Возведение фундаментов в условиях нового строительства и реконструкции, а также ремонт и устройство подземных коммуникаций нередко предусматривают устройство шпунтовых ограждений в непосредственной близости к примыкающим зданиям и существующим подземным коммуникациям. При погружении шпунта необходимо оценивать возможный уровень динамических воздействий на грунт и оснований примыкающих зданий, поскольку они могут вызвать дополнительные осадки и, соответственно, повреждения примыкающих зданий и сооружений, негативно влиять на здоровье жильцов этих зданий, вызывать нарушение работы или выход из строя точного оборудования.

Впервые опыты по погружению в грунт элементов вибрированием были проведены Д.Д. Барканом в 1934 г. [1]. Эти первые опыты, а позднее и погружение шпунта и свай на строительных площадках показали, что во многих случаях виброметод значительно эффективнее, чем традиционно использовавшийся ударный метод погружения [3,8].

Погружение в грунт тел, испытывающих воздействие вибрирования, представляет собой достаточно сложное явление. Главная причина снижения при вибропогружении сопротивления грунта как по боковой поверхности, так и по лобовой ее части связана cо снижением коэффициента трения при вибрации. В процессе вибропогружения в некоторой зоне вокруг сваи нарушается природная структура грунта. В водонасыщенных грунтах эффект снижения боковых сопротивлений грунта при вибропогружении свай существенно усиливается под действием напора грунтовой воды, выжимаемой из пор грунта. Поток свободной воды устремляется в места с наименьшим сопротивлением и взвешивает грунтовые частицы, тем самым ослабляя их связь между собой и с поверхностью погружаемого элемента. При этом водонасыщенные рыхлые пылеватые грунты разжижаются. Лобовое же сопротивление грунта при вибропогружении свай в водонасыщенные грунты также обусловлено разжижением нижележащих слоев грунта под действием знакопеременных давлений. При погружении свай в неводонасыщенные песчаные и плотные глинистые грунты лобовые сопротивления грунта преодолеваются сваями с помощью ударов острия о плотные прослойки. В этом случае явления, происходящие с грунтом, практически аналогичны явлениям, сопровождающим ударное погружение свай: грунт
из-под острия свай выдавливается в стороны с наименьшим сопротивлением.

Попытки построить теорию вибропогружения (виброизвлечения) предпринимались различными исследователями [1,8]. Работы в этой области велись в двух направлениях. К одному из них относятся работы Ю.И. Неймарка, И.И. Блехмана, М.Я. Кушуля и А.В. Шляхтина, А.С. Головачева, О.Я. Шехтер и других исследователей [8], которые строили теории вибропогружения на основе обычных представлений о сопротивлении грунтовой среды при проникновении сваи (между поверхностью элемента и грунтом действуют эквивалентные силы сухого трения). К другому направлению относятся работы Д.Д. Баркана [1], который предположил, что влияние вибраций на величину внутреннего трения происходит в результате изменения физико-механических свойств среды. В результате разжижения грунт приобретает свойства несжимаемой вязкой среды. При этом среда характеризуется переменным коэффициентом вибровязкости, который зависит от ускорения.

С учетом явлений, происходящих в грунте при вибропогружении в зоне примыкающей к свае, представляется целесообразным рассматривать грунт как структурно-неустойчивую упруговязкопластическую среду. При этом до определенного предельного давления грунт ведет себя как вязкоупругая среда (тело Кельвина), а при давлении, равном предельному, – как упруговязкопластическое тело. Принятая в расчетах модель описана в предыдущем выпуске журнала применительно к задаче о нахождении волновых полей смещений в грунтовой среде при ударном погружении свай [2]. А.Holeyman применил подобную модель грунтовой среды при аппроксимации результатов опытов по вибрационному погружению элементов в песчаный грунт [9].

Зависимость коэффициента вязкости от ускорения, может быть выражена уравнением изменения вязкости, аналогичным зависимости, предложенной Н.Н. Масловым [3]:

, (1)

где , – начальные и конечные значения коэффициентов вязкости;

a – ускорение колебаний грунта; g – ускорение свободного падения;

g – коэффициент, определяющий степень расструктуривания среды.

Начальные коэффициенты вязкости для различных грунтов можно приближенно выбрать соответствующими параметрам, приведенным в [6].

Подобная зависимость, описывающая снижение бокового сопротивления свай и шпунта при вибропогружении (виброизвлечении), была использована Н.А. Преображенской при описании результатов опытов [7].

Рассмотрим конкретный пример решения задачи о нахождении волновых полей смещений в грунтовой среде при вибропогружении шпунта. Решение построим в рамках рассматриваемой модели.

В июне 2002 г. на площадке, примыкающей к одному из домов по Вяземскому пер. в Санкт-Петербурге, должны были производиться реконструкция и переустройство шахты подземного коллектора, для чего планировалось погружение шпунта Ларсен-V длиной 11 м. Площадка имеет тесную застройку (рис. 1).

Рис.1. Общий вид площадки по Вяземскому пер. (ремонт коллектора и подземных коммуникаций.) Погружение шпунта Ларсен-V высокочастотным вибратором на расстоянии 8 – 10 м от охраняемого здания

В геологическом строении площадки присутствуют четвертичные отложения, для грунтовых условий характерны малая мощность грунтовых слоев и ненарушенность залегания. Практически вся прорезаемая шпунтовой сваей толща грунтов имеет способность к разжижению (расстуруктуриванию) под влиянием внешних воздействий, особенно вибрационных.

Значительный опыт работы различных строительных организаций, прежде всего специалистов ВНИИГСа, показал существенные преимущества вибрационного метода погружения элементов в грунт с низким лобовым сопротивлением (металлических шпунтовых свай, труб) перед забивкой элементов механическими молотами [1,8]. Вибрационный метод позволяет обеспечить сохранность погружаемых (извлекаемых) элементов и увеличить производительность работ в 2–3 раза.

Однако применение вибрационного метода погружения элементов в грунт вблизи существующих зданий, сооружений и подземных коммуникаций возможно лишь при существенном снижении уровня динамических воздействий на охраняемые объекты [10].

Это может быть достигнуто при выполнении следующих требований:

Для снижения уровня вибраций грунтов вокруг погружаемого элемента выполнялось пробное погружение нескольких шпунтовых свай высокочастотным “городским” вибропогружателем “Vibrofonser 15 HF 3”.

Приближенно расчетные параметры работы вибропогружателя могут быть записаны в виде:

Фрагмент расчетной схемы задачи о погружении шпунтовой сваи в грунт приведен на рис. 2. Рассматривается случай осесимметричного деформированного состояния. В расчетной схеме свая моделируется упругим динамическим стержнем с соответствующими расчетными характеристиками, что вполне допустимо, поскольку лобовое сопротивление погружению незначительно. В рассматриваемом примере размер расчетной области (45x35 м) выбирался из условий обеспечения необходимой точности для оценки волновых полей смещений в областях вокруг шпунтовой сваи, расположенных на удалении до 30 м от источника. Расчетная область разделялась на прямоугольные линейные конечные элементы с наибольшей стороной 0,5 м. В ближней к свае зоне разбивка элементов производилась еще чаще для более точного учета нелинейных явлений в грунте в процессе погружения сваи. Волновые свойства грунта назначались по данным исследований в аналогичных инженерно-геологических условиях ([5] и др.).

Рис. 2. Расчетная схема: 1 – насыпной грунт; 2, 3 – пески пылеватые водонасыщенные; 4 – суглинки легкие мягкопластичные; 5–8 – супеси пылеватые с консистенцией от мягкопластичных до твердых

Рассматривается этап погружения шпунтовой сваи на проектную глубину, поскольку с глубиной уменьшается скорость погружения элемента и растет доля энергии, расходующаяся на упругие колебания окружающего грунта. Предполагается, что вне зависимости от характера движения сваи вибратор действует на нее с силой

P(t) = Psin (wt). (2)

Таким образом, на шпунтовую сваю действуют сила тяжести Q (вес вибратора и сваи) и вынуждающая периодическая сила вибратора P(t).

Решение задачи рассматривается на период времени, равный 0,6 с. Интегрирование системы дифференциальных уравнений производится методом Ньюмарка. Для этого рассматриваемый отрезок времени дискретизируется на 800 временнных шагов.

На рис. 3 приведен график вертикальных смещений шпунтовой сваи во времени. Из рисунка видно, что амплитуда колебаний сваи при погружении соответствует » 4 мм. Расчетная амплитуда колебаний в данном случае стремится к предельному, вычисленному выше значению амплитуды, соответствующему полному отсутствию связей элемента с грунтом. Таким образом, погружение сваи протекает в условиях “срыва”. За счет этого явления свая практически беспрепятственно перемещается около боковой поверхности грунта, при этом значительно уменьшается “присоединенная масса” грунта и, соответственно, доля энергии, расходуемая на упругие колебания окружающего грунта. Расчетная скорость погружения в данном случае составляет »5 м/мин.

Рис. 3. Вертикальные смещения сваи (м) во времени

Теоретические осциллограммы исследуемых смещений на разных расстояниях от источника приведены на рис. 4. Осциллограммы имеют периодический характер. В начальный период времени на осциллограммах проявляется “переходной процесс”, который переходит с течением времени в периодический режим. Наличие “переходных колебаний” на теоретических осциллограммах обусловлено влиянием начальных условий при решении системы дифференциальных уравнений.

Рис. 4. Теоретические осциллограммы вертикальных смещений поверхности (м) на различных расстояниях от шпунтовой сваи

Результаты определения смещений грунтовой среды в виде эпюр изменения данных величин приведены на рис. 5, 6. Из рисунков видно, что расчетные компоненты смещений грунта с расстоянием от погружаемой сваи убывают по экспоненциальному закону, который хорошо описывается известной зависимостью Б.Б. Голицына [4]. Затухание указанных компонент смещений с глубиной также имеет экспоненциальный характер и во многом повторяет предложенную в этом случае зависимость О.А. Савинова, что подтверждают натурные исследования.

Рис. 5. Эпюры максимальных вертикальных амплитуд колебаний грунтовой среды в установившемся режиме при вибрационном погружении шпунтовой сваи на глубину 10 м от поверхности (на расстоянии 1,5, 5, 10, 15, 20, 25, 30 м от источника на поверхности и на глубине 5 и 10 м)

Рис. 6. Эпюры максимальных вертикальных амплитуд колебаний грунтовой среды по глубине при вибропогружении шпунтовой сваи на глубину 10 м с поверхности (эпюры приведены на расстоянии 1,5, 10, 15, 20 м от источника)

Измерения параметров колебаний грунта при пробном погружении нескольких шпунтовых свай вблизи существующего жилого дома были выполнены специалистами отдела динамики и промышленной сейсмики НПФ "Геореконструкция” при участии автора.

Измерения колебаний на грунте в трех точках на расстояниях 1,5, 5, 10 м от погружаемой сваи позволили выявить характер изменения и величины параметров колебаний на разных расстояниях от источника. Сравнительные графики расчетных вертикальных и горизонтальных компонент смещений с наибольшими измеренными значениями смещений приведены на рис. 7,8.

Рис. 7. Изменение вертикальных амплитуд смещений поверхности грунта (в установившемся режиме) в зависимости от расстояния до источника

Рис. 8. Изменение горизонтальных амплитуд смещений поверхности грунта (в установившемся режиме) в зависимости от расстояния до источника

Средний зарегистрированный уровень вертикальных смещений в уровне первого этажа в охраняемом здании, по результатам измерений, при работе вибропогружателя в установившемся режиме не превысил ~3,5 мк, что практически в 2,5 раза меньше зарегистрированных вертикальных смещений на поверхности грунта на расстоянии 10 м от источника (~9 мк – см. рис. 7). Коэффициент передачи колебаний грунта фундаменту в этом случае близок к ~0,4, что обусловлено как наличием в толще основания фундаментов слабых глинистых грунтов, так и высокой частотой распространяющихся колебаний.

Средняя расчетная амплитуда колебаний на грунтовой поверхности составила ~12 мк (см. рис. 5, 7), соответствующая величина расчетного ускорения в этом случае составит ~0,52 м/с². С учетом предполагаемой величины коэффициента передачи колебаний грунта фундаменту расчетное ускорение конструкций должно составить ~0,21 м/с².

Проведенный в процессе устройства шпунтовой стенки динамический мониторинг показал, что максимальные зарегистрированные величины ускорений конструкций здания не превысили 0,15 м/с² в установившемся режиме, что ниже допускаемых по ВСН 490–87 [10]. Однако значительное увеличение амплитуд колебаний наблюдалось в некоторых случаях на “выбеге” (при торможении).

Расхождение в величине прогнозируемых ускорений колебаний грунта и, соответственно, конструкций охраняемого здания может быть вызвано недостаточной точностью при задании скоростей распространения волн в грунтовой среде, сложным характером напластований геологических слоев, допущениями, связанными с моделированием нелинейных явлений в грунте вокруг сваи, и неучетом в расчете соседних погруженных шпунтовых свай. Поскольку при погружении шпунта в замок возникают значительные силы трения, погружаемые (извлекаемые) элементы сильно разогреваются [8].

Результаты анализа процесса вибрационного погружения шпунтовой сваи в грунт, выполненного по предлагаемой расчетной методике, хорошо согласуются с натурными записями компонент смещений как по характеру колебаний, так и по величине смещений.

Таким образом, появилась принципиальная возможность с помощью предложенной методики прогнозировать распределение интенсивности волновых полей смещений в грунтовых средах в условиях вибропогружения шпунтовых элементов и свай.

N5, 2002

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ ГРУНТА ПРИ ВИБРОПОГРУЖЕНИИ ШПУНТА И СВАЙ

ВАСЕНИН В.А.