Представляем сокращенный адаптированный перевод доклада «Конечноэлементный анализ строительства котлована с “островной” выемкой грунта» (Yu et al., 2021), который был сделан китайскими геотехниками Чанъи Ю, Цзе Лун и Минъюэ Лу на 6-й Международной конференции по добыче полезных ископаемых, геотехнологиям и гражданскому строительству в городе Гуанчжоу (Китай). Эта работа также была опубликована в виде статьи в журнале Earth and Environmental Science («Науки о Земле и окружающей среде») издательством британской благотворительной научной организации IOP (Institute of Physics – «Институт физики»), ставшей поистине международной. Данная статья находится в открытом доступе по лицензии CC BY 3.0, которая позволяет распространять, переводить, адаптировать и дополнять ее при условии указания типов изменений и ссылки на первоисточник. В нашем случае полная ссылка на источник для представленного перевода (Yu et al., 2021) приведена в конце.
Для строительства крупных котлованов подходит «островная» выемка грунта из-за ее высокой скорости, но при этом требуется более сильная система крепления бортов. В представленном исследовании было проведено конечноэлементное моделирование процесса строительства глубокого котлована с поэтапной «островной» выемкой грунта и поэтапным созданием «двухкольцевой» системы поддержи подпорной стены из четырех ярусов балочных обвязочных поясов, распорок и раскосов. Были получены поля смещений и напряжений для системы крепления котлована и грунтов вокруг него. Представленные методика анализа и его результаты могут помочь проектированию, безопасному и бесперебойному строительству рассмотренного котлована, а также развитию других похожих проектов.
При создании котлована приходится решать многие вопросы: выполнять земляные работы, водоотведение, управление строительством, мониторинг, строительство на прилегающих площадках, оценивать влияние на поведение существующей окружающей застройки и др. В процессе строительства необходимо не только обеспечивать безопасность и устойчивость самого котлована, но и строго контролировать смещения грунтов вокруг него для защиты окружающих его территорий, зданий и сооружений [1].
Имеется три распространенных типа откопки котлованов:
В данной статье представлены результаты конечноэлементного моделирования процесса «островной» выемки грунта при строительстве крупного котлована с поэтапным созданием системы крепления подпорной стенки из балочных обвязочных поясов, распорок и раскосов. Также рассмотрены временнЫе и пространственные изменения полей напряжений и смещений в процессе выемки грунта.
Для оптимизации схемы «островной» выемки грунта необходимо было провести конечноэлементный анализ строительства и использования выбранной системы крепления котлована.
Из-за большой площади и неправильной формы рассматриваемого котлована крепление каждой его части должно быть разным, поэтому для анализа возможных неблагоприятных последствий процесса его строительства пришлось анализировать поведение всего объекта целиком.
Для выемки грунта котлован сложной формы был разделен на две части – левую и правую с радиусами 13,1 и 14,5 м соответственно.
Рассматривалась следующая последовательность строительства в каждой из указанных частей:
Длина, ширина и высота разработанной модели грунта составляют 213, 190 и 36 м соответственно, глубина котлована – 14 м, высота «стены в грунте» – 26 м. Система крепления правой и левой частей котлована в основном состоит из четырех обвязочных поясов из обвязочных балок, распорок и раскосов. Дно котлована принимается фиксированным. Грунт, «стена в грунте» и система ее крепления разделены на объемные блоки и шестигранные конечные элементы (рис. 1, 2). Грунт разделен на 30000 конечных элементов. Для него принята упругопластическая модель, а для «стены в грунте» и системы ее крепления – идеальная линейно-упругая модель. Параметры конечноэлементного моделирования приведены в таблице.
Рис. 1. Конечноэлементная модель (а) и сетка конечных элементов (б)
Рис. 2. Конечноэлементные модели «стены в грунте» в объеме (а) и системы ее крепления в плане (б)
Таблица. Параметры конечноэлементного моделирования
Рис. 3. Осадки поверхности вмещающего котлован грунта в процессе земляных работ
Рисунок 4 отражает горизонтальные смещения поверхности грунта после откопки котлована. Максимальное горизонтальное смещение за пределами котлована составляет 3–5 см, при этом грунт склонен к горизонтальным смещениям за более длинными в плане участками «стены в грунте».
Рис. 4. Горизонтальные смещения поверхности грунта после откопки котлована
На рисунке 5 показаны горизонтальные смещения «стены в грунте» после откопки котлована. Она преимущественно деформируется посередине, причем величины деформаций наиболее велики на самой длинной в плане стороне стенки.
Рис. 5. Горизонтальные деформации «стены в грунте» после откопки котлована
На рисунке 6 отражено напряженное состояние балок системы крепления подпорной стенки. Обвязочные балки верхнего яруса напряжены сильно, а в нижних ярусах – меньше. А из рисунка 5 видно, что верхний ярус имеет наилучший удерживающий эффект. Это говорит о том, что верхний ярус крепления подпорной стены оказывает наибольшое воздействие на ее устойчивость.
Рис. 6. Напряжения в системе крепления «стены в грунте» после откопки котлована
Во время реального строительства рассмотренного котлована следует усилить мониторинг напряжений верхнего яруса системы крепления и контроль горизонтальных деформаций средних частей более длинных в плане сторон «стены в грунте», чтобы предотвратить чрезмерные смещения.
Было проведено конечноэлементное моделирование этапов строительства котлована при «островной» выемке грунта с «двухкольцевой» системой крепления подпорной стенки из четырех (в основном) обвязочных поясов из обвязочных балок, распорок и раскосов.
Результаты моделирования показали, что осадки поверхности грунта вокруг котлована к концу выемки грунта составляют не более 1,65 см. При глубине выемки более 6 м максимальные осадки поверхности уже не увеличиваются. Максимальные горизонтальные смещения «стены в грунте» приходятся на середину ее самой длинной в стороны. Напряжения в балочной системе крепления распределены неравномерно. Ее верхний ярус подвержен наибольшим нагрузкам и оказывает наилучшее поддерживающее действие.
Чтобы предотвратить чрезмерные деформации, особое внимание надо уделить мониторингу напряжений верхнего яруса системы крепления подпорной стенки и контролю деформаций средней части самой длинной в плане стороны «стены в грунте».
Результаты анализа, представленные в данной статье, могут помочь безопасному и бесперебойному строительству рассмотренного котлована, а также реализации других похожих проектов.
—
Авторы выражают благодарность доктору Чжай Чао (Zhai Chao), который предоставил множество данных и изображений, Ю Чжи-Фа (Yu Zhi-fa), который помог напечатать рукопись, и профессора Ву Бан-Бяо (Wu Bang-biao) за полезное обсуждение.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку