Предлагаем вниманию читателей адаптированный перевод статьи «Эффективность и механизмы работы наклонных ограждений глубоких котлованов». Ее авторы – китайские специалисты Ган Чжэн, Юпин Ван, Пэн Чжан, Сюэсун Чэн, Вэньлун Чэн, Юэбинь Чжао, Синьхао Ли. Они являются сотрудниками Тяньцзиньского университета, Цинхайского национального университетa и Тяньцзиньского университета «Чэнцзянь». Указанная работа была опубликована в 2020 году в журнале Advances in Civil Engineering («Достижения в гражданском строительстве»), выпускаемом научным издательством Hindawi. Она находится в открытом доступе и распространяется по лицензии Creative Commons Attribution (CC BY), которая разрешает ее неограниченное использование, воспроизведение, распространение, перевод, адаптацию, использование в своей работе (даже в коммерческих целях) при условии указания ссылки на первоисточник.
Из-за ограничений в устройстве горизонтальных распорок или обвязочного пояса с грунтовыми анкерами в последнее время в Китае начали успешно использовать подпорные стенки бортов котлованов без этих конструкций – наклонные подпорные системы. Но эффективность и механизм работы таких систем методично не изучались. В приведенном исследовании рассмотрен соответствующий случай из практики и результаты численного анализа наклонных подпорных конструкций с использованием метода конечных элементов. Было показано, что системы крепления бортов котлованов из наклонных свай (НС) более эффективны, чем из вертикальных свай (ВС), а комбинированные наклонные подпорные конструкции (КНПК) работают лучше, чем НС, с точки зрения уменьшения горизонтальных смещений и изгибающих моментов. Предотвращение или уменьшение деформаций наклонных свай в основном достигается за счет снижения активного давления грунта. Работа КНПК регулируется в результате комбинации нескольких эффектов: жесткой рамы (каркаса), подкосов, земляной бермы и гравитационной подпорной стенки. Например, комбинированная конструкция из вертикальных свай и свай с уклоном внутрь котлована (ВВНС) с неподвижным соединением оголовков свай ростверковой железобетонной балкой образует жесткую каркасную систему, в которой наклонные сваи функционируют как подкосы для вертикальных, а сила трения между грунтом и наклонными сваями значительно влияет на их удерживающую способность. Грунт между вертикальными и наклонными сваями играет роль, аналогичную роли земляной бермы. Кроме того, вся эта система крепления бортов котлована в сумме работает аналогично гравитационной подпорной стенке, которая имеет относительно высокую устойчивость на опрокидывание.
Адаптированный перевод выполнен при поддержке партнера журнала «ГеоИнфо» – компании «НИП-Информатика».
Ван Юпин (Wang Yuping)
Главная лаборатория Министерства образования КНР по безопасности прибрежных гражданских сооружений и факультет гражданского строительства Тяньцзиньского университета, г. Тяньцзинь, Китай; Цинхайский национальный университет, г. Синин, Китай
Чжан Пэн (Zhang Peng)
Цинхайский национальный университет, г. Синин, Китай
Чэн Сюэсун (Cheng Xuesong) (автор, ответственный за переписку)
Главная лаборатория Министерства образования КНР по безопасности прибрежных гражданских сооружений и факультет гражданского строительства Тяньцзиньского университета, г. Тяньцзинь, Китай
cheng_xuesong@163.com
Чэн Вэньлун (Cheng Wenlong)
Тяньцзиньский университет «Чэнцзянь», г. Тяньцзинь, Китай
Чжао Юэбинь (Zhao Yuebin)
Главная лаборатория Министерства образования КНР по безопасности прибрежных гражданских сооружений и факультет гражданского строительства Тяньцзиньского университета, г. Тяньцзинь, Китай
Ли Синьхао (Li Xinhao)
Главная лаборатория Министерства образования КНР по безопасности прибрежных гражданских сооружений и факультет гражданского строительства Тяньцзиньского университета, г. Тяньцзинь, Китай
В городских районах Китая строится все больше высотных зданий и подземных коммуникационных тоннелей, и, соответственно, объекты проектирования, связанные с выемкой грунта, становятся все глубже, крупнее и длиннее. Однако глубокие разработки могут вызвать чрезмерные деформации и осадки грунтов, а это может повредить соседние здания, тоннели, трубопроводы и т. д. Для защиты окружающих объектов во время земляных работ необходимы эффективные меры по ограничению деформаций подпорных систем и оседания грунтов. Для уменьшения смещений, вызванных выемкой грунта, обычно используются «стены в грунте» или ряды свай с одним или несколькими уровнями горизонтальных распорок или грунтовых анкеров [1, 2].
Обычными удерживающими борта котлованов конструкциями, в которых не используются горизонтальные распорки и/или грунтовые анкеры, являются поддерживаемые бермами «стены в грунте», однорядные или двухрядные свайные подпорные конструкции [3, 4] и многоуступные системы крепления [5]. Однако при относительно большой глубине выемки бермы занимают большие площади и вызывают задержки в строительстве подземных сооружений. Глубина же котлованов при использовании двухрядных свайных подпорных конструкций ограниченна и на участках, сложенных слабыми грунтами, обычно составляет менее 8 м.
В работе [6] рассказывается, что в песчаном грунте был успешно построен котлован глубиной 9,6 м, борта которого удерживались наклонными стальными шпунтовыми сваями с бермой. Кроме того, испытания на центрифуге физической модели, основанной на этом практическом случае, продемонстрировали, что деформации наклонных свай были примерно на 30% меньше, чем у вертикальных. Однако комбинированные конструкции с наклонными и вертикальными сваями в указанной статье [6] не исследовались.
В статье [7] рассмотрены испытания моделей подпорной стенки из наклонных свай в морской глине. Результаты показали, что горизонтальные смещения подпорной конструкции при наличии наклонных свай уменьшились примерно на 40%.
Рис. 2. План размещения котлована под проект «Хайхэюань» (а); вертикальный разрез и вид в плане участка борта котлована M-1, укрепленного комбинацией вертикальных свай и свай с уклоном внутрь котлована (ВВНС) (б); вертикальный разрез и вид в плане участка борта котлована M-2, укрепленного вертикальными сваями (ВС) (в)
Таблица 1. Параметры грунта на площадке реализации проекта «Хайхэюань»
Рис. 4. Максимальные горизонтальные смещения различных подпорных конструкций для профиля M-1, рассчитанные с использованием метода конечных элементов. Аббревиатуры вдоль горизонтальной оси относятся к удерживающим конструкциям: ВС – из вертикальных свай; НС – из наклонных свай с уклоном внутрь котлована (через дефис указаны углы отклонения от вертикали); ВННС-20° – из вертикальных свай и свай с уклоном наружу от котлована с углом отклонения от вертикали 20 град.; ВВНС-20° – из вертикальных свай и свай с уклоном внутрь котлована с углом отклонения от вертикали 20 град.; ВС + Р – из вертикальных свай с одним уровнем горизонтальных распорок наверху
Учитывая результаты, представленные на рисунке 4, и недостатки горизонтальных распорок, в качестве основной удерживающей системы бортов котлована была выбрана ВВНС-20°. Кроме того, для сравнения эффективности работы ВС и ВВНС-20° в качестве эталонного случая использовалась конструкция из вертикальных свай на профиле M-2. Наклонные и вертикальные сваи заводского производства устанавливались с помощью изготовленной на заказ установки для погружения железобетонных свай вдавливанием статической нагрузкой (рис. 5, а). Для объединения оголовков вертикальных и наклонных свай была устроена железобетонная ростверковая балка (стальной каркас которой был залит бетоном марки 35). Один из моментов процесса строительства показан на рисунке 5, б.
|
Рис. 9. Горизонтальные смещения подпорных систем из вертикальных свай (ВС) и из наклонных свай с уклоном внутрь котлована (НС) при разных углах отклонения наклонных свай от вертикали Кроме того, при увеличении угла α длина заделки свай уменьшалась из-за их фиксированной длины (например, глубина заделки НС-20° была на 6% меньше, чем у ВС). Однако горизонтальные смещения при этом уменьшались, а не увеличивались – и это говорит о том, что угол отклонения наклонных свай от вертикали играет важную роль в управлении их горизонтальными смещениями. Как видно из рисунка 10, распределение изгибающих моментов для НС имело такой же характер, как и для ВС. Однако при одной и той же глубине котлована изгибающие моменты для НС был намного меньше, чем для ВС. Кроме того, с увеличением угла α положение сечения сваи с максимальным изгибающим моментом стало ближе к дневной поверхности и изгибающие моменты для сваи в целом уменьшились, что, вероятно, способствует уменьшению ее горизонтальных смещений. При глубине котлована 6 м максимальные изгибающие моменты НС при углах α, равных 10 и 20 град., были соответственно на 42,82 и 74,41% меньше, чем у ВС.
Рис. 10. Изгибающие моменты в системах из вертикальных свай (ВС) и из наклонных свай с уклоном внутрь котлована (НС) при разных углах отклонения от вертикали 5.2. Напряжение грунта, действующее на подпорную сваюКак показывает рисунок 11, для одной и той же глубины котлована нормальное напряжение, действующее на НС в активной зоне, было меньше, чем для ВС. Кроме того, чем больше угол отклонения от вертикали, тем меньше нормальное напряжение, действующее на НС. Это является основной причиной того, что при больших углах α горизонтальные смещения свай и изгибающие моменты в них меньше. Кроме того, поскольку напряжение, действующее на сваю в активной и пассивной зонах, должно быть сбалансированным, то по мере увеличения угла α нормальное напряжение, действующее на НС в пассивной зоне, показывает тенденцию, аналогичную таковой для активной зоны.
Рис. 11. Нормальное напряжение, действующее на системы из вертикальных свай (ВС) и из наклонных свай с уклоном внутрь котлована (НС) при глубине котлована 6 м Вертикальные напряжения в элементах грунта вблизи наклонных свай в системе НС в активной зоне были намного меньше, чем таковые для вертикальных свай в системе ВС. Соответственно, и горизонтальные напряжения в этих элементах грунта также были меньше (рис. 12). Это может быть основной причиной того, что нормальное напряжение, действующее на НС, меньше, чем действующее на ВС.
Рис. 13. Сравнение горизонтальных смещений (а) и изгибающих моментов (б) для подпорных систем: ВС – из вертикальных свай; ВС + Р – из вертикальных свай с одним уровнем распорок наверху; ВВНС – из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована (с углами отклонения от вертикали 10 и 20 град.) 6.2. Механизм уменьшения деформаций КНПКВышеупомянутый анализ показал, что по мере увеличения угла отклонения от вертикали наклонных свай в исследованных КНПК горизонтальные смещения уменьшались и картина изгиба изменялась. При одинаковом угле α горизонтальные смещения свай в системе НВНС (из свай с уклоном наружу и внутрь) были наименьшими, в системе ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) – промежуточными, а в системе ВННС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована) – наибольшими. В этом разделе будут рассмотрены механизмы работы КНПК. По результатам численных расчетов, при выемке грунта вся комбинированная наклонная подпорная конструкция деформировалась как единое целое, а деформации грунта контролировались за счет взаимодействия ростверковой балки, вертикальных свай, наклонных свай и грунта между сваями. Механизм работы КНПК обеспечивался комбинацией нескольких эффектов: подкосов (inclined struts), жесткой рамы (каркаса), земляной бермы и гравитационной подпорной стенки.
6.2.1. Эффект подкосовКак показано на рисунке 13, б, в системе ВВНС по мере увеличения угла отклонения наклонных свай от вертикали распределение изгибающих моментов в сечениях вертикальных свай постепенно изменялось, напоминая таковое для системы из вертикальных свай с одним уровнем распорок наверху (ВС + Р), что наблюдалось и для характера горизонтальных смещений, обсуждавшегося выше. Другими словами, картина нагружения вертикальных свай в конструкции ВВНС изменилась с «консольной балочной» (cantilever beam) на «шарнирную балочную» (hinged beam) из-за изменений в защемлении (заделке) оголовков свай. Это является одной из причин уменьшения изгибающих моментов и горизонтальных смещений с увеличением угла α. Характер защемления (заделки) оголовка сваи играл важную роль в распределении смещений и изгибающих моментов вдоль ее ствола. В подпорной системе ВВНС наклонная свая испытывала сжимающее осевое усилие, а вертикальная – растягивающее (рис. 14). Таким образом, наклонная свая действовала как подкос. Очевидно, что усилие сдвига вертикальной сваи в точке, расположенной ниже ростверковой балки, было равно результирующему горизонтальному усилию, поддерживающему борт котлована и создаваемому наклонной сваей, которое могло бы быть показателем для количественного измерения эффекта подкоса. В системе ВВНС с увеличением угла α росли и горизонтальные подпорные усилия, создаваемое вертикальными сваями (рис. 15), что означает усиление эффекта подкосов со стороны наклонных свай. Такое поведение стало причиной уменьшения деформаций и изгибающих моментов с ростом угла α. Эффект подкосов присутствовал также и в системах ВННС и НВНС. Как видно из рисунка 14, для системы ВННС наклонные и вертикальные сваи подвергались осевым растягивающим и сжимающим усилиям соответственно. В этом случае роль наклонных свай с уклоном наружу от котлована была аналогична роли грунтовых анкеров в обвязочном поясе шпунтовой подпорной стенки. В системе НВНС наклонные сваи с уклоном наружу и внутрь подвергались действию осевых растягивающих и сжимающих усилий соответственно.
Рис. 14. Осевые усилия в сваях комбинированных наклонных подпорных конструкций (КНПК): ВВНС – из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована; ВННС – из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована; НВНС – из наклонных свай с уклоном наружу и внутрь Рис. 15. Силы сдвига, действующие на вертикальные сваи в составе системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) 6.2.2. Эффект жесткой рамы (каркаса)Ростверковая балка играла решающую роль для всех исследованных КНПК: она соединяла оголовки свай с разными углами отклонения от вертикали и заставляла всю систему работать как жесткий каркас. Чтобы исследовать влияние этой балки, для свай с разными углами α были смоделированы различные типы соединения с ней, то есть неподвижное, шарнирное и свободное. Как показано на рисунке 16, когда вертикальные и наклонные сваи не были соединены перекрывающей их балкой, они деформировались независимо друг от друга и аналогично «консольным» сваям. Однако при наличии перекрывающей балки, причем независимо от того, было ли соединение с ней неподвижным или шарнирным, балка и подпорные сваи образовывали жесткий пространственный каркас, в результате чего сваи деформировались совместно, а их горизонтальные смещения, особенно выше дна котлована, были значительно уменьшены по сравнению с предыдущим случаем. Между тем форма эпюры горизонтальных смещений изменилась с «консольной» на дугообразную (bow shape), что произошло в основном из-за того, что подпирающие усилия передавались между сваями через перекрывающую их балку. Другими словами, эффект жесткой рамы (каркаса) был основой для реализации эффекта подкосов.
Рис. 16. Сравнение горизонтальных смещений при различных типах соединения перекрывающей балки и оголовков свай комбинированных систем: а – ВННС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована); б – ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована); в – НВНС (из свай с уклоном наружу и внутрь) 6.2.3. Эффект земляной бермыКак показано на рисунках 17, а, б, когда грунт между сваями был удален, смещения подпорных свай значительно увеличились, а результирующие давления грунта, действующие на вертикальные сваи в пассивной зоне, заметно уменьшилась. В то же время усилие сдвига в верхней части вертикальных свай увеличилось, указывая на то, что подпорные усилия в наклонных сваях выросли. Из рисунка 17, в видно, что в подпорной системе ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) грунт между сваями играет довольно важную роль.
Рис. 17. Сравнение поведения комбинированной системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) с грунтом и без грунта между подпорными сваями: а – горизонтальные смещения свай; б – давление грунта на вертикальные сваи в пассивной зоне; в – силы сдвига, действующие на вертикальные сваи Это можно объяснить следующим образом. В горизонтальном направлении давление грунта, действующее на вертикальные сваи в активной зоне, уравновешивается давлением грунта в пассивной зоне и горизонтальными составляющими подпорных сил наклонных свай. При выемке грунта между сваями давление грунта в активной зоне остается практически неизменным. Однако общее давление грунта в пассивной зоне уменьшается. Для поддержания баланса в горизонтальном направлении усилие «подкоса» (inclined strut force) увеличивается. Это говорит о том, что осевые силы в наклонных сваях стали больше и относительные смещения между грунтом и наклонными сваями также увеличились. В целом грунт в треугольной области между вертикальными и наклонными сваями эффективно улучшал сопротивление грунта в пассивной зоне и играл роль, аналогичную роли земляной бермы [3, 12–14]. Поэтому, чтобы избежать разрушения, грунт внутри системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) должен быть тщательно защищен сварной арматурной сеткой из стальных стержней (steel bar mesh) и набрызг-бетоном (short-concrete). В работе системы НВНС (из свай с уклоном наружу и внутрь) также имеется эффект земляной бермы. А вот в функционировании системы ВННС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована) такой эффект отсутствует. Это различие – одна из причин того, что ВВНС и НВНС более эффективны, чем ВННС.
6.2.4. Эффект гравитационной подпорной стенкиКак упоминалось выше, деформации вертикальных и наклонных свай в комбинированных наклонных подпорных конструкциях (КНПК) были очень близки. Таким образом, подпорные сваи и грунт между ними, вероятно, работали вместе, как бы формируя гравитационную подпорную стенку, которая имела относительно большую устойчивость против опрокидывания. Чтобы определить, можно ли рассматривать конструкционные элементы КНПК и грунт между ними как единый массив, эффективность работы этих систем сравнивали с таковой для гравитационной стенки с той же геометрией. Модели таких стенок были созданы путем моделирования материала внутри каждого вида КНПК на основе линейно-упругой конститутивной модели с модулем упругости 30 ГПа, при этом подпорные сваи не были активированы. Таким образом, армированная КНПК как бы превращалась в единый бетонный блок. Устойчивость различных типов комбинированных наклонных подпорных конструкций и соответствующих им по геометрии гравитационных подпорных стенок рассчитывалась с использованием метода снижения прочности. Коэффициенты устойчивости (safety factors) приведены на рисунке 18, а.
Рис. 18. Сравнение работы комбинированных наклонных подпорных конструкций (КНПК) и соответствующих им по геометрии гравитационных подпорных стенок: а – коэффициенты устойчивости для таких комбинированных систем, как ВННС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована), ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована), НВНС (из свай с уклоном наружу и внутрь) и соответствующих гравитационных стенок; б – приращения деформации сдвига в изолиниях для системы ВВНС и соответствующей гравитационной стенки При одном и том же угле α коэффициент устойчивости гравитационной стенки с геометрией типа НВНС был больше, чем у стенки с геометрией типа ВВНС, и был наименьшим при геометрии типа ВННС. Коэффициенты устойчивости всех рассмотренных КНПК были близки к таковым для соответствующих гравитационных стенок. Кроме того, как видно из рисунка 18, б, нарушения рассмотренных типов КНПК и соответствующих им гравитационных стенок также были аналогичны. Таким образом, в работе КНПК с относительно большим углом отклонения наклонных свай от вертикали действительно присутствовал значительный эффект гравитационной подпорной стенки. При этом комбинированные наклонные подпорные конструкции, в поведении которых присутствовал более сильный эффект гравитационной стенки, имели более хорошую эффективность в креплении бортов котлована.
6.3. Параметрическое исследование факторов влияния6.3.1. Отношение количества наклонных свай к числу вертикальных свай в комбинированной системе ВВНСВ рассмотренных в предыдущих разделах комбинированных подпорных системах ВВНС количество вертикальных и наклонных свай было одинаковым. В этом разделе будет исследовано влияние отношения количества наклонных свай к числу вертикальных (N) на эффективность работы ВВНС с углом α = 20 град. при глубине котлована 6 м. Как показано на рисунке 19, по мере уменьшения отношения N максимальная деформация подпорной конструкции увеличивалась и эпюра смещений постепенно изменялась до характерной для «консольной» системы свай (ВС), когда значение N становилось меньше 1/8. В то же время изгибающие моменты как вертикальных, так и наклонных свай сначала уменьшались, а затем значительно увеличивались (рис. 20), а эпюра изгибающего момента также постепенно изменялась до характерной для «консольной» системы (опять же когда значение N становилось меньше 1/8).
Рис. 19. Сравнение горизонтальных смещений в системе ВС (только из вертикальных свай) и в комбинированной системе ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) с разными отношениями количества наклонных свай к числу вертикальных (N). Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Рис. 20. Сравнение изгибающих моментов в сечениях свай системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) с разными отношениями количества наклонных свай к числу вертикальных (N). Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Описанные выше явления можно объяснить следующим образом. Как видно из рисунка 21, максимальные осевые силы в наклонных сваях системы ВВНС сначала увеличивались с уменьшением отношения N. Но когда значение N стало меньше 1/3, осевые силы уже не увеличивались, потому что сила трения между наклонными сваями и окружающим грунтом была полностью мобилизована (рис. 22). Здесь степень мобилизации сопротивления трению можно выразить через относительное напряжение сдвига (запас прочности в точке), определяемое следующей формулой [15]:
Относительное напряжение сдвига, равное единице, означает, что сопротивление сваи трению полностью мобилизовано (достигло предельного значения и свая по боковой поверхности не работает).
Рис. 21. Сравнение силы сдвига в оголовках вертикальных свай и максимальной осевой силы, действующей на наклонные сваи системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) с разными отношениями количества наклонных свай к числу вертикальных (N). Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Рис. 22. Сравнение относительных напряжений сдвига в наклонных сваях системы ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) с разными отношениями количества наклонных свай к числу вертикальных (N). Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Когда отношение N уменьшалось, хотя максимальная осевая сила в каждой наклонной свае сначала увеличивалась, а затем постепенно становилась стабильной, средняя «подпирающая» сила вертикальных свай (то есть средняя сила сдвига в оголовках вертикальных свай), создаваемая наклонными сваями, постепенно становилась меньше (см. рис. 21). Значит, эффект подкоса, обеспечиваемый наклонными сваями, становился слабее. Это должно было быть основной причиной того, что деформация удерживающей борт котлована системы становилась больше. Основываясь на приведенном выше анализе, можно сказать, что доля наклонных свай в конструкции ВВНС должна быть достаточно большой, чтобы гарантировать эффективность работы этой системы.
6.3.2. Длина наклонных свай с уклоном внутрь котлована в системе ВВНСДля системы ВВНС при глубине котлована 6 м и угле отклонения наклонных свай от вертикали 20 град. в дополнение к длине свай 15 м были рассмотрены значения 11, 13, 17, 19, 21 и 23 м. Максимальное горизонтальное смещение, максимальная осевая сила для наклонной сваи и сила сдвига в оголовке вертикальной сваи в конструкциях ВВНС с различной длиной наклонных свай показаны на рисунке 23. С увеличением длины наклонных свай горизонтальные смещения ВВНС уменьшались, но скорость этого уменьшения постепенно снижалась. После того как длина сваи увеличивалась до определенного значения, смещение подпорной конструкции становилось почти постоянным.
Рис. 23. Сравнение максимального горизонтального смещения, максимальной осевой силы и силы сдвига в системе ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) при различной длине наклонных свай. Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Рассмотренное выше явление можно объяснить следующим образом. Как показано на рисунке 24, когда длина наклонной сваи составляла 11 м, относительное напряжение сдвига на ее поверхности под дном котлована было довольно большим и даже достигло единицы на нижнем конце. Это говорит о том, что сопротивление трению по боковой поверхности сваи было полностью мобилизовано. Следовательно, чтобы уменьшить относительное смещение между сваями и грунтом и деформацию подпорной системы, длину наклонной сваи с уклоном внутрь котлована необходимо увеличить, чтобы обеспечить большее сопротивление трению по ее боковой поверхности.
Рис. 24. Сравнение относительных напряжений сдвига для наклонных свай в системе ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) при различной длине наклонных свай. Глубина котлована 6 м, угол отклонения наклонных свай от вертикали α = 20 град.
Когда длина сваи увеличивалась, относительное напряжение сдвига на той же глубине (ниже дна котлована) уменьшалось. Тогда относительное смещение между сваями и грунтом, то есть смещение сваи, и степень мобилизации силы трения по ее боковой поверхности уменьшались. По мере увеличения длины сваи максимальная осевая сила в наклонной свае (общее сопротивление трению по ее боковой поверхности) и сила сдвига в оголовке вертикальной сваи росли, что указывает на усиление эффекта подкоса, обеспечиваемого наклонной сваей. Однако, когда длина сваи выросла до определенного значения (до 17 м), эти параметры перестали существенно увеличиваться (см. рис. 24). Другими словами, эффект подкоса явно не усилился. Поэтому на практике разумно выбирать подходящую длину наклонной сваи. Еще раз отметим, что для подпорных систем ВВНС мобилизованная сила трения между грунтом и боковой поверхностью наклонных свай значительно влияет на эффективность работы подпорной конструкции.
7. ВЫВОДЫВ этой работе с помощью численного 3D-моделирования была исследована эффективность крепления бортов котлована и механизмы работы некоторых новых удерживающих борта котлованов конструкций (без использования горизонтальных распорок или обвязочного пояса с грунтовыми анкерами), таких как подпорные системы из наклонных свай (НС) и различные типы комбинированных наклонных подпорных конструкций (КНПК). На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. 1. По сравнению с подпорными системами из вертикальных свай (ВС) для систем из наклонных свай (НС) нормальные напряжения грунта, действовавшие на наклонные сваи в активной зоне, уменьшались, а горизонтальные смещения и изгибающие моменты в НС уменьшались значительно. 2. Для различных типов КНПК, когда угол отклонения наклонных свай от вертикали увеличивался, максимальное горизонтальное смещение значительно уменьшалось, а эпюры горизонтальных смещений и изгибающих моментов КНПК постепенно изменялись от «консольного» типа, характерного для систем ВС, до дугообразной формы, которая была похожа на таковую для простой системы из вертикальных свай с одним уровнем горизонтальных распорок наверху (ВС + Р). Когда наклонные сваи в разных типах подпорных систем имели одинаковый угол отклонения от вертикали, комбинированная система ВННС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном наружу от котлована) работала эффективнее, чем НС, в то время как комбинированные системы НВНС (из свай с уклоном наружу и внутрь) и ВВНС (из вертикальных свай и наклонных свай с уклоном внутрь котлована) имели самые хорошие поддерживающие борта котлована характеристики. Для относительно более глубоких котлованов и меньших углов отклонения наклонных свай от вертикали эффективность НВНС была слегка выше, чем у ВВНС, в плане уменьшения горизонтальных смещений. 3. Основной механизм работы КНПК являлся комбинированным результатом нескольких эффектов: жесткой рамы (каркаса), подкосов, земляной бермы (но не для ВННС) и гравитационной подпорной стенки. Эффект жесткой рамы (каркаса) и эффект подкосов: ростверковая балка соединяла оголовки свай с разными углами отклонения от вертикали и заставляла их работать как жесткий каркас. Сваи с уклоном внутрь котлована в НВНС функционировали как подкосы, в то время как сваи с уклоном наружу в ВННС были по действию аналогичны обвязочному поясу с грунтовыми анкерами. Эффект жесткой рамы (каркаса) стал основой для реализации эффекта подкосов. Эффект земляной бермы: грунт в треугольной области между вертикальной и наклонной сваями системы ВВНС эффективно улучшал сопротивление грунта в пассивной зоне и играл роль, аналогичную земляной берме. В системе ВННС не было эффекта земляной бермы. Это является одной из причин того, что эффективность работы НВНС и ВВНС была выше, чем у ВННС. Эффект гравитационный подпорной стенки: система, состоявшая из подпорной конструкции и грунта между сваями, была похожа по действию на соответствующую по геометрии гравитационную подпорную стенку, которая имела относительно высокую устойчивость против опрокидывания. Среди КНПК наибольший эффект гравитационной подпорной стенки имела работа системы НВНС, за ней следовала ВВНС, а затем – ВННС. Комбинированные наклонные подпорные конструкции, которые имели в работе большой эффект гравитационной подпорной стенки, продемонстрировали хорошие удерживающие борта котлована характеристики. Для ВВНС степень мобилизации силы трения между грунтом и наклонными сваями значительно влияла на эффективность работы подпорной конструкции. Когда значение N (отношение количества наклонных свай к числу вертикальных) или длина наклонных свай уменьшались, степень мобилизации сопротивления трению по боковой поверхности свай увеличивалась (приближаясь к предельным значениям). Однако как максимальная деформация, так и максимальный изгибающий момент подпорной конструкции увеличивались, поскольку эффект подкосов, создаваемый наклонными сваями, становился меньше. Поэтому следует должным образом выбирать значение N и длину наклонных свай.
Итак, практические проекты и численные результаты показали, что КНПК, особенно ВВНС и НВНС, были гораздо эффективнее в поддержании бортов котлована, чем вертикальные «консольные» подпорные конструкции, и могли даже заменить систему крепления котлована вертикальными сваями с одним уровнем горизонтальных распорок. Комбинированные наклонные подпорные конструкции без использования горизонтальных распорок или обвязочного пояса с грунтовыми анкерами имеют ряд преимуществ, таких как низкая стоимость, быстрое строительство и малая деформативность, и могут широко применяться при строительстве котлованов в слабых грунтах. — Работа была поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (грант № 2017YFC0805407) и Национальным фондом естественных наук Китая № 41630641; 51708405). Авторы выражают свою благодарность за эту поддержку.
29
Апрель
2021
?>
|
Оформить подписку
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку