Современные геотехнические методы расчета шпунтового ограждения котлована можно разделить на две группы:

• Аналитические расчеты,
• Расчеты методом конечных элементов с использованием программных комплексов — Plaxis расчеты.

Аналитический расчет шпунтового ограждения

Расчет шпунтового ограждения котлована аналитическими методами, выполняется по двум наиболее известным подходам:

Расчет по схеме Якоби.

В этом случае глубина погружения стенки определяется только условием обеспечения ее статического равновесия против выпора.

Метод упругой линии (Блюма-Ломейера)

При использовании графоаналитического метода Блюма-Ломейера, глубина погружения определяется из условия получения минимальных значений изгибающих моментов в стенке.

Рисунок 1. Различие подходов аналитического расчета ограждения котлована

В основе аналитических расчетов заложена теория предельного равновесия, основанная Шарлем Кулоном в 1773 году.

На практике, перечисленные методы позволяют определить требуемую длину ограждающей конструкции исходя из условия ее предельного равновесия.

В качестве исходных данных для расчета шпунтового ограждения требуются параметры: удельный вес грунта, удельное сцепление, угол внутреннего трения. Перечисленные параметры могут быть определены достаточно быстро, полевыми методами, в лаборатории или же приняты по справочным данным. Это является преимуществом аналитического метода, поскольку позволяет быстро выполнить анализ в первом приближении и в дальнейшем сопоставить результаты, полученные при более сложном анализе.

Аналитические методы расчета шпунта, при своей простоте, обладают целым рядом недостатков, связанных прежде всего с ограничениями и допущениями, заложенными в теории расчета:

• предполагается, что плоскости скольжения являются плоскими, когда на самом деле они криволинейные,
• значение давления на ограждающую конструкцию не зависит от направления и величины ее перемещения, когда на практике давление может принимать значения от активного до пассивного,
• призма обрушения ведет себя как твердое тело, что делает возможным использование теории равновесия,
• при выполнении расчетов не учитывается жесткость ограждающей конструкции, определение изгибающих моментов и требуемой жесткости ограждения выполняется постфактум.

Аналитические методы, при всех своих преимуществах не позволяют определить реальные перемещения ограждающей конструкции, а также выполнить геотехнический прогноз влияния строительства на окружающую застройку.

На сегодняшний день существует множество программ, которые позволяют выполнить расчет шпунтового ограждения котлована без трудоемких графических построений и громоздких формул.

Выполняя геотехнические расчеты аналитическими методами, всегда необходимо помнить об ограничениях данных методов, относиться к полученным результатам с недоверием и всегда проверять полученные результаты альтернативными методами, прежде чем использовать их в проекте шпунтового ограждения.

Расчеты методом конечных (FEM – final element method)

Геотехнические расчеты методом конечных элементов выполняются с использованием специализированных программных комплексов, специально разработанных для анализа деформаций и устойчивости геотехнических сооружений. Программы позволяет поэтапно моделировать процессы строительства и экскавации грунта, приложения нагрузок, изменения уровня грунтовых вод, решать задачи консолидации и оценки влияния нового строительства на окружающую завтройку.

Рисунок 2. Сравнение плоской и пространственной постановки задачи в программном комплексе Plaxis

Наибольшую популярность среди программных комплексов расчета шпунтового ограждения получили программы Plaxis и Midas GTS NX.

Среди других геотехнических программных комплексов, получивших определенное признание и популярность в мире, следует выделить:

• DIANA FEA
• FLAC
• И многие другие.

Программы поставляются в различных вариантах, к примеру компания Plaxis BV выпускает программы отдельно для плоских расчетов – Plaxis 2D и отдельно для пространственных расчетов – Plaxis 3D. Компания Midas выпускает программу GTS NX с базовой функцией выполнения как плоских, так и пространственных расчетов.

Стоимость перечисленных программ является довольно высокой. Комплекс для решения задач в плоской постановке может стоить порядка 15000 евро, комплекс для расчета задач в пространственной постановке может обойтись вам в 25000 евро и более.

Специализированные комплексы позволяют выполнять следующие геотехнические расчеты:

• расчеты устойчивости склонов и насыпей,
• расчет конструкций инженерной защиты, методов крепления склонов нагелями, подпорными стенками, габионами и другие,
• расчет фильтрации грунтовых вод,
• расчет консолидации грунтов,
• расчеты оснований и фундаментов, расчет осадки здания,
• расчет шпунтового ограждения и временных конструкций его крепления, при проектировании котлованов,
• расчет тоннелей,
• динамические расчеты, расчеты на сейсмическое воздействие,
• оценка влияния нового строительства на окружающую застройку – это одно из главных преимуществ использования современных программ. Специализацией нашей компании является геотехническое обоснование строительства,
• определение зоны влияния нового строительства

Поскольку каждая из программ имеет свои преимущества и недостатки, мы выполняем геотехнические расчеты с использованием трех программных комплексов, в зависимости от сложности поставленной задачи. За более чем 8 летний стаж мы хорошо знаем какой метод позволит получить наиболее реалистичный результат и определить наиболее экономичное конструктивное решение выполняя проект котлована.

В большинстве случаев достаточно выполнить расчет в плоской постановке, однако, если выполняется проектирование котлована сложной формы, пример которого показан на рисунке ниже, геотехнический расчет шпунтового ограждения в плоской постановке может дать чрезмерный запас. Связано это с тем, что любые углы — это элементы большой жесткости, а учет пространственной жесткости может дать значительный экономический эффект, что необходимо учитывать выполняя проект ограждения котлована.

Рисунок 3. Пример котлована сложной формы

Необходимо отметить важную роль, которую играет инженер-геотехник, при выполнении геотехнических расчетов как аналитическими методами, так и с использованием современных программных комплексов. В условиях отсутствия специализированного образования, хороший геотехник это большая редкость. Для воспитания хорошего специалиста могут потребоваться года. К области знаний инженера-геотехника предъявляются особые требования, в которые должны входить:

• Глубокое понимание методов геотехнических расчетов, их преимуществ и ограничений,
• Инженерные знания. Понимание принципов работы строительных конструкции, основы курсов сопротивления материалов, строительной механики и других базовых навыков инженера-строителя,
• Знания в области инженерно-геологических изысканий, полевых и лабораторных методов получения параметров грунтов. Обработка данных с целью получения необходимых параметров для использования в современных комплексах. Проверка адекватности параметров, полученных геологами.
• Знания в области организации строительства и технологий выполнения работ, существующих методов устройства свай, ограждающих конструкций, методов откопки котлована. Необходимо знать пределы применимости той или иной технологии.
• Опыт моделирования в программных комплексах. Как известно, одну и ту же конструкцию можно смоделировать разным образом. Задача геотехника наиболее точно отразить поведение конструкции, здания и других элементов расчетной схемы. Это невозможно сделать, если постоянно не совершенствовать навыки, не сомневаться и не проверять расчеты другим, альтернативными методами. В связи с этим, нами отводится особая роль исследованиям, выступлениям на международных конференциях, накоплению знаний и преемственности.
• Опыт практической реализации проектов. Только он позволяет понять с какими трудностями приходится сталкиваться строителям на площадке. Опыт позволяет принимать решения, которые будут одновременно надежными и простыми в исполнении. Позволяет сопоставить результаты геотехнических расчетов с реальностью выполнения проекта шпунтового ограждения котлована в жизнь.

Инженер-геотехник объединяет в себе области знаний инженера-строителя и инженера-геолога. Он является их соединительным звеном и неотъемлемой частью процесса проектирования.

Мы специализируемся на выполнении расчетов и проектировании котлованов любой сложности. Позвоните нам, чтобы получить бесплатную консультацию.