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 2D» (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. среди 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 в их 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 с геотехническими расчетами, в основу которых положены процессы моделирования грунтов основания, взаимодействия между несущими конструкциями и грунтами 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.