CC BY
595
Определение технологических осадок фундаментов близлежащих зданий при устройстве стены в грунте, грунтовых анкеров и буроинъекционных свай
О.А.Шулятьев, О.А.Мозгачёва, Д.К.Минаков, Д.Ю.Соловьёв
В статье описываются методики определения технологических осадок в процессе устройства стены в грунте траншейного типа, грунтовых инъекционных анкеров и буро-инъекционных свай, которые планируется использовать при разработке нормативных, технических и организационно-методических документов по расчёту технологических осадок существующих зданий и сооружений.
Ключевые слова: технологические осадки, стена в грунте траншейного типа, грунтовые инъекционные анкеры, буроинъ-екционные сваи, мониторинг, численные расчёты, усиление фундаментов.
Determination of Technological Settlements of Nearby
Buildings During Installation of Diaphragm Wall, Ground
Anchors and Micropiles. By O.A.Shulyatjev, O.A.Mozga-
cheva, D.^Minakov, D.Yu.Solov'ev
The article describes the methods of determination of technological settlements in the process of installation of diaphragm wall, ground anchors and micropiles, developed in the frame-work of scientific research work in 2015, which are going to be employed during the development of normative, technical, organizational and methodical documents on the calculations of the technological settlements of existing buildings and structures.
Keywords: technological settlements, diaphragm wall, ground anchors, micropiles, monitoring, numerical calculatons, foundation underpinning.
На здания и сооружения при новом строительстве или реконструкции воздействуют различные факторы, приводящие к изменению напряжённо-деформированного состояния массива грунта и, как следствие, к осадке фундаментов близрасположенных зданий.
Российские нормы [1] регламентируют величины предельно допустимых дополнительных деформаций основания фундаментов существующих зданий и сооружений в процессе нового строительства или реконструкции. В случае, если расчётные значения превышают предельно допустимые, меняются конструктивные решения или выполняются специальные защитные мероприятия для снижения негативного влияния нового строительства или реконструкции. При этом имеется в виду, что величины предельно допустимых значений дополнительных осадок фундаментов - это суммарное значение
осадки, полученной фундаментом за период строительства здания/сооружения и весь срок его эксплуатации.
Осадки фундаментов происходят главным образом в результате действия следующих факторов:
- конструктивных, вызванных вступлением в работу проектируемой конструкции в соответствии с проектным решением, например, связанных с перемещением ограждающей конструкции и дна котлована в процессе экскавации грунта;
- технологических, происходящих в процессе выполнения геотехнических работ (устройство ограждения котлованов, анкеров, свай, щитовой проходки и др.) и связанных с технологией выполнения работ и применяемыми машинами и механизмами.
Современное программное обеспечение позволяет достаточно уверенно прогнозировать влияние лишь конструктивных факторов. Наряду с этим, при оценке влияния строительства на окружающую застройку большое значение имеют технологические факторы и вызванные их действием технологические осадки, возникающие при выполнении геотехнических работ. Они плохо поддаются расчёту, часть из них можно оценить только на основании опыта строительства в аналогичных грунтовых условиях. В связи с этим в большинстве случаев оценка влияния нового строительства или реконструкции ограничивается лишь математическим моделированием процессов изменения напряжённо-деформированного состояния массива грунта от откопки котлована, а влияние геотехнических работ не учитывается. Та же картина наблюдается при выполнении расчётов общей осадки реконструируемого здания, в которых учитываются только осадки в результате увеличения нагрузки без учёта осадок, которые возникают от производства работ по усилению фундаментов, например, выполнения свай. Вместе с тем значения технологических осадок могут быть сопоставимы, а порой и выше конструктивных. В связи с этим недоучёт технологического воздействия может привести к неверному прогнозу дополнительных осадок фундаментов существующих сооружений и недостаточному назначению для них защитных мероприятий1.
В существующих российских и зарубежных нормах [1-11] имеются положения о необходимости учёта технологических
1 В данной статье рассматриваются технологические осадки, вызванные устройством стены в грунте, грунтовых инъекционных анкеров и буросеку-щихся свай, выполняемых без нарушений технологических регламентов, то есть без наступления аварийных случаев.
факторов при выполнении оценки влияния таких геотехнических работ, как устройство стены в грунте траншейного типа, грунтовых инъекционных анкеров и буроинъекционных свай, однако в нормативной литературе методики выполнения такой оценки влияния не закреплены.
Анализ имеющихся данных по мониторингу технологических осадок
Устройство стены в грунте траншейного типа
По результатам выполненного поиска научно-технических источников и их анализа (26 статей) можно констатировать, что исследуемой проблеме определения технологических осадок в результате устройства стены в грунте уделяется значительное внимание. Как в зарубежных, так и отечественных источниках приводится большое количество данных по мониторингу технологических осадок [14-18]. Выборочные результаты мониторинга приведены в таблице 1.
Согласно собранным данным мониторинга, технологические осадки в результате устройства стены в грунте могут достигать 63 мм. Главными факторами, влияющими на величину осадки, являются: расстояние от стены в грунте до фундамента здания, давление под подошвой фундамента, длина захватки, плотность бентонитового раствора и инженерно-геологические условия.
Основными причинами возникновения технологических осадок при выполнении стены в грунте являются: разуплотнение грунтового массива в результате устройства траншеи под глинистым раствором, вибрационно-динамические воздействия при работе грейфера или фрезы и усадки бетона.
Устройство грунтовых инъекционных анкеров При проектировании ограждений котлованов с анкерным креплением и выполнении оценки влияния эффект технологического воздействия от устройства анкеров, как правило, не учитывается, поскольку размеры сечения скважины, устраиваемой для анкера, достаточно малы. Однако практика устройства котлованов с анкерным креплением показывает, что существенное влияние на окружающую застройку оказывают происходящие в процессе изготовления анкеров технологические осадки грунтового массива, что может иметь решающее значении для обеспечения безопасности окружающей застройки.
При выполнении научно-исследовательской работы были рассмотрены и систематизированы результаты измерений технологических осадок на реальных строительных объектах [17; 20-24; 28; 29], некоторые из них представлены в таблице 2.
Анализ научно-технических источников показал, что технологические осадки при устройстве грунтовых анкеров могут достигать значительных величин - до 40 мм и более, что необходимо учитывать при проектировании и строительстве.
В большинстве рассмотренных случаев в качестве основного фактора возникновения технологических осадок от устройства анкеров выделяется способ проходки скважины и применяемое оборудование, а также наличие специфических грунтовых условий (слабых грунтов в сочетании с высоким уровнем подземных вод, скальным основанием, резкое изменение свойств грунтового массива). Во многих случаях своевременное изменение технологии строительства в процессе выполнения работ позволяло существенно снизить влияние на окружающую застройку.
Существующий объект, для которого имеются
№ в данные по мониторингу технологических оса- Технологические осадки, мм
№ списке Строящийся док
п/п литературы объект Характеристика Фундаменты Расстояние от края траншеи, м Мониторинг
12-14-этажное здание сваи длиной 1416 м 1/8 9
Многоэтаж- 12-14-этажное здание 3,2 8
1 15 ное здание в Большом Каире 12-14-этажное здание 7,8 3
5-этажное здание мелкого заложения (глубиной 23 м) 3,2 7
2-этажное здание 3,2 7
2-3-этажное здание 14
Турецкий Церковные палаты мелкого заложения (глубиной 1,5-4,5 м) 2
2 17 торговый XVII века меньше 3 м
центр, Москва Особняк 2-ой половины XIX века 3
2-3-этажное здание 7
Таблица1. Дополнительные технологические осадки в процессе устройства стены в грунте
(выборочные результаты мониторинга)
Устройство буроинъекционных свай технологических осадок в процессе устройства буроинъекци-
При выполнении научно-исследовательской работы были онных свай на реальных строительных объектах [16; 25-27], рассмотрены и систематизированы результаты измерений некоторые из них представлены в таблице 3.
Таблица 2. Дополнительные технологические осадки в процессе устройства грунтовых анкеров
(выборочные результаты мониторинга)
№ п/п № в списке литературы Строящийся объект Существующий объект, для которого имеются данные по мониторингу технологических осадок Технологические осадки, мм
Характеристика Фундамент Расстояние от ограждения, м Мониторинг
1 2 3 5 б 9 10
1 17 Турецкий торговый центр, Москва Малоэтажная застройка Мелкого заложения, ленточные меньше 3 м 8
18 22
Грунтовый массив, поверхность земли - 15 5
2 28,29 Торгово-раз-влекательный комплекс, Ярцевская ул., 19, Москва б этажное здание Свайный, сваи длиной 16 м. 27 36,8
0=150 мм, ж/б Глубина заложения - 2,8 м 28,6 25,6-26,1
0=300 мм, ж/б Глубина заложения - 1,7 м 12 4,4-31,4
0=2000 мм, ж/б обойма Глубина заложения -4м 5 6,5-142,4
Таблица 3. Дополнительные технологические осадки в процессе устройства буроинъекционных свай
(выборочные результаты мониторинга)
№ п/ п № в списке литературы Название объекта, адрес здания Грунт основания Конструкция фундамента, глубина заложения, состояние Способ бурения Технологические осадки, мм
1 2 3 7 8 9 10
2 16 ЦВЗ «Манеж» Суглинки и пески различной крупности, юрские глины Ленточные, кладка из красного кирпича и рваного камня известняка, удовл. 4=5,27...7,4 ШП 4,9... 5,7
6 26 Московская Консерватория им. П.И.Чайковского Пески мелкие ср.крупности влажные и во-донасыщенные Ленточные из камня известняка Н=3,3м; Столбчатые Н=4,1м Состояние удовлетворит. ПШО 0...3,2
8 база данных* М. Знаменский пер., 3-5, стр.2 (реконстр. зданий ГМИИ им. A.C. Пушкина) Пески мелкие ср. крупности, влажные Ленточные, бутовые, Н = 3,7м состояние неудовлетворит. НПШ 4,0
ШП - бурение шарошкой с промывкой; НПШ - бурение полым шнеком; РИТ - бурение по разрядно-импульсной технологии; ПШО - бурение полым шнеком с опрессовкой
* база данных по мониторингу осадок НИИОСП им. Н.М.Герсеванова
Согласно собранным данным мониторинга, технологические осадки в процессе устройства буроинъекционных свай могут достигать значительных величин - больше 10 см, что необходимо учитывать при проектировании и строительстве. Главными факторами, влияющими на величину осадки, являются инженерно-геологические условия площадки, техноло-
Рис. 1. Способы моделирования откопки
гия устройства буроинъекционных свай и их расположение относительно рассматриваемого объекта.
Расчёт технологических осадок в процессе устройства стены в грунте
Анализ существующих методов расчёта технологических осадок
В результате анализа российской и зарубежной научно-технической базы установлено, что количественная оценка технологических осадок при устройстве стены в грунте траншейного типа производится путём расчёта методом конечных элементов в самых разных геотехнических программах. Моделирование откопки траншеи выполняется двумя способами:
- изменением свойств грунта в пределах траншеи. Данный подход был реализован в работах [12; 15];
- нагрузкой. Данный подход был реализован в работах [13; 19].
Оба подхода к моделированию откопки траншеи проиллюстрированы на рисунке 1.
Численное моделирование процесса устройства стены в грунте
Для апробации методики определения технологических осадок в процессе устройства стены в грунте было выполнено численное моделирование данного процесса с использованием данных площадок строительства многоэтажного здания в Большом Каире и реконструкции ЦВЗ «Манеж» в Москве. Численное моделирование для обоих объектов велось в программном комплексе (ПК) PLAXIS 3D. Принятая модель грунта в расчётах - модель Кулона-Мора. Откопка траншеи моделировалась путём замены грунта в пределах траншеи нагрузкой эквивалентной гидростатическому давлению глинистого раствора. Стадия бетонирования (подвижной бетонной смеси) в расчётах не моделировалась, так как на данной стадии давление на стенки траншеи больше, чем на стадии откопки траншеи и, следовательно, дополнительных осадок окружающего массива грунта не происходит.
Площадка строительства в Большом Каире. План площадки строительства в Большом Каире представлен на рисунке 2. Глубина подошвы стены в грунте от уровня поверхности земли составляет 21 м, ширина - 0,6 м, длина захваток варьируется от 2,7 до 6,7 м. Грунты на площадке представлены песками различной крупности: от пылеватых (до глубины 5 м) до гравелистых и Рис. 3. Схема участка реконструкции ЦВЗ «Манеж» в Москве плотностью от рыхлых (до глубины 5 м) до плотных (с глубины
Таблица 4. Сравнение расчётных технологических осадок с данными мониторинга
Рис. 2. Схема участка строительства в Большом Каире
Объект строительства / реконструкции Максимальная технологическая осадка, мм
Расчёт Мониторинг
Многофункциональный центр в Большом Каире 6,2 6,8
Манеж в Москве 3,2 (средняя осадка - 2,8 мм) 5 (средняя осадка - 3 мм)
от 11 м и ниже). Окружающая застройка представлена пятью зданиями. Расчётная модель объекта, созданная в PLAXIS 3D, включает в себя участок стены в грунте, состоящий из четырёх захваток (длиной 3,5; 6,6 и 6,5 м) и расположенного вблизи данных захваток здания «Е» (двухэтажное здание с фундаментами мелкого заложения глубиной 2-3 м). Расстояние между зданием «Е» и стеной в грунте составляет 3,2 м. Результаты моделирования для данного объекта представлены на рисунке 4.
Площадка реконструкции ЦВЗ «Манеж». План площадки строительства представлен на рисунке 3. Глубина подошвы стены в грунте от уровня поверхности земли составляет 14 м, ширина - 0,6 м. Грунты на площадке до глубины 12,5 м представлены песками различной крупности (от мелких до крупных) средней плотности, ниже до глубины 14,5 м залегают глины пылеватые тугопластичные, с глубины 14,5 м и ниже залегают известняки. Расчётная модель объекта, созданная в PLAXIS 3D, включает в себя участок стены в грунте, состоящий из четырёх захваток длиной 5 м, и расположенный напротив участок ленточного фундамента Манежа с глубиной заложения 6,7 м. Расстояние между стеной в грунте и фундаментами ЦВЗ «Манеж» составляет 4 м. Результаты моделирования для данного объекта представлены на рисунке 5.
В результате моделирования по обоим объектам была получена неплохая сходимость расчётных технологических осадок с результатами мониторинга (табл. 4). Таким образом, подтверждена возможность использования численного моделирования в объёмной постановке для оценки технологических осадок в процессе устройства стены в грунте.
Для выявления основных параметров, влияющих на технологические осадки, для объекта строительства в Большом Каире были выполнены дополнительные расчёты, в которых принимались различные значения следующих параметров:
й - расстояние между траншеей стены в грунте и фундаментом здания;
Ь - длина захватки стены в грунте;
Р - нагрузка по подошве фундамента;
убент - плотность бентонитового раствора.
Базовые значения данных параметров, соответствующие объекту строительства в Большом Каире и результатам моделирования, представленным в таблице 5, равны:
й = 3,0 м;
Ь = 3,5/6,0/6,0/6,5 м (всего четыре захватки, учитываемых в расчётной модели);
Таблица 5. Технологические осадки здания «Е» в зависимости от изменяемых параметров
Изменяемый параметр в базовом расчёте Значение параметра
Расчётная технологическая осадка здания «Е», мм
Расстояние от здания до траншеи, м 1 3* 5
15,1 6,2 3,1
Длина захватки, м 4 захватки (3,5; 6,0; 6,0; 6,5 м)* 2 захватки (9,5 и 12,5 м) 1 захватка длиной 22 м
6,2 13,5 обрушение стенок захватки
Давление по подошве фундамента здания «Е», кПа 200 300* 400
2,0 6,2 13,7
Плотность бентонитового раствора, кн/м3 10,5* 11 11,5
6,2 3,7 2,4
* базовые параметры (фактические для объекта строительства в Большом Каире), соответствующие расчётной технологической осадке здания «Е» равной 6,2 мм
Рис. 4. Осадки фундамента здания «Е» в Большом Каире
Рис. 5. Осадки фундамента ЦВЗ «Манеж» и окружающего
и окружающего грунтового массива в результате устрой- массива грунта в результате устройства стены
ства стены в грунте
в грунте
Р = 300 кПа;
убент = 10,5 кН/м3.
В таблице 5 представлены результаты девяти расчётов с различными значениями параметров Ь,Р и у^. Как видно из данной таблицы, технологическая осадка сильно зависит от всех четырёх изменяемых параметров. Следовательно указанные параметры должны учитываться при оценке влияния устройства стены в грунте на технологические осадки.
Расчёты технологических осадок в процессе устройства грунтовых инъекционных анкеров
Методы расчёта технологических осадок
В результате анализа имеющейся литературы [20-24], можно выделить три способа моделирования устройства грунтовых анкеров методом конечных элементов:
- способ № 1. Снижение прочностных и деформационных характеристик грунта в кластере, моделирующем расположение скважины для устройства анкера;
- способ № 2. Назначение заданного значения объёмных деформаций, связанных с разуплотнением массива грунта вокруг выемки (скважины);
- способ № 3. Моделирование в плоской постановке скважин для устройства грунтовых анкеров цилиндрическими выемками соответствующего диаметра, аналогичными щитовой проходке с заданной величиной перебора (потери) грунта.
Все перечисленные способы моделирования обладают определёнными недостатками:
- способ № 1: необходимость назначения нескольких параметров (у, с, у, Е), определение которых с достаточной степенью достоверности представляется трудновыполнимым с практической точки зрения;
- способ № 2: необходимость назначения двух исходных связанных между собой параметров: геометрическая форма кластера, где изменяется объём, и процент изменения этого объёма. При этом обоснование выбора данных параметров при выполнении расчётов, прогнозирующих развитие технологических осадок, представляется весьма затруднительным;
- способ № 3: большая вариативность величины перебора грунта, которая зависит от множества факторов - типа щита, грунтовых условий, способа проходки и др. По данным различных источников величина перебора грунта может составлять от 9,5 до 50%.
Математическое моделирование технологического процесса устройства инъекционных анкеров Для апробации методики была проведена серия расчётов, выполненных методом конечных элементов в плоской постановке, с применением программного комплекса РЬАХ1Б. Для моделирования технологического воздействия от устройства грунтовых анкеров назначался коэффициент перебора по аналогии со щитовой проходкой. Значение коэффициентов перебора подбиралось таким образом, чтобы значения осадок были близки к результатам мониторинга на реальных строительных объектах.
Моделирование выполнялось для объектов, описанных в статьях [20; 23; 24]. Следует отметить, что в рассмотренных источниках, как правило, рассматриваются случаи, когда осадка окружающего массива грунта или существующего сооружения достигает значений, превышающих допустимые. При этом практически во всех случаях наблюдались аварийные или предаварийные ситуации, после чего пересматривалась технология выполнения работ по устройству анкеров. Исходя из этого, был сделан вывод о том, что решающее значение для минимизации технологических осадок имеет выбор технологии устройства скважины в конкретных грунтовых условиях. Согласно результатам математического моделирования при развитии осадок, соответствующих аварийным ситуациям, процент перебора грунта составлял 60-100% (табл. 6). В связи с этим данные значения перебора могут применяться для моделирования аварийной ситуации при прогнозировании технологических осадок (например, для особо ответственных объектов в сложных грунтовых условиях).
В целом, для прогнозирования технологических осадок следует рассматривать случаи, когда технология выполнения работ выбрана верно и соответствует имеющимся грунтовым
Таблица 6. Сравнительная таблица расчётных параметров с данными мониторинга
Место расположения объекта Номер расчетного сечения Значение осадки по данным мониторинга Результат математического моделирования Значение перебора
Германия 1-1 25-35 мм 38 мм 100%
2-2 10-20 мм 12 мм 100%
3-5 мм 3,4 мм 25%
США (Бостон) 3-3 60 мм 55 мм 100%
Италия (Неаполь) 4-4 20 мм 20 мм 60%
Норвегия (Осло) 5-5 11 мм 10,9 мм 60%
6 мм 5,4 мм 30%
Россия (Москва) -Турецкий торговый центр 6-6 3,3-5,3 мм 4 мм 9,5%
условиям, какие-либо нарушения и аварийные ситуации отсутствуют. Именно в таких условиях можно определить «нормативный» коэффициент перебора, который может быть рекомендован для выполнения прогнозных расчётов. Таким образом, наибольший практический интерес представляет экспериментальная площадка в Норвегии, описанная в статье [22].
Эксперимент заключался в устройстве пяти групп грунтовых анкеров с применением различных технологий изготовления в одинаковых грунтовых условиях и дальнейшем наблюдении за осадками поверхности земли при помощи грунтовых марок и изменением значений порового давления в грунтовом массиве.
Бурение скважин для анкеров выполнялось в глинистых грунтах, при этом корень анкера располагался в скальном массиве. Между глинами и скальными грунтами на отдельных участках располагался слой плотного песка/ моренных отложений. Уровень подземных вод на площадке находился на глубине 0,5 м от поверхности земли. В эксперименте анкеры выполнялись в группах по восемь штук
с поверхности земли под углом 45о к горизонту. Схема экспериментальной площадки и характерный разрез представлены на рисунке 6.
При бурении использовались различные технологии, представленные в таблице 7. Ниже представлены характерные особенности всех представленных методов бурения:
- в процессе бурения мягких глин для всех методов использовалась промывка скважин водой под давлением 5-20 бар с расходом 60 л/мин.;
- сжатый воздух использовался только для первого метода (площадка «В») при бурении через плотные пески / моренные отложения и скальные грунты;
- темп бурения через глину составлял 10-20 с/м для первого метода, 5 с/м для второго, четвёртого и пятого методов и 30-60 с/м для третьего метода.
- скорость вращения бурового инструмента составляла около 60 об/мин для первого, второго и третьего методов, 120 об/мин для четвёртого и пятого методов;
Таблица 7
Участок Метод бурения (см. рис.7) Период бурения Максимальная осадка грунтовой марки №4, мм
А 1 - самозабуриваемый инъекционный анкер типа «Титан» 19.09.2013 - 24.09.2013 5,0
В 2 - Odex 115 йТН (ударное бурение, разбуривание, пневмоочистка скважин) 17.10.2013 - 22.10.2013 11,0
С 3 - Odex 115 йТН (ударное бурение, разбуривание, очистка скважин водой) 27.11.2013 - 02.12.2013 3,0
й 4 - Odex 90/76 - бурение с верхним ударником 16.10.2013 - 17.10.2013 4,0
Е 5 - бурение с предварительным забуриванием обсадной трубы (кольцевым забоем) d = 120 мм и дальнейшей проходкой с верхним ударником 30.10.2013 - 31.10.2013 6,0
Рис. 6. а) план-схема экспериментальной площадки; б) характерный разрез по площадке «В». Условные обозначения: В1... В6 - грунтовые марки; Р19,Р19-2, РИО - датчики порового давления.
- в пятом методе скважина заполнялась цементным раствором (В/Ц = 0,4) до поверхности, после чего извлекалась обсадная труба.
На поверхности земли вдоль оси анкеров были установлены грунтовые марки на глубине 1,5-2,0 м (рис. 6. В1...В6). Наибольшие осадки были зафиксированы на участке, где при бурении скважин применялась очистка забоя сжатым воздухом, и достигли 11 мм (площадка В), а на остальных участках осадки не превышали 6 мм (табл. 7).
Математическое моделирование экспериментальной площадки (по сечению А-А на рис. 6) выполнялось в двумерной постановке с использованием программного комплекса PLaxis. Принятая модель грунта в расчётах - упруго-пластичная Кулона-Мора. Основные результаты расчётов представлены на рисунке 8.
На рисунке 8 показаны изополя общих перемещений массива грунта при моделировании перебора в скважинах 30%. Значения вертикальных перемещений массива снижаются по мере удаления от скважин, на поверхности осадка составляет 5,4 мм.
Согласно результатам дальнейшего математического моделирования, осадка поверхности грунтового массива достигает значений 10,9 мм при значении перебора грунта в скважинах равном 60%.
Рис. 7. Буровые долота для проходки скважин: слева - для анкеров типа «Титан», справа - для системы «Odex 115»
Полученные при моделировании значения осадок близки к результатам мониторинга экспериментальной площадки, на основании чего можно сделать вывод, что вышеуказанные значения перебора могут использоваться при прогнозировании технологических осадок в аналогичных грунтовых условиях и при выборе технологии устройства анкеров.
Кроме того, следует отметить, что в зависимости от технологии бурения значения перебора грунта могут отличаться в два и более раз (30-60%) в одних и тех же грунтовых условиях и параметрах выработок.
Также был рассмотрен опыт успешного применения анкерного крепления на объекте строительства Турецкого торгового центра в Москве [24]. К площадке строительства ТТЦ примыкают 14 зданий, в основном 2-3-этажных. Пять зданий (№ 1-5) практически расположены на бровке котлована (расстояние до ограждающей конструкции не превышает трёх метров).
Крепление ограждающей конструкции «стена в грунте» осуществлялось тремя рядами инъекционных предварительно напряжённых временных анкеров длиной 20 м (1-й и 2-й ярусы) и 16 м (3-й ярус), а также с помощью распорок (там, где это возможно). Длина корневой части всех анкеров - 8 м, диаметр - 150 мм. Грунтовые условия были представлены в основном песками, местами рыхлыми, и супесями, проявляющими тиксотропные свойства.
На данном объекте были выделены осадки массива грунта, произошедшие исключительно вследствие устройства анкеров (грунтовые марки были установлены за зоной деформаций, вызванных перемещением ограждающей конструкции).
На рисунке 9 представлены результаты расчёта перемещения грунта при устройстве анкеров по сечению В-В, расположенному на расстоянии 1 м от верхнего анкера. По результатам обратного расчёта был получен коэффициент перебора 9,5%, соответствующий значению для проходки щита с открытым забоем.
В результате расчётов получено, что осадка грунта при устройстве одного анкера составит 2 мм, при устройстве двух анкеров (сечение В-В) - 4 мм. При увеличении количества рядов анкеров или уменьшении расстояния между ними следует ожидать увеличение осадки вышерасположенного грунта.
.....i.........i........i.........i.........i.........i...................
а) —
б)
Рис. 8. Экспериментальная площадка в Норвегии. Общие Рис. 9. а) эпюра общих перемещений грунтового массива перемещения массива грунта при переборе грунта в сква- в процессе устройства анкеров; б) эпюра общих перемеще-
жинах 30%. S = 5,4 мм
ний массива грунта по линии В-В
136 4 2016
Следует отметить, что на строительстве ТТЦ работы выполнялись без нарушений технологии (бурение осуществлялось под защитой обсадных труб), и осадки близлежащих зданий от всех видов работ, включая устройство анкеров, не превысили предельно допустимых значений. Расчётные значения осадок достаточно близки к результатам мониторинга, поэтому представляется, что величины перебора порядка 9-10% являются справедливыми для моделирования грунтовых анкеров в данных грунтовых условиях.
Таким образом, для моделирования технологических осадок от устройства анкеров можно рекомендовать проведение расчётов с учётом перебора грунта от 10 до 60%. Если при максимальном значении перебора грунта до 60% дополнительная осадка не превышает предельно допустимое значение, результаты расчёта можно считать удовлетворительными. В случае, если при минимальном значении перебора грунта дополнительные осадки фундаментов превышают предельно допустимые значения, следует изменить технологию выполнения работ по устройству анкеров, либо откорректировать проектное решение по типу крепления ограждения котлована, отказавшись от применения грунтовых анкеров.
Методика оценки технологической осадки в процессе устройства буроинъекционных свай
Анализируя причины возникновения технологических осадок в процессе устройства буроинъекционных свай, можно выделить два блока параметров, определяющих их конечную величину. Первый - это свойства объекта, на который оказывается воздействие в процессе устройства свай, и второй - технология производства буроинъекционных свай.
Рассмотрев все возможные факторы, влияющие на наличие и величину технологической осадки, можно выделить два основных в наибольшей степени воздействующих на грунт основания, а именно:
- технология устройства буроинъекционных свай;
- инженерно-геологические условия.
В качестве технологий, определяющих величину технологической осадки фундамента в процессе устройства буроинъекционных свай усиления, принимаем бурение полым шнеком (НПШ) и бурение шарошкой с промывкой буровым бентонитовым раствором. Для бурения полым шнеком предложено выделить разрядно-импульсную технологию (РИТ), устройство буроинъекционно-компенсационных свай (БКС) и традиционную технологию согласно СП 45.13330.2012 [2]. Кроме этого, считаем необходимым отдельно выделить технологические осадки в процессе бурения тела фундамента при устройстве буроинъекционных свай усиления в зависимости от способа бурения - шарошечного с промывкой или алмазной коронкой.
В качестве инженерно-геологических условий предлагаем рассматривать бурение в песчаных грунтах и в глинистых, считая параметр сцепления основным для удерживания стенок при бурении скважин.
Величины дополнительных технологических осадок в процессе устройства буроинъекционных свай (без бурения тела фундамента) представлены в таблице 8, величины технологических осадок в процессе бурения тела фундаментов - в таблице 9. Общая технологическая осадка равняется сумме двух указанных осадок.
Апробация разработанной методики оценки технологических осадок выполнена на примере устройства буроинъекционных свай при реконструкции Политехнического музея в Москве.
Здание Политехнического музея - 4-5-этажное с габаритами в плане 208х67 м. Под всем зданием имеется подвал. Высота подвала переменная - 2,8-3,2 м, заглубление от поверхности земли - 3,3-4,2 м. Фрагмент продольного разреза музея представлен на рисунке 10.
Стены музея кирпичные, перекрытия - кирпичные своды, железобетонные своды по стальным балкам, деревянные и железобетонные. Фундаменты музея - мелкого заложения, ленточные под стены и столбчатые под колонны. Фундаменты выполнены преимущественно из кирпичной и бутовой кладки, абсолютная отметка подошвы составляет 143,00-146,90 м.
Таблица 8. Дополнительные технологические осадки в процессе устройства буроинъекционных свай усиления
(без бурения тела фундамента)
Бурение полым шнеком Бурение шарошкой с промывкой
Песок Глина Песок Глина
Общепринятая технология Сваи РИТ Сваи БКС Общепринятая технология Сваи БКС
7-15 5-8 2-3 4-6 <2 3-6 2-3
Таблица 9. Дополнительные технологические осадки в процессе бурения тела фундамента
Бурение шарошкой с промывкой буровым раствором Бурение с применением алмазной коронки
2-4 0
В геоморфологическом отношении площадка здания Политехнического музея расположена на поверхности III надпойменной террасы реки Москвы. Площадка характеризуется абсолютными высотными отметками поверхности земли 149,06-152,62 м.
В геологическом отношении участок характеризуется развитием толщи современных аллювиальных, среднечетвертич-ных ледниковых и водно-ледниковых отложений (aQIV, gQndn, fQIIok-dn), перекрытых сверху техногенными грунтами (tQIV) и подстилаемых отложениями верхнего отдела юрской системы (J3). Непосредственно под подошвой фундаментов музея залегают насыпные грунты, аллювиальные пылеватые пески средней плотности и водно-ледниковые тугопластичные суглинки.
Первый от поверхности постоянный надъюрский горизонт подземных вод вскрыт на глубине 1,0-8,3 м от уровня пола подвала и 8,1-15,3 м от уровня поверхности земли (абс. отм. 134,23-145,32 м). Водовмещающими грунтами являются флювиогляциальные пески окско-днепровского интервала. Нижним водоупором служат флювиогляциальные суглинки окско-днепровского интервала и юрские глины. Воды ненапорные и напорные.
Проект реконструкции музея предусматривает усиление существующих фундаментов, освоение подземного пространства под частью здания, перекрытие пространства внутренних дворов и другие работы.
Фундаменты усиливаются буроинъекционными сваями диаметром 250 мм длиной 15 и 18 м. Для устройства под-
земной части выполняются ограждения котлованов в виде буроинъекционных свай диаметром 250 мм длиной 12 м. Сваи усиления и ограждения, в основном, выполняются по технологии НПШ - полым шнеком. Сваи усиления выполняют через тело фундамента под углом 10 град и вертикально с использованием приставного ростверка (рис. 11). Сваи ограждения располагаются на расстоянии 0,5...1,0 м от фундаментов, устраиваются вертикально. Бурение через тело фундамента осуществляется алмазной коронкой.
Для апробации методики оценки технологических осадок был взят временной интервал с 1 июля по 15 октября 2015 года, когда НИИОСП им. Н.М. Герсеванова проводил работы по научно-техническому сопровождению проектирования и строительства. В этот период сваи выполнялись на участках, грунт основания которых не был подвержен разуплотнению от проводившихся ранее работ по устройству свай. В соответствии с результатами мониторинга, осадка фундаментов при устройстве свай усиления составила 9 мм, при устройстве свай ограждения - 6...10 мм.
С учётом используемой технологии бурения (НПШ) и того, что бурение под подошвой фундаментов велось преимущественно в песчаных грунтах, дополнительная технологическая осадка, определённая по таблице 5, составляет 7..15 мм. Полученное значение технологической осадки хорошо корреспондирует с результатами мониторинга (6...10 мм). Таким образом, разработанная методика оценки осадки фундамента в процессе устройства буроинъекционных свай апробирована.
Рис. 10. Фрагмент продольного разреза Политехнического музея (после реконструкции)
Сваи усиления
Рис. 11. Усиление фундаментов музея козловыми сваями и вертикальными сваями с приставными ростверками
Предложения по использованию полученных результатов при разработке документов
По итогам исследования были разработаны предложения по использованию полученных результатов при разработке нормативных, технических и организационно-методических документов по определению технологических осадок существующих зданий и сооружений. В частности, при актуализации СП 22.13330.2011 [1] было предложено внести следующие рекомендации.
• Величину дополнительной технологической осадки в процессе устройства «стены в грунте» для окружающей застройки (при расстоянии от котлована до сооружений окружающей застройки менее 5 м) следует определять расчётом путём численного моделирования, учитывающим следующие параметры: расстояние между фундаментом здания и стеной в грунте, длину захватки стены в грунте, давление по подошве фундамента и плотность бентонитового раствора. Величину технологической осадки также допускается определять методом аналогий на основании результатов геотехнического мониторинга, выполненного на аналогичных площадках со схожими грунтовыми условиями.
• Величину дополнительных технологических осадок от устройства грунтовых анкеров следует выполнять расчётом путём численного моделирования в плоской постановке,
рассматривая скважины для устройства анкеров как выемки круглого сечения с заданным процентом перебора грунта. Значения перебора грунта допускается назначать методом аналогий на основании выполнения мониторинга и обратных расчётов на аналогичных площадках с идентичными грунтовыми условиями, либо по результатам выполнения работ на опытной площадке.
• Технологическая осадка от бурения скважины по грунту для буроинъекционных свай усиления определяется из таблицы 8 путём выбора рекомендуемого значения в зависимости от метода бурения - шарошкой с промывкой бентонитовым раствором или полым шнеком - по общепринятой технологии, с применением разрядно-импульсной технологии (РИТ) или по технологии буроинъекционно-компенсационной сваи (БКС) для песчаных или глинистых грунтов. Грунт основания рекомендуется определять следующим образом: в случае наличия в 5-метровой зоне под подошвой фундаментов песчаных грунтов, составляющих по толщине слоёв более 20% грунтового напластования, грунт для оценки технологических осадок следует принимать как песчаный, а менее 20% - глинистый.
Для определения технологической осадки в процессе устройства свай усиления следует отдельно определить осадку фундамента от бурения скважины по грунту по таблице 8 и бурения тела фундамента по таблице 9.
Для свай, расположенных на некотором удалении от фундамента (например, в качестве ограждения или защитной стенки), величину технологической осадки рекомендуется определять путём следующей интерполяции: для свай, выполненных вплотную к фундаментам, значения осадок принимать по таблице 5, на удалении 5 м - технологическое влияние от устройства буроинъекционных свай сводится к нулю. Промежуточные значения осадок фундаментов принимать по интерполяции.
Литература
1. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений.
2. СП 45.13330.2012. Земляные сооружения, основания и фундаменты.
3. ТСН 50-302-2004. «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге».
4. ТСН 50-304-2001. «Основания, фундаменты и подземные сооружения. г. Москва».
5. ТСН-50-306-2005. «Основания и фундаменты повышенной несущей способности».
6. СТП 014-2001. «Конструкция и технология сооружения траншейных стен в грунте для объектов транспортного строительства» / «Трансстрой».
7. СТО 36554501-017-2009. Проектирование и устройство монолитной конструкции, возводимой способом «стена в грунте» / НИЦ «Строительство».
8. EN 1997-1:2004. Геотехническое проектирование. Часть 1. Общие правила.
9. EN 1535/АС:2000, EN 1537:1999. Работы геотехнические специальные. Анкеры грунтовые. Правила производства работ - Execution of special geotechnical work - ground anchors.
10. EN ISO 22477-5. Геотехническая разведка и исследование — проверка геотехнических сооружений и частей сооружений — часть 5: Испытания анкеров.
11. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты.
12. Comodromos E.M., Papadopoulou M.C., Konstantinidis G.K. Effects on adjacent buildings from diaphragm wall installation. Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. - Paris, 2013
13. Th. Triantafyllidis, R. Schafer. Impact of diaphragm wall construction on the stress state in soft ground and serviceability of adjacent foundations. Proceedings of the 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Madrid, Spain, 24-27 September 2007.
14. K. Morton, R.W.Cater, L. Linney. Observed settlements of building adjacent to stations constructed for the modified initial system of mass transit system of the mass transit railway, Hong Kong. Proceedings of the 6th southeast asian conference on soil engineering 19-23 may, 1980, Taipei.
15. Ahmed Hosny Abdel-Rahman, Sayed Mohamed El-Sayed. Spatial stress deformation analysis for installation of a diaphragm wall. Ain Shams University Faculty of Engineering. Scientific bulletin. Vol.37, No. 3, September, 2002.
16. Ильичёв, В.А. Реконструкция центрального выставочного зала Манеж / В.А. Ильичёв, В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачева // Российская архитектурно-строительная энциклопедия. - М.: ОАО «ВНИИНТПИ». - Т. XII. - 2008.
17. V.P. Petrukhin, O.A. Shuljatjev, O.A. Mozgacheva. Effect of geotechnical work on settlement of surrounding buildings at underground construction. Proceedings of the 13th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. - Prague, 2003.
18. Петрухин, В.П. Новые способы геотехнического проектирования и строительства / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачёва // науч. изд. - М., 2015. - С. 92-97.
19. S.M. Gourvenec, W. Powrie. Three-dimensional finite-element analysis of diaphragm wall installation. 1999. Geotechnique 49, № 6, 801-823.
20. Kempfert, H.G. & Gebresellassie, B. 1999. Effects of anchor installation on settlement of nearby structures in soft soils. Proceedings of the international symposium on geotechnical aspects of underground consructions in soft ground, 665-670. Tokyo / Japan 19-21 Jily 1999.
21. Langford, J., Karlsrud, K. & Lande, E.J. 2014. Causes of unexpectedlarge settlements due to deep excavations in clay. XVI European conference on soil Mechanics and Geotechnical Engineering 2015.
22. E.J. Landeand K. Karlsrud. Full scale field test - drilling of anchors to bedrock in soft clay. Proceedings of the XVI ECSMGE. - Edinburgh, 2015.
23. L. de Sanctis, A. Mandolini. Finite element analysis of the excavation of the new Garibaldi station of Napoli underground. Proceedings of the International Conference on Numerical Simulation of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Environment, 23/24 March 2006, Bochum, Germany.
24. Kostantakos, D.C., Whittle Carlos Regaldo, A.J., Scharner, B. Control of ground movements for multilevel-anchored, diaphragm wall during excavations. Proceedings of the Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. New York, NY, April 13-17, 2004.
25. Ильичев, В.А. Реконструкция фундаментов здания Старого Гостиного Двора в Москве и сопровождающий ее мониторинг / В.А. Ильичев, П.А. Коновалов, Б.В. Бахолдин, Н.С. Никифорова // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1998. - №4-5.
26. Петрухин, В.П. Опыт устройства буроинъекционных свай при реконструкции Московской консерватории им. П.И. Чайковского / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, И.К. Попсуенко, О.А. Мозгачева // Юбилейный сборник научных трудов (к 80-летию НИИОСП). - М., 2011.
27. Попсуенко, И.К. Особенности устройства фундаментов при расширении обогатительной фабрики горного комбината в г. Старый Оскол // И.К. Попсуенко, Н.Г. Чурилов, А.В. Баш-катов. - М., 2009.
28. Ильичёв, В.А. Анкеры с дополнительной цементацией как активный метод защиты зданий и коммуникаций в зоне влияния глубоких котлованов / В.А. Ильичев, Н.С. Никифорова, Ю.А. Гот-ман, Е.Ю. Трофимов / Жилищное строительство. - 2014. - № 6.
29. Mothersille D., Duzceer R., Gokalp A., Okumusoglu B. Support of 25 m deep excavation using ground anchors in Russia. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 2014.
Literatura
1. SP 22.13330.2011. Osnovaniya zdanij i sooruzhenij.
2. SP 45.13330.2012. Zemlyanye sooruzheniya, osnovaniya i fundamenty.
3. TSN 50-302-2004. «Proektirovanie fundamentov zdanij i sooruzhenij v Sankt-Peterburge».
4. TSN 50-304-2001. «Osnovaniya, fundamenty i podzemnye sooruzheniya. g. Moskva».
5. TSN-50-306-2005. «Osnovaniya i fundamenty povyshennoj nesushhej sposobnosti».
6. STP 014-2001. «Konstruktsiya i tehnologiya sooruzheniya transhejnyh sten v grunte dlya ob'ektov transportnogo stroitel'stva» / «Transstroj».
7. STO 36554501-017-2009. Proektirovanie i ustrojstvo monolitnoj konstruktsii, vozvodimoj sposobom «stena v grunte»/ NITS «Stroitel'stvo».
8. EN 1997-1:2004. Geotehnicheskoe proektirovanie. Chast' 1. Obshhie pravila.
9. EN 1535/AS:2000, EN 1537:1999. Raboty geotehnicheskie spetsial'nye. Ankery gruntovye. Pravila proizvodstva rabot -Execution of special geotechnical work - ground anchors
10. EN ISO 22477-5. Geotehnicheskaya razvedka i issledovanie
- proverka geotehnicheskih sooruzhenij i chastej sooruzhenij
- chast' 5: Ispytaniya ankerov
11. SP 24.13330.2011. Svajnye fundamenty
16. H'ichev V.A. Rekonstruktsiya tsentral'nogo vystavochnogo zala Manezh / V.A. Il'ichev, V.P. Petruhin, O.A. Shulyat'ev, O.A. Mozgacheva // Rossijskaya arhitekturno-stroitel'naya entsiklopediya. - M.: OAO «VNIINTPI». - T. XII. - 2008.
18. Petruhin V.P. Novye sposoby geotehnicheskogo proektirovaniya i stroitel'stva / V.P. Petruhin, O.A. Shulyat'ev, O.A. Mozgacheva // nauch. izd. - M., 2015. - S. 92-97.
25. Il'ichev V.A. Rekonstruktsiya fundamentov zdaniya Starogo Gostinogo Dvora v Moskve i soprovozhdayushhij ee monitoring / V.A. Il'ichev, P.A. Konovalov, B.V. Baholdin, N.S. Nikiforova // Osnovaniya fundamenty i mehanika gruntov. -1998. - №4-5.
26. Petruhin V.P. Opyt ustrojstva buroin'ektsionnyh svaj pri rekonstruktsii Moskovskoj konservatorii im. P.I. Chajkovskogo / V.P. Petruhin, O.A. Shulyat'ev, I.K. Popsuenko, O.A. Mozgacheva // Yubilejnyj sbornik nauchnyh trudov (k 80-letiyu NIIOSP).
- M., 2011.
27. Popsuenko I.K. Osobennosti ustrojstva fundamentov pri rasshirenii obogatitel'noj fabriki gornogo kombinata v g. Staryj Oskol // I.K. Popsuenko, N.G. Churilov, A.V. Bashkatov.
- M., 2009.
28. Il'ichev V.A. Ankery s dopolnitel'noj tsementatsiej kak aktivnyj metod zashhity zdanij i kommunikatsij v zone vliyaniya glubokih kotlovanov / V.A. Il'ichev, N.S. Nikiforova, Yu.A. Gotman, E.Yu. Trofimov // Zhilishhnoe stroitel'stvo. -2014. - № 6.
