исчерпывающей информации для проведения всестороннего инженерного анализа напряженно-деформированного состояния массива грунта и работы всех конструкций, и для принятия оптимальных решений, в том числе с учетом пространственной жесткости ограждения котлована.

Однако не стоит забывать о том, что использование программных комплексов по расчету плоских моделей и сейчас не теряет своей актуальности, а в ряде случаев позволяет ускорить расчетный процесс при получении достоверных для инженера-практика результатов.

В связи с этим появляется необходимость введения ограничения области применения в расчетной практике плоских моделей системы "проектируемое здание - котлован - окружающая застройка". Перечислим лишь основные ограничения:

– расчет массивов грунтов имеющих относительно равномерное залегание слоев по площади рассматриваемого участка,

– расчет ограждения котлованов имеющих простые формы в плане с незначительными перепадами отметок дна котлованов,

– расчет ограждения котлованов имеющих однотипное решение распорной системы,

– расчет плоских моделей с учетом неравномерности загружения конструкций и поэтапности возведения зданий (или нескольких секций одного здания) расположенных в одной плоскости,

– расчет плоских моделей с учетом наличия в зоне влияния одного-двух существующих зданий расположенных в расчетной плоскости.

Все это, в свою очередь, приводит к снижению геотехнических рисков, не только на стадии проектирования, но и на стадии строительства новых объектов или реконструкции существующих зданий или сооружений в стесненных городских условиях мегаполисов.