Сравнительный анализ «стены в грунте» в качестве ограждающей и несущей конструкции



Приведены общие сведения о конструкции «стена в грунте». Рассматривается моделирование «стены в грунте» в ПК ЛИРА-САПР в качестве ограждающей и несущей конструкции. Проведен сравнительный анализ результатов обоих расчетных случаев.

Ключевые слова: стена в грунте, ограждающая конструкция, несущая конструкция, моделирование.

Активно развивающееся новое строительство в плотной городской застройке подразумевает под собой освоение подземного пространства и устройство открытых котлованов. Наличие в Санкт-Петербурге специфических геологических и гидрологических условий сильно осложняют данный процесс.

Такие методы ограждения котлована, как металлический шпунт различных профилей, стена из буросекущихся или бурокасательных свай, траншейная стена в грунте, успешно применяются в мировой практике строительства. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки, а также особые условия применения.

Общие сведения оконструкции «стены вгрунте»

«Стена в грунте» представляет собой конструкцию ограждений стенок котлована, состоящую из железобетонных панелей толщиной 400, 600, 800, 1200 мм. Панели армируются отдельными каркасами и отделяются друг от друга специальными ограничителями. Производство работ ведется захватками в узких и глубоких траншеях. Бетонирование осуществляется методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) с одновременной откачкой вытесняемого бентонитового раствора, под защитой которого ведется устройство траншеи [1].

Основные преимущества конструкции:

1. Высокая жесткость и несущая способность;
2. Способность воспринимать высокие нагрузки, в том числе от наземных конструкций, когда «стена в грунте» является несущей;
3. Щадящая технология устройства «стены в грунте», которая позволяет выполнять работы в непосредственной близости к существующей застройке;
4. Возможность проводить в работы в зонах наличия элементов старых фундаментов, валунов, искусственных препятствий и труднопроходимых грунтах.

Исходные данные для сравнительного анализа

Согласно заданию требуется рассмотреть два проектных решения «стены в грунте» в качестве ограждающей и несущей конструкции.

Проектируемое здание имеет семь надземных и два подземных этажа. Габариты «стены в грунте» в плане представлены на рис. 1. Монолитные панели, из которых состоит «стена в грунте», выполнены из бетона класса В30, W8, F150 по ГОСТ 26633–2012. Толщина ограждающей конструкции — составляет 600 мм, толщина несущей конструкции — 800 мм. В котловане предусмотрена двухуровневая распорная система из металлических труб 1020х10 мм.

Рис. 1. «Стена в грунте» в плане

Согласно выполненным инженерно-геологическим изысканиям на данном участке строительства по глубине конструкции представлены разные инженерно-геологические элементы, отраженные на разрезе на рис. 2. Физико-механические свойства грунтов, которые были учтены при расчете давления на «стену в грунте» указаны в таблице 1.

Рис. 2. «Стена в грунте» с привязкой к инженерно-геологическому разрезу

Таблица 1

№ИГЭ	Тип грунта	, кН/м3	, град	, кПа		, м
1	Насыпные грунты: супеси, пески со строительным мусором	18	10	1	0.5	2
2	Суглинки тяжелые пылеватые тугопластичные (по св. тугопластичные) коричневато-серые ленточные, выветрелые, ожелезненные)	18.9	15	14	0.943	2.5
4	Суглинки легкие пылеватые мягкопластичные (по св. мягкопластичные) серые слоистые	19.7	10	7	0.748	0.8
6	Суглинки легкие пылеватые мягкопластичные (по св. мягкопластичные) серые слоистые	20.5	17	19	0.615	2.5
7	Пески пылеватые плотные серые насыщенные водой с прослоями супеси, разнозернистого песка	21.5	33	5	0.45	3.8
8	Супеси пылеватые твердые серые с гравием, галькой, валунами	22.4	28	100		4.4

Учет работы грунта при расчете

Применяется классическая теория Кулона с упрощением, основным моментом которой является рассмотрение несвязного грунта, поэтому давление грунта на боковую поверхность конструкции принято согласно послойному методу расчёта.

Внешней нагрузкой на ограждающую котлован конструкцию «стена в грунте» является распорное (активное) давление грунта, которое включает в себя нагрузку от грунта за ограждающей стенкой котлована и полезную нагрузку по бровке котлована. Отпорное (пассивное давление) возникает ниже уровня откопки котлована и препятствует смещению заглубленной части ограждения, обеспечивая устойчивость против выпора грунта [2, с. 54].

Активное (пассивное) давление на конструкцию «стены в грунте» в соответствии с СП 22.13330.2016 определяется по формуле:

где — равномерно распределенная нагрузка на поверхности засыпки;

— объемный вес грунта, кН/м³;

— глубина, м;

— коэффициент активного (пассивного) давления, величина которого при горизонтальной поверхности засыпки, вертикальной стенке и угле трения грунта о стенку определяется по формуле

где — угол внутреннего трения грунта.

Рис. 3. Схема приложения активного и пассивного давления на конструкцию «стена в грунте»

Моделирование ирасчет железобетонной конструкции «стена вгрунте»

При моделировании «стены в грунте» в ПК ЛИРА-САПР использовались 3-х и 4-х узловые плоские конечные элементы, а именно КЭ-42 и КЭ-44 соответственно. Расчет производился в линейной постановке задачи для наиболее критического этапа работ, когда произведена откопка от уровня дна котлована и установлены оба уровня распорной системы.

Согласно указаниям СП 63.13330.2016 и СП 52–103–2007 расчет железобетонных конструкций проводится по прочности, трещиностойкости, а также определяются максимальные перемещения «стены в грунте».

Ограждающая конструкция, схема которой приведена на рис. 4, работает на изгиб, поэтому основной нагрузкой, оказывающей на нее влияние, будут изгибающие моменты. В случае, когда «стена в грунте» выступает не только как ограждение котлована, но и как несущая конструкция подземных этажей здания, она рассчитывается как изгибаемый внецентренно-сжатый элемент, так как воспринимает значительные продольные усилия. Данная схема представлена на рис. 5.

Рис. 4. Расчетная модель ограждающей конструкции в ПК ЛИРА-САПР

Рис. 5. Расчетная модель несущей конструкции в ПК ЛИРА-САПР

Сравнение результатов расчета ипринятого армирования конструкции

По результатам расчета «стены в грунте» получены значения усилий , а также значений перемещений конструкции, которые показаны в таблице 2.

Таблица 2

Параметр результата расчета	Значения параметров при следующих вариантах проектирования конструкции:
	«стена вгрунте» вкачестве ограждающей конструкции	«стена вгрунте» вкачестве несущей конструкции
Изгибающий момент , т*м	86	100
Изгибающий момент , т*м	129	144
Перемещения вдоль оси X, мм	65	70
Перемещения вдоль оси Y, мм	68	72

Также для каждого варианта конструирования «стены в грунте» было подобрано армирование, результаты которого сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Принятое армирование	Значения параметров при следующих вариантах проектирования конструкции:
	«стена в грунте» в качестве ограждающей конструкции	«стена в грунте» в качестве несущей конструкции
Вертикальное	28А500С	32А500С
Горизонтальное	12А500С	12А500С

Выводы:

1. Выбор между «стеной в грунте» в качестве несущей или ограждающей зависит, в основном, от их требуемого функционального назначения в будущем.
2. Использование «стены в грунте» в качестве несущей конструкции позволяет сократить материалоемкость проекта.
3. Применение «стены в грунте» в качестве несущей конструкции позволяет сократить объем выполняемых строительно-монтажных работ.

Литература:

1. Зубков Б. М., Перлей Е. М., Раюк В. Ф. и др. Подземные сооружения, возводимые способом «стена в грунте». — Л.: Стройиздат, 1977. — 200 с.
2. Мангушев Р. А., Никифорова Н. С., Конюшков В. В., Осокин А. И., Сапин Д. А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М.: АСВ, 2013. — 256 с.