Процесс опускания колодца и классификация нагрузок

Погружаясь, опускные колодцы врезаются на значительную глубину в грунтовой массив, являющийся весомой средой. Объемные силы собственного веса грунта формируют основные горизонтальные нагрузки на стены и силы трения, препятствующие погружению.

Строительство подземных сооружений опускным методом может производиться в любых гидрогеологических условиях. Прорезаемые колодцем толщи грунта обычно бывают слоистыми, часто с переменным уровнем грунтовых вод. Вследствие значительной неоднородности грунтов их расчетные характеристики определяют с некоторым приближением.

Грунты являются средой со степенным законом упрочнения по глубине, т. е.

где A и n — экспериментально полученные коэффициенты деформации грунта;

у — глубина рассматриваемой точки от поверхности грунта.

Взаимодействие соприкасающихся упругих элементов дискретной среды на их общих границах и структура неоднородности оцениваются трудно. Определение прочности и деформируемости грунтов, как многокомпонентной системы, вызывают большие затруднения.

Однако в диапазоне небольших изменений напряжений, возникающих в грунтовом массиве при погружении колодца, допустимы некоторые упрощения схемы его работы, не требующие всего комплекса факторов, определяющих сложные закономерности деформации грунтов. Принимая наиболее близкие модели, мы несколько абстрагируемся от второстепенных факторов, мало влияющих на работу колодцев.

По характеру условий совместной работы колодца и грунтов последние можно разделить на три группы:

I — скальные крупнообломочные грунты, отличающиеся относительно большой прочности и незначительными деформациями структуры;

II — песчаные и глинистые грунты — дисперсная среда, поры которой заполнены водой и газами.

III — пылеватые пески, супеси, глины, суглинки и илы текуче-пластичной и текучей консистенции, характеризующиеся нестабилизированным состоянием.

В первой группе грунтов возможна разработка котлованов с вертикальными откосами значительной высоты. Колодцы сооружают методом подращивания. Грунтовый массив работает как линейно деформируемая среда совместно с железобетонной обделкой.

В третьей группе погружение колодцев производят с подводной разработкой грунтов. Воздействие грунта на колодец соответствует решению задачи вязко-пластического течения.

Наиболее распространено погружение колодцев в грунтах второй группы.

Для песчаных и глинистых грунтов в механике грунтов используется модель, условно рассматривающая не совокупность скелета грунта, воды и газа, а некоторую однородную «однофазную среду».

Деформация грунтов происходит не мгновенно, а во времени. Законы деформации различных типов грунтов различны. Свойства грунтов меняются в процессе их уплотнения.

Для грунтов интенсивность деформации не может быть однозначно выражена в функции интенсивности напряжений. Наличие пластической объемной деформации обусловливает дополнительную задачу нахождения необходимых инвариантных зависимостей для этой составляющей пластической деформации среды. Составляющая пластической объемной деформации физически объясняется квазиоднородностью и квазиизотропностью грунта.

У плотных (квазиоднофазных) грунтов объемные деформации обусловлены объемной ползучестью. Деформация протекает длительное время, с постоянной скоростью, без нарушения сплошности грунта.

У водонасыщенных грунтов объемные деформации происходят вследствие ползучести скелета грунта, а также фильтрационной консолидации, возникающей под воздействием порового давления. Течение грунта происходит, если интенсивность касательных напряжений ; больше предельного напряжения , где  — порог ползучести. При  связь между напряжениями и деформациями ползучести с достаточной точностью можно считать линейной.

Опускание колодца начинается удалением временного основания и передачей нагрузки на грунт через нож. Напорное усилие собственного веса колодца концентрируется на узкой поверхности контакта банкетки ножа с грунтом. На контакте развивается очень высокое удельное давление. Одновременно начинается разработка забоя в центре колодца, а в последующем — равномерными, расходящимися к периферии, концентрическими зонами. У ножа оставляют неширокую земляную берму или целики. Непосредственно за нагружением происходит уплотненно грунта под банкеткой. При больших напряжениях упрочнение сопровождается более плотной перекомпоновкой частиц.

Пластические деформации грунта (в области между пределом упругости и пределом прочности) образуются в основном в результате нарушения существующих и возникновения новых связей в структуре грунта. Пока этот процесс способен повышать сопротивляемость структуры, грунт может найти новые формы равновесия между внешними и внутренними силами.

Когда силы давления уравновесят максимальное сопротивление сдвигу (у пород пластичных и слабых) или сколу (у пород твердых), в плоскости скольжения произойдет сдвиг или отрыв части грунта и начнется новое уплотнение. Разрушение характеризуется расслаблением структурных связей, интенсивным распадом микроагрегатов, переориентацией частиц, появлением и развитием трещин. Для влажных глинистых грунтов с преобладающей пластической деформацией наступает предел прочного сопротивления, характеризующийся течением грунта.

 

Основной формой разрушения грунтов является сдвиг по определенным поверхностям, который в момент преодоления предела прочности переходит в течение с нарастающими скоростями.

 

По Н. М. Герсеванову наступление предельного состояния в грунтах характеризуется тремя фазами деформаций.

 

В первой фазе деформаций преобладает уплотнение грунта; происходящие в этой фазе сдвиги не вызывают нарушения приближенной линейной зависимости между осадкой и давлением, а также не приводят к использованию предельного сопротивления грунта сдвигу.

 

Во второй фазе появляются сначала отдельные площадки, а затем и области, в которых предельное сопротивление грунта сдвигу оказывается использованным. По мере развития этих областей (называемых областями сдвига) образуются поверхности скольжения.

 

При выходе поверхности скольжения на поверхность грунта наступает третья фаза деформации и происходит общий сдвиг в основании, сопровождающийся выпиранием грунта.

 

В песчаных и твердых глинистых грунтах фаза уплотнения характеризуется траекториями движения частиц песка, направленными в основном вниз, и завершается малым опусканием колодца. С наступлением второй фазы, т. е. с постепенным развитием областей сдвигов и нарушением линейной зависимости между осадкой и давлением, траектории движения частиц грунта все более и более отклоняются в стороны. В процессе развития областей сдвига также постоянно формируются поверхности скольжения. Отклонение траектории от горизонтального направления вверх знаменуется наступлением третьей фазы — сдвиг грунта по сформировавшимся поверхностям скольжения с выпиранием на поверхность.

 

В пластичных глинах, суглинках и супесях, обладающих значительной пористостью и сжихмаемостью, опускание ножа осуществляется при сравнительно небольшом объеме областей сдвига. В третьей фазе происходит вязко-пластичное выдавливание прилегающего грунта.

 

Поскольку нарушение прочности (устойчивости) массивов грунта всегда сопровождается сдвигом по поверхности скольжения, предельное состояние грунта в данной точке по условию прочности характеризуется тем, что касательное напряжение на элементарной площадке скольжения достигает величины сопротивления грунта сдвигу. Таким образом, условие прочности грунтов представляет собой условие предельного равновесия при сдвиге. Прочность грунта в любой точке с достаточной для практики точностью можно оценивать по сопротивлению частиц грунта их относительному сдвигу. Сопротивление сдвигу в грунтах в стабилизированном состоянии является функцией нормального давления, действующего по площадке скольжения.

 

К грунтам чаще всего применяют теорию прочности Мора, в соответствии с которой условие прочности имеет вид

 

                                                                                    (2.1)

 

где     — касательное напряжение, действующее на площадке скольжения;

 

— нормальное напряжение на той же площадке.

 

 

 

Рис. 5. Предельная кривая (а)  и ориентация площадок скольжения (б).

По результатам испытания образцов грунта на сдвиг установлено, что зависимость между касательной и нормальной составляющими напряжения, действующего по площадке образца в момент сдвига, имеет вид пологой кривой (рис. 5).

 

Заменяя очертание предельной кривой прямой с параметрами С и , условие нарушения равновесия по данной площадке запишем в форме неравенства

 

                                               .                               (2.2)

 

Предельное сопротивление грунта под ножом круглого опускного колодца описал В. Г. Березанцев, который приближенным

 

 

 

Рис. 6. Объемлющие линии скольжения под банкеткой ножа опускного колодца.

 

 

методом определил предельную величину симметричного относительно оси давления, передающегося по площадке кругового кольца.

 

Вследствие наличия значительной пригрузки снаружи кольца сдвиг грунта может быть направлен только внутрь кольца, т. е. к оси симметрии. Принято приближенное очертание линий скольжения и с его помощью определяются эпюры предельного давления в краевых точках кольца. Между этими ординатами эпюра приближенно принята прямолинейной.

 

Рассмотрим случай, когда объемлющие линии скольжения проведенные в диаметральной плоскости, сходятся на оси симметрии (рис. 6). Обозначим ; интенсивность равномерно распределенной пригрузки поверхности грунта внутри колодца , искомые краевые ординаты эпюры предельного давления  и .

 

На основании анализа очертания линий скольжения по ряду построенных точным способом сеток и по результатам лабораторных опытов принято следующее приближенное очертание объемлющих линий скольжения.

 

На участке  линия скольжения представляет собой прямую, составляющую с осью  угол  на участке  — отрезок логарифмической спирали, имеющей уравнение  (полюс в точке а),
где

 

                                                                       (2.3)

 

 

на участке  — отрезок прямой, составляющей с осью  угол - .

 

Линии скольжения  принадлежат к первому семейству. Напряжения в точке  находим решением дифференциального уравнения предельного равновесия, т. е.

 

                  (2.4)

 

где     — длина дуги линии скольжения первого семейства;

 

 — угол, составляемый осью г, касательной к линии скольжения первого семейства;

 

 — угол, образуемый направлением наибольшего главного напряжения  с осью .

 

Составляющие объемной силы, действующей в меридиональных плоскостях, принимаем

 

 и .

 

После подстановки в уравнение (2.4) получим

 

       (2.5)

 

На участке  угол . Следовательно,

 

                                     .                              (2.6)

 

Подставляя в уравнение (2.6) , получим

 

                                     .                                           (2.7)

 

Постоянную интегрирования  определяем из условия . В точке d для  имеем следующее выражение:

 

                                     ,                             (2.8)

 

где  — абсцисса точки d, определяемая формулой

 

,

 

откуда
                         

 

   .                                (2.9)

 

На участке dc угол  изменяется от  до .

 

Для упрощения интегрирования на этом криволинейном участке не учитываем объемные силы, что не приводит к значительному понижению точности вычислений. Принимая , для удобства преобразований введем новую функцию

 

                            .                                          (2.10)

 

Тогда уравнение (2.4) можно записать в виде

 

                   .                       (2.11)

 

Дифференциал дуги и абсцисса точек дуги на основании уравнения логарифмической спирали выразятся следующим образом:

 

                   .       (2.12)

 

Исходя из зависимости (2.12), запишем

 

.           (2.13)

 

Интегрируя уравнение (2.13), получим

 

.             (2.14)

 

Применяя граничное условие в точке d, для функции  в точке сбудем иметь следующее выражение:

 

                                      ,                           (2.15)

 

где

 

.

 

 может быть вычислен любым из способов приближенного интегрирования.

 

Принимая  т/м²,

 

                            ,                           (2.16)

 

откуда после преобразования

 

                            ,                      (2.17)

 

где .

 

Нa участке  принято .

 

Решение уравнения (2.4) в данном случае следующее:

 

                                     .                             (2.18)

 

Определив  по граничному условию в точке с, мы получим следующую формулу для  в точке b:

 

       (2.19)

 

где

 

 

Введем обозначения

 

 

Интенсивность предельного давления в точке b определяется формулой

 

                                     ;                                        (2.20)

 

 

.

 

Интенсивность предельного давления в точке а определим через

 

.

Тогда

 

                                                     (2.21)

 

Предварительно вычислить коэффициенты, входящие в формулы (2.20) и (2.21), для данного отношения  и значений угла внутреннего трения  в необходимом диапазоне не представляет особых затруднений. Величина интеграла  при данном значении  для  в пределах 30—35° изменяется незначительно и может быть принята постоянной.

 

Так, например, при , т.е. в предельном случае, когда объемлющие линии скольжения сходятся в точке 0, на оси симметрии  (для 30°<>35°). Для этого случая в табл. 8 приведены значения коэффициентов , , .

 

 

 

 

Сдвиг грунта под ножом наступает при подработке земляной бермы или целика у ножа. При критической ширине их происходит потеря устойчивости откоса забоя и его обрушение в котлован. По мере дальнейшего заглубления бермы ножа в грунт кривые скольжения перемещаются. Их форма постепенно приближается к форме кривых скольжения при горизонтальной поверхности основания. В некоторый момент после выпора грунта наступает равновесие. При этом основание ножа и его боковые наклонные грани опираются на грунт, который находится в стадии уплотнения.

 

При последующей разработке котлована снова происходит сдвиг грунта, сопровождающийся новым опусканием колодца. Таким образом, погружение колодца происходит циклично, ступенями.

 

Обеспечить совершенно равномерную разработку грунта по всему периметру ножа или целика не представляется возможным. Поэтому линии границы кривых скольжений в плане не следуют форме ножа, а удаляются или приближаются к нему по некоторой кривой. Чем меньше высота ступени, тем меньше амплитуды этой кривой. Неравномерности сдвигов грунта следуют неравномерности вертикальной деформации колодца. Местные осадки колодца выравниваются общей жесткостью сооружения. Однако при значительном накоплении протяженных неравномерностей происходит общий крен сооружения.

 

Развитие крена сдерживается отпором грунта по боковым граням колодца, заглубленным в грунт. Крены легче появляются в начальный период погружения, когда в грунт заглублена незначительная часть стены. В колодцах с тиксотропной рубашкой опирание на грунт при навалах появится только тогда, когда величина крена превысит толщину щели рубашки. Ось поворота колодца располагается на уровне низа ножа.

 

При навале и выправлении крена происходят деформации грунта на контакте с боковыми поверхностями колодца. Поэтому выправление кренов в заглубленном колодце требует значительного обжатия грунтов с высокой стороны колодца и сопряжено с большими трудностями. При больших кренах и плотных грунтах полное выправление их является почти невозможным.

 

Управление погружением заключается в тщательном соблюдении максимально возможной вертикальности колодца.

 

После погружения колодца в период эксплуатации давление грунта на него постепенно стабилизируется.
Интенсивность горизонтального давления грунта значительно изменяется, в особенности в верхних зонах, от пригрузки поверхности временными и постоянными нагрузками (строительными кранами, отвалами грунта, фундаментами, железнодорожным транспортом). Вертикальные нагрузки на колодец создают собственные веса элементов конструкции, оборудования и др. Большинство нагрузок, действующих на опускные колодцы, обнаруживают значительную асимметрию. Колодцы рассчитываются на однократное нагружение в данный период работы на довольно редкие нагрузки. За время строительства и эксплуатации конструкции испытывают многократные нагружения и разгрузки. Многие перегрузки, в особенности передающиеся через грунт, являются довольно медленными процессами статического нагружения.

 

В табл. 9 и 10 приведены классификация и расчетные сочетания нагрузок для периодов опускания и эксплуатации. Даны коэффициенты перегрузки для расчета по методике предельных состояний.