Анализ влияния строительства и осушения глубокого котлована на осадки поверхности

ВВЕДЕНИЕ

В условиях постоянного развития городов неизбежно строительство сооружений, сильно заглубленных ниже уровня грунтовых вод. Из-за влияния грунтовых вод осушение котлована становится вспомогательным проектом, который необходимо реализовать в процессе выемки грунта с большой глубины. При этом очень большой проблемой в городских условиях являются деформации окружающих грунтов с соответствующим воздействием на соседние здания и сооружения [1–5]. Ошибочные оценки этих деформаций могут привести либо к слишком большим затратам на строительство из-за чрезмерно усиленных систем крепления выемок, либо к повреждению окружающих зданий и сооружений из-за недостаточно усиленных систем крепления. На прогнозируемые деформации значительное влияние оказывают такие факторы, как метод строительства, водопонижение и тип вмещающих грунтов [6, 7].

Большинство основных теорий об осадках, вызванных выемкой грунта, основано на методе полного напряжения, предложенном Пеком (Peck ), с использованием аппроксимации огромного количества кривых по данным полевого мониторинга [8–11]. Мониторинг показывает, что результаты расчетов занижают фактические осадки. Различия между измеренными деформациями грунта и теоретическими прогнозами можно отнести к эффекту водопонижения. Процесс осушения может привести к снижению давления в водоносных горизонтах, что вызовет изменения эффективных напряжений. Когда из водоносного горизонта извлекается вода, эффективные напряжения в слагающем его грунте увеличиваются, вызывая оседание поверхности земли [12–15].

При исследованиях вертикальных деформаций грунта были достигнуты значительные результаты. Было выявлено, что основными факторами, вызывающими оседание, являются откопка и осушение котлована [16–18]. На основе линейной суперпозиции осадок, вызванных выемкой грунта и водопонижением, можно легко получить общую осадку поверхности, но при этом игнорируется взаимодействие между снятием напряжений при откопке котлована и падением уровня грунтовых вод при осушении.

В данной работе исследуются осадки поверхности в ответ на выемку грунта и водопонижение на примере создания глубокого котлована для строительства станции метро. Суммарные осадки в условиях откопки и осушения котлована рассчитывались по аналитическим формулам с использованием принципа линейной суперпозиции. Также с помощью коммерческого программного обеспечения (GMS и MIDAS) были созданы совокупные трехмерные численные модели для определения воздействий выемки и осушения на уровень грунтовых вод, эффективные напряжения и смещения. Затем спрогнозированные этими двумя путями осадки грунта были сопоставлены с данными реальных измерений при мониторинге, чтобы проверить достоверность результатов использования вышеуказанных расчетных методов.

МАТЕРИАЛЫ

Описание проекта

Рассматриваемый в статье котлован размером 120 м x 15 м x 22,4 м (длина x ширина x глубина) для строительства станции метро в городских условиях располагается в центральной части Китая. Западную и южную его стороны огибает река при минимальном расстоянии до нее 24 м. Основная конструкция шахты для опускания узлов тоннелепроходческого щита находится всего в 4,5 м от берега реки. На северо-западной стороне котлована располагается гостиница с условным названием «Здание 1». Ее главный корпус имеет 29 этажей, а минимальное расстояние от котлована до ее 5-этажного корпуса со свайным фундаментом составляет 10,7 м. С юго-восточной стороны от строительной площадки имеется 18-этажный торговый центр со свайным фундаментом под условным названием «Здание 2». Его минимальное расстояние от котлована – 10 м. С северо-восточной стороны  находится 6-этажное «Здание 3». Расположение и план строительной площадки и окружающей территории показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Расположение и план строительной площадки и окружающей территории

Котлован для строительства станции метро в основном расположен в толще аллювиально-делювиальной пылеватой глины, пылеватого грунта и мелкого пылеватого песка с низкой устойчивостью. В слое мелкого пылеватого песка имеется возможность разжижения, что оказывает определенное влияние на рабочий процесс. Детальный геологический профиль строительной площадки показан на рисунке 2.

Рис. 2. Детальная геологическая колонка по данным одной из скважин на строительной площадке. УГВ – уровень грунтовых вод. (Далее в таблице 2 авторы не привели слой мелкого пылеватого песка, указанный на рисунке 2; возможно, его объединили со слоем пылеватого грунта. – Ред.)

Процесс откопки глубокого котлована был разделен на пять этапов – I, II, III, IV, V при толщине вынутого грунта соответственно 1,4; 2,7; 4,5; 6,4; 7,4 м и высотных отметках дна соответственно 24,1; 21,4; 16,9; 10,6; 3,2 м. Первоначальный уровень  грунтовых вод составлял 23 м. Отметим, что на этапе I водопонижение не требовалось, поскольку дно находилось выше УГВ. Процесс осушения котлована начался с этапа II и был разделен на четыре стадии в соответствии с этапами выемки II, III, IV и V.

Мониторинг осадок

Перед началом откопки вытянутого котлована были выполнены насосные скважины для искусственного водопонижения параллельно его более длинным бортам. Чтобы осадки поверхности окружающего грунта и УГВ соответствовали требованиям к выполнению проектных технических условий, между соседними насосными скважинами по всей длине котлована были установлены измерители уровня воды со стальной линейкой (SWJ-90-50).

Для измерения осадок поверхности земли вдоль продолжения поперечной осевой линии котлована были установлены цифровые нивелиры Trimble DiNi03 с горизонтальным шагом 5 м (таблица 1). Одновременно проводились определения осадок для зданий 1, 2 и 3.

План расположения точек измерений приведен на рисунке 3.

Таблица 1. Оборудование для мониторинга осадок

Рис. 3. План расположения точек мониторинга

На строительной площадке и рядом с ней было много точек мониторинга осадок. Чтобы графически продемонстрировать воздействие процесса выемки грунта при строительстве котлована на деформации окружающего грунта, были выбраны точки DB-1, JCJ-6, JCJ-9 и JCJ-15. На рисунке 4 показано, как увеличивались осадки этих точек с течением времени. Оседание ближайшей к котловану точки (DB-1) было наибольшим. Мониторинг трех других точек (JCJ-6, JCJ-9, JCJ-15) показал схожие тенденции в развитии осадок, но они были меньше из-за большей удаленности от котлована.

Рис. 4. Развитие осадок поверхности в точках мониторинга DB-1, JCJ-6, JCJ-9 и JCJ-15 (см. рис. 3) с начала выемки грунта

ОЦЕНКА ОСАДОК

Оценка осадок по аналитическим формулам

При откопке глубокого котлована ниже уровня грунтовых вод необходимо понизить УГВ так, чтобы он был на 0,5 м ниже дна, в целях предотвращения обрушения бортов или подтопления/затопления выемки.

При водопонижении образуется депрессионная воронка, которая приводит к снижению давления грунтовых вод и увеличению эффективных напряжений между частицами грунта. В процессе осушения котлована грунтовые воды медленно движутся к каждой насосной скважине в ламинарном потоке, при этом кривая депрессии распределена симметрично вокруг этой скважины (депрессионная воронка представляет собой приблизительную поверхность вращения кривой депрессии вокруг оси водопонизительной скважины. – Ред.). На основе формулы Дюпюи можно получить уравнение кривой депрессии [19]:

где x – горизонтальное расстояние от оси скважины; l – длина водоприемной трубы скважины; r – радиус скважины; h – вертикальное расстояние от несовершенной скважины до водоносного горизонта (для совершенной скважины h=0); R – радиус водопонижающего воздействия.

В процессе осушения внутри неводонасыщенной зоны присутствует воздух и поровая вода будет находиться под воздействием растягивающих напряжений. Дифференциальные уравнения равновесного и напряженного состояния частиц грунта и поровой воды можно объединить, чтобы получить единое уравнение эффективных напряжений, применимое для неводонасыщенного и водонасыщенного грунта [20]:

где S_e, S_r – соответственно эффективная и остаточная водонасыщенность грунта; θ_s и θ_r – соответственно насыщенная и остаточная объемная влажность грунта; τ – каркасная сосущая сила (каркасное всасывающее давление), измеряемая с помощью устройства трехосного сжатия в неводонасыщенных условиях и устройства с нажимной пластиной. Когда S_e=1, формула (2) превращается в уравнение для эффективного напряжения в водонасыщенном грунте.

Эффективное напряжение в грунте, залегавшем выше УГВ до начала откопки котлована, не менялось, а в грунте, находившемся в неводонасыщенной зоне, оно менялось следующим образом:

В случае водонасыщенного грунта поры между его частицами полностью заполнены водой и понижение УГВ приводит к уменьшению давления воды в порах. Тогда уравнение (3) превращается в уравнение для эффективного напряжения в водонасыщенном грунте, а изменение эффективного напряжения равно уменьшению давления воды:

Осадки поверхности, вызванные водопонижением, могут быть рассчитаны методом послойного суммирования следующим образом:

где s – осадка дневной поверхности, вызванная водопонижением; s_i – осадка поверхности слоя грунта i; E_i – модуль упругости слоя i; h_i – толщина слоя i.

Согласно формуле послойного суммирования (5) эффективное напряжение в зоне осушенного грунта не изменилось, поэтому в этой зоне s₁=0.

Оседание грунта в неводонасыщенной зоне происходит в соответствии с зависимостью:

Оседание грунта в водонасыщенной зоне происходит следующим образом:

Разгрузка в результате откопки котлована нарушает баланс напряжений от собственного веса грунта и приводит к осадкам окружающей поверхности. Осадки, вызванные выемкой грунта, рассчитываются согласно эмпирической формуле, полученной с помощью функции распределения Рэлея [8]:

где d – горизонтальное расстояние от рассматриваемой точки до котлована; H – глубина выемки грунта; s_vm – максимальная осадка (вертикальное смещение) ограждения котлована; s_hm – максимальная горизонтальная деформация ограждения котлована; α – эмпирический коэффициент; k_δ – коэффициент пропорциональности.

Чтобы оценить общее вертикальное смещение поверхности, осадки, вызванные как осушением, так, и откопкой котлована, суммируются:

В таблице 2 представлены физико-механические параметры слоев грунта. Инженерно-геологические параметры определялись с помощью традиционных испытаний [21–23].

Таблица 2. Физико-механические параметры слоев грунта (в таблице 2 не приведен слой мелкого пылеватого песка, указанный на рисунке 2; возможно, его объединили со слоем пылеватого грунта. – Ред.)

Результаты расчетов по аналитическим формулам показаны на рисунке 5. Ряды точек мониторинга DB (см. рис. 3) симметрично расположены на продолжениях поперечной осевой линии с обеих длинных сторон котлована, что позволяет лучше понять закономерности оседания грунта. Как видно из рисунка 5, водопонижение является основным фактором, вызывающим оседание грунта, особенно в ближайшей к котловану точке DB-1, где вклад осушения в общую осадку составил 88,9%. Расстояние до котлована увеличивалось в ряду DB-1, DB-2, DB-3, DB-4. Чем дальше точка мониторинга находилась от котлована, тем медленнее была скорость опускания УГВ и тем меньше были изменения эффективных напряжений в грунте, что приводило к меньшему вкладу водопонижения в общее оседание поверхности.

Рис. 5. Результаты теоретических расчетов осадок поверхности по аналитическим формулам

Оценки осадок с помощью численных моделей

С использованием коммерческого программного обеспечения (GMS и MIDAS) были созданы трехмерные численные модели для исследований совместного влияния откопки котлована и водопонижения на деформации грунтов (рис. 6). Были приняты значения параметров отложений, указанные в таблице 2. Отметим, что ширина реки составляет примерно 30–80 м, глубина – около 5–6 м.

Рис. 6. Объединение численных моделей

На рисунке 7 показаны изменения УГВ после каждого этапа водопонижения. В процессе осушения уровень грунтовых вод распределялся в форме несимметричной воронки с самой глубокой частью в форме колодца под котлованом и рядом с ним. Чем больше расстояние от котлована, тем меньше понижение УГВ (рис. 8).

Рис. 7. Изолинии УГВ после этапов водопонижения: а – первого; б – второго; в – третьего; г – четвертого

Рис. 8. Вертикальный разрез УГВ (проходящий через среднюю часть котлована поперек его длинной оси) после четвертого этапа водопонижения

На рисунке 9 показаны смоделированные осадки поверхности на каждом этапе откопки котлована в зависимости от горизонтального расстояния от него. К концу первого этапа глубина выемки составляет 1,4 м, а строительство системы крепления бортов в это время еще не завершено. Из-за разгрузки от собственного веса грунта основание котлована приподнято. Кривая осадок имеет форму ложки. Осадки возрастают с удалением от котлована вплоть до расстояния 8 м, но при дальнейшем увеличении расстояния они уменьшаются. Суммарная осадка после пяти этапов выемки грунта достигает максимума на пятом этапе и составляет 26,1 мм.

Рис. 9. Кривые зависимости осадок от расстояния до котлована по результатам численного моделирования

СРАВНЕНИЕ ОСАДОК, ПОЛУЧЕННЫХ ПУТЕМ РАСЧЕТОВ И МОНИТОРИНГА

На рисунке 10 сопоставлены осадки, оцененные с помощью расчетов (по аналитическим формулам и численным моделям) и измеренные при мониторинге. Видно, что результаты моделирования, полученные на основе модели взаимодействий «жидкость – твердое тело», лучше согласуются с данными мониторинга, чем результаты аналитических расчетов. Это показало, что вычисленные осадки поверхности при выемке грунта и водопонижении не могут быть просто линейно сложены. Ведь по мере падения УГВ эффективные напряжения увеличивались, что изменяло пористость грунта и влияло на условия движения воды. Однако при использовании метода аналитических расчетов осадки, вызванные откопкой и осушением котлована, складывались напрямую без учета взаимодействий «вода – грунт», что привело к завышению осадок по сравнению с достоверными данными мониторинга.

Рис. 10. Сопоставление осадок, полученных разными методами

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В данной работе для прогноза осадок поверхности под воздействием откопки и осушения глубокого котлована для строительства станции метро использовались аналитические формулы и численные модели. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. 

1. Распределение осадок поверхности, вызванных выемкой грунта, в зависимости от расстояния до котлована, имеет форму ложки, глубина которой пропорциональна общей глубине выемки (см. рис. 3, 9). На расстоянии 6,1 м осадка достигает максимального значения, равного 26,1 мм. Результаты аналитических расчетов показали, что осадки в основном вызваны водопонижением. По мере увеличения расстояния до котлована изменения эффективных напряжений в толще грунта при падении УГВ становятся меньше, что уменьшает влияние осушения на вертикальные деформации отложений.

2. Результаты численного моделирования, полученные на основе модели взаимодействий «жидкость – твердое тело», лучше соответствуют данным мониторинга, чем результаты аналитических расчетов. Отсюда можно заключить, что вертикальные деформации отложений под воздействием откопки и осушения котлована не могут быть просто линейно сложены. Поэтому, чтобы проиллюстрировать вклады воздействий выемки грунта и водопонижения в общую осадку поверхности (рис. 11), было получено эмпирическое корреляционное уравнение с помощью полиномиальной аппроксимации. Эта общая осадка быть выражена через осадки в результате откопки котлована и в результате его осушения следующим образом:

где z – общая осадка; x – осадка, вызванная водопонижением; y – осадка, вызванная выемкой грунта.

Рис. 11. Графики корреляций осадок, вызванных водопонижением (а) и вызванных выемкой грунта (б), с общей осадкой поверхности (иллюстрация вкладов воздействий откопки и осушения котлована в общую осадку поверхности)

Значение коэффициента детерминации R² после такого вычисления составляет 0,999, поэтому уравнение (10) можно считать точным.

-

Это исследование было профинансировано Национальным фондом естественных наук Китая (51774107, 42077249), Открытой программой Государственной ключевой лаборатории взрывотехники при Пекинском технологическом институте (KFJJ19-02M) и фондами фундаментальных исследований Департамента жилищного строительства провинции Аньхой (2013YF-27).

Численные результаты, использованные для подтверждения выводов представленного исследования, могут быть по запросу получены у авторов (wangyixian2012@hfut.edu.cn).

ИСТОЧНИК ДЛЯ ПЕРЕВОДА

Li X., Zhou T., Wang Y., Han J., Wang Y., Tong F., Li D., Wen J. Response analysis of deep foundation excavation and dewatering on surface settlements // Advances in Civil Engineering. Hindawi, 2020. Article ID 8855839. URL: https://doi.org/10.1155/2020/8855839; https://www.hindawi.com/journals/ace/2020/8855839/.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, ИСПОЛЬЗОВАННОЙ АВТОРАМИ ПЕРЕВЕДЕННОЙ СТАТЬИ

1. Kihm J.H., Kim J.M., et al. Three-dimensional numerical simulation of fully coupled groundwater flow and land deformation due to groundwater pumping in an unsaturated fluvial aquifer system // Journal of Hydrology. 2007. Vol. 335. № 1-2. P. 1–14.
2. Faunt C.C., Sneed M.J., Brandt J.T. Water availability and land subsidence in the Central Valley, California, USA // Hydrogeology Journal. 2016. Vol. 24. № 3. P. 675–684.
3. Traum M., Adiyaman I. The influence of clay zones on land subsidence from groundwater pumping // Ground Water. 2013. Vol. 51. № 1. P. 51–57.
4. Galloway D.L., Burbey T.J. Review: regional land subsidence accompanying groundwater extraction // Hydrogeology Journal. 2011. Vol. 19. № 8. P. 1459–1486.
5. Jesus C.R. Settlements around pumping wells: analysis of influential factors and a simple calculation procedure // Journal of Hydrology. 2018. Vol. 548. P. 225–236.
6. Roy D., Robinson K.E. Surface settlements at a soft soil site due to bedrock dewatering // Engineering Geology. 2009. Vol. 107. № 3-4. P. 109–117.
7. Pujades E., Vazquez-Sune E., Carrera J., Jurado A. Dewatering of a deep excavation undertaken in a layered soil // Engineering Geology. 2014. Vol. 178. P. 15–27.
8. Peck R.B. Deep excavations and tunneling in soft ground // Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Mexico, USA, August 1969. Scientific Research Publishing, 1969.
9. Leung E.H.Y., Ng C.W.W. Wall and ground movements associated with deep excavations supported by cast in situ wall in mixed ground conditions // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2007. Vol. 133. № 2. P. 129–143.
10. Guo P., Gong X. Displacement and force analyses of braced structure of deep excavation considering unsymmetrical surcharge effect // Computers and Geotechnics. 2019. Vol. 113. № 2. Article 103102.
11. Di H. Guo H., Zhou S., Chen J., Wen L. Investigation of the axial force compensation and deformation control effect of servo steel struts in a deep foundation pit excavation in soft clay // Advances in Civil Engineering. 2019. Vol. 2019. № 6. Article ID 5476354.
12. Budhu M., Adiyaman I.B. Mechanics of land subsidence due to groundwater pumping // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2010. Vol. 34, № 14. P. 1459–1478.
13. Ni J.C., Cheng W.C., Ge L. A case history of field pumping tests in a deep gravel formation in the Taipei Basin, Taiwan // Engineering Geology. 2011. Vol. 117. № 1-2. P. 17–28.
14. Loaiciga H.A. Consolidation settlement in aquifers caused by pumping // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2013. Vol. 139. № 7. P. 1191–1204.
15. Pacheco-Martinez J., Hernandez-Marin M., Burbey T.J., et al. Land subsidence and ground failure associated to groundwater exploitation in the Aguascalientes Valley, Mexico // Engineering Geology. 2013. Vol. 164. P. 172–186.
16. Jayeoba A., Mathias S.A., Nielsen S., Vilarrasa V., Bjornara T.I. Closed-form equation for subsidence due to fluid production from a cylindrical confined aquifer // Journal of Hydrology. 2019. Vol. 573. P. 964–969.
17. Ng C.W.W., Hong Y., Liu G.B., Liu T. Ground deformations and soil-structure interaction of a multi-propped excavation in Shanghai soft clays // Geotechnique. 2012. Vol. 62. № 10. P. 907–921.
18. Hashash Y.M.A., Osouli A., Marulanda C. Central artery/tunnel project excavation induced ground deformations // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2008. Vol. 134. № 9. P. 1399–1406.
19. Bear J. Hydraulics of Groundwater. New York, NY, USA: McGraw-Hill International Book, 1979. Vol. 5.
20. Longtan S., Yalong Q., Xiaoxia G., et al. The validation of the effective stress principle of unsaturated soils // Chinese Journal of Underground Space and Engineering. 2018. Vol. 14. № 6. P. 1476–1483.
21. Mohammadi S.D., Nikoudel M.R., Rahimi H., Khamehchiyan M. Application of the dynamic cone penetrometer (DCP) for determination of the engineering parameters of sandy soils // Engineering Geology. 2008. Vol. 101. № 3-4. P. 195–203.
22. Wang M., Wan W. A new empirical formula for evaluating uniaxial compressive strength using the Schmidt hammer test // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019. Vol. 123. Article ID 104094.
23. Wang M., Wan W., Zhao Y. Experimental study on crack propagation and the coalescence of rock-like materials with two preexisting fissures under biaxial compression // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2020. Vol. 79. № 6. P. 3121–3144.