Статья

При реконструкции зданий часто возникает необходимость углубления существующих подвалов, используя пространство для производственных целей. Любое углубление отметки пола существующего подвала неизбежно связано с изменением расчетной схемы для системы «фундамент – основание». Чаще всего в подобных случаях не выполняется условие расчета по первому предельному состоянию. В этом случае необходимо внесение конструктивных изменений в расчетную схему. Одним из наиболее приемлемых способов является устройство шпунтовой стенки изнутри углубляемого помещения.

Конструктивная шпунтовая стенка устраивается обычно по периметру углубляемого помещения подвала. Верх шпунтового ограждения должен крепиться к конструкции фундамента с помощью металлических анкеров. Также можно использовать и распорные крепления. После погружения шпунтового ограждения могут начинаться работы по углублению помещения подвала.

Рассмотрим работу шпунтовой стенки и ее влияние на несущую способность основания на примере проекта по углублению пола подвала существующего здания, расположенного по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Восстания, д.25.

Подвал представляет собой прямоугольное помещение с размерами в плане 5,5 м на 10,5 м и высотой 1,9 м. Проектным решением высота подвала должна составлять 2,7 м. Таким образом, нужно понизить отметку существующего пола подвала на 0,8 м.

Подошва фундамента расположена на глубине 1,3 м от пола подвала или 2,5 м ниже дневной поверхности (абс. отм. подошвы -1,300 м) (рис. 1.). Основанием фундаментов являются пески пылеватые, средней плотности, мощностью 1,2 м, с характеристиками: е=0,7, с_I=1кПа, φ_I=23⁰.

Рис. 1. Разрез стены по оси Б по рассматриваемому примеру

Расчет шпунтового ограждения начинается с построения расчетных моделей. Различают модели двух типов: аналитическую и цифровую.

При аналитическом решении исходными данными являются коэффициент сцепления, угол внутреннего трения, модуль деформации. К недостаткам аналитических расчетных моделей следует отнести невысокую точность, трудности в описании эффектов нелинейности и необратимости деформаций в поведении грунтового массива, особенно при нагружении в приближении к предельному состоянию.

В аналитической модели шпунтовое ограждение рассчитывалось по теории Ш. Кулона. В момент предельного состояния на шпунтовое ограждение со стороны фундамента действует активное давление от собственного веса грунта и дополнительного давления от фундамента. Противодействовать данному давлению будет пассивный отпор со стороны углубляемого подвала. Надежность шпунтовой стенки будет зависеть от длины шпунта, определяемого в зависимости от коэффициента устойчивости [1].

Аналитические расчеты, сделанные в программе MathCAD, показали, что при коэффициенте надежности равном 1 длина шпунта от подошвы фундамента должна составлять 1,8 м.

Цифровые модели (математическое моделирование) появились сравнительно недавно, стали стремительно занимать свою нишу в проектировании, благодаря высокой универсальности. Методологическое обеспечение процесса разработки таких моделей находится в самом начале становления. Отсутствуют нормативы, регламенты по определению параметров моделей, применяемым решениям. В литературе описано значительное число моделей поведения грунта для решения конкретных инженерных задач.

В качестве цифровой модели поведения грунта была принята модель Мора-Кулона. Эта модель состоит из использования 2 условий: закона Гука и условия прочности Кулона. Модель Мора-Кулона часто используется для определения несущей способности грунтов.

Выше рассмотренная задача была смоделирована в программе Plaxis 8.2. (рис. 2.). Входными данными служили: удельный вес грунта в сухом и естественном состоянии, модуль упругости, коэффициент Пуассона, сцепление и угол внутреннего трения.

Рис. 2. Деформационная картина основания в естественном состоянии.

Характеристики основания: γ=20кН/м³, φ=23⁰, с=1кПа, Е₀=11МПа, давление под подошвой 216кПа. Максимальная осадка составляет 50 мм.

Моделировалось постепенное увеличение нагрузки до предельного состояния. Фундамент потерял устойчивость при Р_(пр)=360 кПа (рис. 3.).

Рис. 3. Моделирование предельного состояния с образованием зоны выпора в сторону подвала.

Далее было смоделировано шпунтовое ограждение с распорным креплением. Длина шпунта определялась аналитическим расчетом и была принята 1,8 м.

После построения модели производилось постепенное увеличение нагрузки до предельного состояния. По результатам расчёта предельная нагрузка составила 460 кПа (рис. 4.).

Рис. 4. Моделирование предельного состояния основания после устройства шпунтовой стенки.

Максимальная осадка основания достигает 149 мм.

По результатам инженерного обследования здание относится ко II категории по техническому состоянию. Значение предельных допустимых дополнительных деформаций, согласно ТСН 50-302-2004, не должно превышать 3 см, что будет соответствовать нагрузке в 315 кПа (расчёт по II предельному состоянию). По результатам расчёта, устройство шпунтовой стенки по периметру помещения повысило несущую способность основания примерно на 100 кПа.

Следующей задачей являлось определение несущей способности основания при различных параметрах шпунтового ограждения. Одним из основных параметров является длина шпунта. Определялась предельная эквивалентная пригрузка на основание путем расчётных последовательных приближений при усилении оснований шпунтом различной длины. Расчётные данные приведены в таблице 1.

Примечание: красным цветом показаны осадки при потере устойчивости фундамента.

По величине предельной нагрузки была рассчитана величина эквивалентной пригрузки и приведенная глубина заложения фундамента. Таким образом, величина несущей способности основания в шпунтовой обойме может быть эквивалентна несущей способности основания фундамента, заглубленного на некоторую величину (обратная задача).

Увеличение несущей способности основания вызвано пассивным отпором от шпунтового ограждения, сопротивляющемуся выпору грунта под подошвой фундамента [2]. Величина интенсивности пассивного отпора грунта по Кулону определяется по формуле:

,

где, γ- удельный вес грунта, h - глубина, где определяется давление, Pe - давление связности, φ - угол внутреннего трения.

,

где, с - сцепление.

Результирующая пассивного отпора для шпунтового ограждения определяется по формуле:

Результаты вычисления пассивного отпора в зависимости от длины шпунта приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что увеличение несущей способности основания в шпунтовом ограждении, в первом приближении, может быть определено как произведение пассивного отпора для шпунтовой стенки заданного размера на коэффициент 2/h. Более точное определение предельной нагрузки возможно при измельчении конечно элементной сетки напряжений в программе Plaxis и проведении экспериментальных исследований.

Выводы

1. Конструктивная шпунтовая стенка увеличивает несущую способность основания.
2. При использовании шпунта, несущая способность основания, в первом приближении, при прочих равных условиях, увеличивается примерно на величину результирующей пассивного давления умноженной на коэффициент 2/h.
3. Несущая способность основания, взятого в шпунтовую обойму, также зависит от свойств грунта основания, материала шпунтового ограждения, его характеристик, взаимодействия грунта со шпунтовой стенкой и т. д.
4. Дальнейшая работа предполагает исследование всех возможных параметров, влияющих на несущую способность основания, взятого в шпунтовую обойму.

Список литературы

1. Алексеев С.И. Геотехническое обоснование мансардных надстроек и углублений подвалов существующих зданий//СПб.: М.: Изд-во АСВ, 2005. - 75с. http://www.buildcalc.ru/Books/2008030701/Default.aspx
2. Алексеев С.И. Осадки фундаментов при реконструкции зданий – СПб.: Общероссийский общественный Фонд "Центра качества строительства", 2009. – 82. с. http://www.buildcalc.ru/Books/2009062801/Default.aspx
3. Строкова Л.А. Определение параметров для численного моделирования поведения грунтов // Известия ТПУ. 2008. Т. 313. №1. С. 69–74.