DWGФОРМАТ | ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Прогноз сейсмостойкости сооружений по результатам численного моделирования деформационных свойств грунтовых оснований

Соколов М.В., Простов С.М., Герасимов О.В. Прогноз сейсмостойкости сооружений по результатам численного моделирования деформационных свойств грунтовых оснований // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т. 23. № 3. С. 167–178. DOI: 10.31675/1607-1859-2021-23-3-167-178 

Сейсмичность Кузбасса имеет смешанный природно-техногенный характер, при этом количество слабых сейсмических событий продолжает увеличиваться. Основной причиной роста техногенной сейсмичности является активная разработка полезных ископаемых. В Кемеровской области работают 120 предприятий угольной промышленности, в т. ч. эксплуатируются 58 шахт и 36 предприятий открытой добычи [1−5]. До 2000 г. Кузбасс по сейсмическому районированию относился в основном к территории с сейсмичностью не более 6 баллов, что не предусматривало проведения специальных антисейсмических мероприятий при строительстве. По принятым нормам здания проектируются и строятся сейсмостойкими на территориях, имеющих сейсмоопасность 7 баллов и выше, согласно СП 14.13330.2014. Переоценка сейсмической опасности территории области привела к росту балльности региона. Применение антисейсмических мер увеличивает стоимость строительства зданий и сооружений в среднем на 30–40 %. Ситуацию осложняет распространенность слабых обводненных грунтов, при наличии которых сейсмичность повышается на дополнительный балл. Сейсмическое воздействие на здание на площадке с сейсмичностью в 7 баллов в 2 раза превышает 6-балльное, в свою очередь, на 8-балльных площадках это воздействие в 2 раза превышает 7-балльное и т. д. 

Уменьшение коэффициента сейсмической опасности в настоящее время является важной и актуальной социально-экономической задачей. Одним из способов добиться этого является уплотнение грунтов. Для управления состоянием грунтовых массивов существует целый ряд физических и физико-химических методов, направленных на преобразование грунтов с целью увеличения плотности, снижения пористости, упрочнения скелета. На территории Кузбасса наиболее перспективными стали методы напорной инъекции цементно-песчаных растворов и электрохимического закрепления [6−8]. 

Проектирование укрепляемых грунтовых оснований ставит новые задачи, недоступные для классических аналитических методов, связанные с необходимостью рассмотрения анизотропного неоднородного основания. Решением этой проблемы является численное компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, основанное, в частности, на методах численных расчетов. При этом достаточно точно учитывается реальное неоднородное строение грунтового массива, что дает более точное представление об его деформациях [9, 10]. 

Цель работы заключается в численной оценке суммарного приращения сейсмической интенсивности при искусственном преобразовании и укреплении грунтов основания на основе результатов геомеханического моделирования. 

В соответствии с СП 14.13330.2014 сейсмичность района строительства определяется двумя величинами: исходной балльностью, устанавливаемой по картам ОСР-1 или ОСР-2, и дополнительным приращением сейсмической интенсивности ΔI, зависящим от различий физико-механических свойств грунтов по отношению к условиям, принятым за эталонные. 

Величину ΔI определяют методом сейсмических интенсивностей, согласно РСН 65–87 «Инженерные изыскания для строительства. Сейсмическое микрорайонирование. Технические требования к производству работ» и [11, 12]: 

где ΔI – суммарное приращение сейсмической интенсивности (в баллах) относительно исходной балльности; ΔIг – приращение сейсмической интенсивности за счет различия грунтовых условий; ΔIв – приращение сейсмической интенсивности за счет изменения уровня грунтовых вод. 

Оценку различия грунтовых условий проводят по отношениям акустических и плотностных свойств грунтов: 

где Vsэ, Vsи – средневзвешенные значения скоростей распространения попе- речных волн на эталонном и изучаемом участках; ρэ, ρи – средневзвешенные значения плотностей грунтов на эталонном и изучаемом участках. 

Величина ΔIв определяется по формуле 

где k – коэффициент, зависящий от грунтовых условий; h – положение уровня грунтовых вод, м. 

Рассмотрим возможность изменения параметров сейсмичности путем управления физико-механическими свойствами грунтовых оснований сооружений с применением комплекса геотехнических методов. 

Снижение величины ΔIв достигается понижением уровня грунтовых вод методами технической мелиорации. 

Для оценки возможности управления величиной ΔIг воспользуемся
уравнением скорости поперечных упругих колебаний 

где Е – модуль деформации, МПа; n – коэффициент Пуассона; ρ – плотность, кг/м3. 

Подставив величину скоростей Vs в уравнение (2), получим 

Опыт геолого-геофизического мониторинга процессов улучшения строительных свойств грунтов методами напорной инъекции и электрохимического закрепления позволил установить следующее [13]: 

На основании изложенного уравнение (5) будет иметь вид 

где Sи, Sэ – соответственно оседания основания исследуемого и эталонного объектов; K – постоянная, комплексно учитывающая величины коэффициентов k1 и k2. 

Параметры физико-механических свойств грунтового основания можно определить с помощью геолого-геофизических изысканий, которые требуют значительных затрат. Однако с достаточной точностью изыскания можно выполнить с помощью математических моделей напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований сооружений. Следует отметить, что данный подход позволяет сделать геомеханический прогноз не только по усредненным параметрам, входящим в уравнение (6), но и по наиболее слабому участку основания. 

Описанная выше методика реализована на двух строительных объектах. В полном объеме технология укрепительных работ, результаты инженерно-геологических изысканий и моделирования геомеханического состояния укрепляемых грунтовых массивов изложены в работах [14, 15]. 

Территория первого объекта (рис. 1, а) характеризуется спланированным рельефом, имеющим абсолютные отметки поверхности от 128,3 до 128,6 м. Сооружение высотой в 5 этажей имеет в плане Г-образную форму, с максимальными размерами 53,0 х 40,4 м, наличием эксплуатируемого подвала и холодного чердака. Фундаменты здания бетонные и бутовые с переменной глубиной заложения до 4,9 м. 

По данным инженерно-геологических изысканий (рис. 1, б), отмечено сложное геологическое строение грунтового основания, включающее 4 основные инженерно-геологические разновидности грунтов, представленные в табл. 1. 

Особенностью строения грунтового основания сооружения является наличие водонасыщенных грунта и включений с низкими деформационными свойствами. 

Рис. 1. План-схема здания (а) и инженерно-геологический разрез (б): 1–4 – инженерно-геологические элементы 
Таблица 1.  Сводная таблица механических свойств  инженерно-геологических элементов 

В результате прогноза геомеханического состояния грунтового основания данного здания получены графики оседаний S грунтового основания вдоль продольных осей северного и западного фасадов здания (рис. 2) для базовых (рис. 3, а, б) и локальных (рис. 3, в) геомеханических моделей до и после работ по закреплению грунтов. При моделировании искусственного массива учитывалась разработанная компанией ООО «НООЦЕНТР» схема закрепления (рис. 3, г) [14]. 

Рис. 2. Распределение вертикальных оседаний S вдоль продольных осей северного (а) и западного (б) фасадов здания: 1 – фактические значения до закрепления; 2 – фактические значения после за крепления; 3 – прогнозируемые значения до закрепления; 4 – прогнозируемые значения после закрепления 
Рис. 3. Схемы продольных базовых моделей вдоль западного (а) и северного (б) фасадов здания, поперечной локальной модели (в) и схема закрепления грунтов основания (г): 1 – фундамент; 2 – пол подвала; 3 – зона закрепления; 4 – инъектор; 5 – дополнительные зоны закрепления 

Вторым объектом исследования являлось административно-бытовое здание, представляющее собой комплекс из двух объединенных корпусов (рис. 4). 

Рис. 4. Топографический план местности 

Инженерно-геологические изыскания, результаты которых приведены на рис. 5, выявили наличие просадочных суглинков и современных техногенных отложений, распространенных на всей площадке, имеющих низкие физико-механические свойства (табл. 2). 

Рис. 5. Инженерно-геологический разрез: 1, 4а, 4в, 5 – основные инженерно-геологические элементы 
 Таблица 2. Физико-механические свойства ИГЭ 

Проведенный геомеханический прогноз показал, что оседания неоднородного грунтового основания в наибольшей мере проявляются в зонах техногенных отложений (x = 4,5–7,5 м) (рис. 6). 

Представленные результаты получены на компьютерных моделях естественного грунтового основания (рис. 7), а также в результате его укрепления по специально разработанной схеме закрепления (рис. 8). 

Рис. 6. Зависимости распределения вертикальных оседаний S вдоль поперечной оси x1 – в естественном массиве; 2 – в искусственном массиве; ΔSпред – предельное допустимое оседание 
Рис. 7. Схема базовых моделей в поперечном (а) и продольном (б) профилях здания: 1 – фундамент; – шов деформации 
Рис. 8. Схема закрепления грунтов основания в поперечном сечении: 1 – фундамент; 2 – зона закрепления; 3 – инъектор; – дополнительные инъекторы 

Для представленных объектов проведен анализ влияния техногенного преобразования грунтового основания на сейсмичность, основанный на описанной выше методике. Результаты геомеханического прогноза при K = 1,2 представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты анализа 

Таким образом, проведенные авторами исследования методом математического моделирования и выполненные расчеты позволяют сделать следующие выводы: 

  1. Инъекционное укрепление грунтовых оснований сооружений при наличии разуплотненных и влагонасыщенных зон обеспечивает снижение сейсмичности более чем на 0,5 балла при пиковых значениях оседаний, а при осредненных значениях – более чем на 0,3 балла. 
  2. Предложенную методику оценки сейсмичности территории по данным инженерно-геологических изысканий и численного моделирования геомеханического состояния массива при стандартных нагрузках целесообразно использовать для уточнения границ сейсмических зон на картах ОСР. 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 

  1. Yakovlev D.V., Lazarevich T.I., Tsirel S.V. Natural and induced seismic activity in Kuzbass // Journal of Mining Science. 2013. V. 49. P. 862–872.
  2. Брыксин А.А., Селезнев В.С. Влияние техногенных факторов на сейсмичность районов Кузбасса и озера Байкал // Геология и геофизика. 2012. Т. 3. № 3. С. 399–405. 
  3. Shabarov A.N., Tsirel S.V., Morozov K.V., Rasskazov I.Yu. Concept of integrated geodynamic monitoring in underground mining // Gornyi Zhurnal. 2017. V. 9. P. 120–134. 
  4. Масаев Ю.А. и др. Массовые взрывы при добыче угля открытым способом и их влияние на сейсмические проявления в Кузбассе // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2016. № 4. С. 48–54. 
  5. Еманов А.Ф. и др. Сейсмические активизации при разработке угля в Кузбассе // Физическая мезомеханика. 2009. № 12. С. 37–43. 
  6. Еманов А.А., Еманов А.Ф., Фатеев А.В., Лескова Е.В. Техногенная сейсмическая активизация на юге Кузбасса (п. Малиновка) // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2017. № 3. Т. 2. С. 66–71. 
  7. Ибрагимов М.И., Семкин В.В., Шапошников А.В. Цементация грунтов инъекцией растворов в строительстве. Москва : Изд-во АСВ, 2017. 266 с. 
  8. Простов С.М., Покатилов А.В., Рудковский Д.И. Электрохимическое закрепление грунтов / РАЕН. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2011. 294 с. 
  9. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. Москва : Недра, 1987. 221 с. 
  10. Зуевская Н.В., Дворник С.А. и др. Изменение напряжено-деформированного состояния грунтов при устройстве глубоких выемок // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. 2011. № 38. 
  11. Бондарев В.И. и др. Рекомендации по применению сейсмической разведки для изучения физико-механических свойств рыхлых грунтов в естественном залегании для строительных целей. Москва, 1974. 142 c. 
  12. Сердюков А.С., Яблоков А.В., Чернышов Г.С. и др. Методы сейсмических исследований водонасыщенности грунтов и горных пород с использованием поверхностных волн // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2016. Т. 1. № 3. С. 185–190. 
  13. Простов С.М., Хямяляйнен В.А., Герасимов О.В. Комплексный мониторинг процессов высоконапорной инъекции грунтов / РАЕН. Кемерово ; Москва : Издательское объединение «Российские университеты»: Кузбассвузиздат. – АСТШ, 2006. 94 с. 
  14. Sokolov M., Prostov S., Kharitonov I. Geomechanical Substantiation of the Parameters of Injection Fixing of the Soil Bases During the Liquidation of the Emergency Condition of the Structure // E3S Web Conference. IIIrd International Innovative Mining Symposium. 2018. V. 41. Article 01009. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184101009 
  15. Соколов М.В., Простов С.М. Геомеханическое обоснование параметров инъекционного закрепления неоднородного неустойчивого грунтового основания здания // Вестник КузГТУ. 2017. № 3. С. 37−44. 

Сведения об авторах 

Соколов Михаил Валерьевич, доцент, канд. техн. наук, Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, smv.ad@kuzstu.ru 

Простов Сергей Михайлович, профессор, докт. техн. наук, Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, psm.kem@mail.ru 

Герасимов Олег Васильевич, доцент, канд. техн. наук, Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, gerasimov@noocentr.com 


Источник

Exit mobile version