CC BY
61Раздел 1. Экономика строительства
УДК 691.059.327.4
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КРЕПЛЕНИЯ СТЕН КОТЛОВАНОВ
ГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Акимов Ф.Н., Акимова Э.Ш.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), ФГАОУ ВО КФУ им. В.И.Вернадского, 295943, г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-mail: fevzi.akimov53@mail.ru, akimova.e.sh@mail.ru
Аннотация. В современных мегаполисах большая часть гражданских зданий и сооружений строятся заглубленными. Будь-то торговые центры, жилые здания или другие гражданские объекты, все они, находясь в мегаполисе, требуют подземной парковки, технических этажей и других помещений, которые можно «спрятать» ниже уровня земли. В основе строительства подземной части здания лежит устройство котлована. Стены котлованов подвергаются воздействию физических и геотехнических факторов, вследствие которых может произойти их обрушение. Такими факторами являются активное и пассивное давления грунта, гидростатическое давление воды, технологические нагрузки на бровке и дне котлована. Для котлованов с повышенной заглубленностью и неблагоприятными геологическими условиями необходимо устройство ограждающих конструкций стен и их усиление. Крепление стен котлованов в различных условиях может осуществляться с помощью различных систем. Целью исследования является выявление наиболее выгодного варианта крепления стен котлованов глубокого заложения для конкретного объекта-представителя.
Ключевые слова: котлован, крепление стен котлована, фундамент глубокого заложения, шпунтовое ограждение, грунтовые анкеры, подкосная система, распорная система «стена в грунте».
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях освоение подземного пространства может, по праву, считаться одним из важнейших и динамично развиваемых направлений в гражданском и промышленном строительстве. Значительную роль подземное строительство играет и в России. Наиболее широко строительство подземных и заглубленных сооружений ведется на территориях крупных городов и мегаполисов. Основными факторами, способствующими необходимости использования подземного пространства городов, являются как нехватка свободных территорий в условиях исторически сформировавшейся застройки, так и требования развития городской инфраструктуры. Сегодня подземное пространство городов используется не только для размещения инженерных коммуникаций и объектов транспортного строительства, но также для строительства комплексов общественно-бытового назначения, многоэтажных подземных гаражей и стоянок, предприятий торговли, помещений заглубленных частей жилых и офисных зданий.
Подавляющее большинство подземных и заглубленных городских объектов гражданского назначения компактных в плане, а также линейных сооружений малых глубин заложения устраивается открытым или полузакрытым способом в котлованах. При этом ежегодный объем таких объектов подземного строительства в России и за рубежом неуклонно растет, возрастает и масштаб реализуемых объектов строительства. Современная тенденция роста габаритов строящихся подземных и заглубленных сооружений, устраиваемых в котлованах, позволяет сделать вывод о том, что при большом увеличении в среднем количества подземных этажей и глубины заложения, эти показатели за последние годы стремятся побить свои рекорды. Технические возможности для роста глубины проектируемых котлованов и увеличения количества подземных этажей в настоящее время, безусловно, существуют. Однако эти показатели сдерживаются такими факторами как: экономическая целесообразность, комфортность пребывания в подземных помещениях, влияние на окружающую застройку и гидрогеологические условия.
В основе строительства подземной части здания лежит устройство котлована. Стены котлованов подвергаются воздействию физических и геотехнических факторов, вследствие которых может произойти их обрушение. Такими факторами являются активное и пассивное давления грунта, гидростатическое давление воды, технологические нагрузки на бровке и дне котлована. Для котлованов с повышенной заглубленностью и неблагоприятными геологическими условиями необходимо устройство ограждающих конструкций стен и их усиление. Крепление стен котлованов в различных условиях может осуществляться с помощью различных систем.
Наиболее распространено крепление бортов котлованов дискретно размещаемыми сваями или шпунтовыми стенками.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ
Для усиления креплений бортов глубоких котлованов принято использовать распорки, подкосы и грунтовые анкеры. Крепление ограждений котлованов грунтовыми анкерами малого диаметра (0,114-0,150 мм) и большой несущей способности (300-1000 кН) является достаточно новым видом строительных конструкций, так как применяется в практике отечественного строительства лишь в последние 30 лет. В тоже время, в таких странах как Франция, Германия, Англия, США, Япония, Чехословакия, Польша и др. анкерное крепление нашло широкое распространение уже в 60-е годы 20 в. В последнее время известные конструкции и технологии устройства анкеров пополнились новыми, соответствие которых предъявляемым требованиям остается малоизученным. Одновременно возникает ряд вопросов по показателям работоспособности и надежности системы «ограждение-анкер-грунт». Это требует дополнительных исследований по обеспечению прочности и устойчивости конструкции крепления котлованов и оценке несущей способности анкеров.
Уточнение существующих методов расчета заанкеренных стен и стен с подкосной и распорной системой в части определения бокового давления грунта и продольных усилий в анкерах и подкосно-распорных системах представляет собой весьма сложную задачу [1, 2]. Такие вопросы, как точный учет активного давления грунта, оптимальная глубина погружения шпунта, форма упругой линии, перераспределение давления грунта по высоте стенки, условия «заделки» шпунта, взаимодействие стенки с грунтом засыпки в условиях допредельного и предельного состояний и другие, до настоящего времени остались не выясненными, а существующие теории и научные предположения, основанные в большинстве случаев на лабораторных исследованиях, и еще недостаточно отражают действительную работу конструкций [3].
Вопросы исследования давления грунта на подпорные стенки и выявления особенностей их работы отражены в трудах многих известных авторов [4-9].
В современных условиях при наличии огромного числа программно-вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов и расчета конструкций как без учета, так и с учетом физической нелинейности, ситуация в части расчета подпорных стен и ограждений глубоких котлованов по классическим методам расчета становится недопустимой. Также стоит отметить, что современные программные комплексы позволяют оценить развитие деформаций и распределения внутренних усилий в элементах конструкции поэтапно с учетом последовательности выемки грунта из котлована.
Анализ научных работ отечественных и зарубежных ученых [10-15] по данной теме также показывает, что результатов по исследованию различных конструктивных решений крепления стен глубоких котлованов не достаточно.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является сравнение и выявление наиболее технико-экономически выгодного варианта крепления стен котлованов глубокого заложения.
Поставленная цель определила ряд более конкретных задач исследования:
- рассмотреть различные варианты, предложить методику и выполнить расчет совместной работы грунта и различных конструктивных решений крепления стен глубокого котлована;
- сравнить технико-экономические показатели стоимости, трудоемкости и продолжительности проведения работ по различным видам крепления стен глубокого котлована на объекте-представителе, для выявления наиболее выгодного варианта крепления;
- дать рекомендации по сокращению затрат при креплении стен глубокого котлована, применительно к объекту-представителю, за счёт использования наиболее выгодного варианта;
- сформировать рекомендации по использованию различных методов крепления в конкретных ситуациях.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ С РЕЗУЛЬТАТАМИ И ИХ АНАЛИЗОМ
Строительство подземных сооружений открытым способом может осуществляться как в котлованах без крепления, борта которых сформированы под углом естественного откоса грунта,
так и в котлованах, подкрепленных ограждающими конструкциями. Устройство котлованов в откосах является наиболее простым и, как правило, более экономичным решением, однако применение этого способа мо жжет повлечь множество ограничений, особенно в условиях стесненной городской застройки [8]. Ограничением, в первую очередь, является требуемая глубина котлована. При увеличении глубины заложения следует делать более пологие откосы, занимаемая площадь и объемы разработанного в отвал грунта существенно возрастают, что делает этот способ нецелесообразным или невозможным в силу ограниченности площадки. Существенно осложняют применение этого метода подземные воды, так как становится необходимым использование строительного водопонижения. Поэтому котлованы в откосах обычно устраиваются в условиях отсутствия застройки при глубоком залегании уровня подземных вод.
В настоящее время существует следующие способы крепления стен котлованов: дискретно расположенные забивные и буровые сваи, стена в грунте, шпунтовые стенки различных конструкций, струйная цементация, нагели, армирование грунта, набрызг -бетонные стены и т.д. Эффективность применения тех или иных конструкций в каждом конкретном случае зависит от градостроительных, геологических, гидрогеологических, технологических и других условий строительной площадки. Наиболее распространено крепление бортов котлованов дискретно размещаемыми сваями. Обычно в качестве свай используют - трубы повторного применения и новые двутавровые балки (называемые шпунтами).
На территории Российской Федерации наиболее часто применяется ограждение котлованов при помощи дискретно расположенных забивных свай, стен в грунте, образованных буровыми сваями и шпунтовых ограждений. Максимальная глубина котлованов, проектируемых в городских условиях, обычно не превышает 25-30 м, а количество подземных этажей - пяти-шести. В Москве наиболее глубокие котлованы выполнены на территории Международного делового центра «Москва-Сити» (рис. 1), их максимальная глубина составляет до 26 м. В Москве разрабатывался котлован глубиной до 30 м для строительства многофункционального комплекса на площади Павелецкого вокзала, включающего шесть подземных уровней. Классификация современных методов крепления котлованов при строительстве подземных сооружений открытым способом приведена на рисунке 2.
Рис. 1. Котлован Центрального ядра Международного центра «Москва-Сити» (1999)
Рис. 2. Классификация современных методов крепления котлованов
Применительно к объекту представителю, который находится в Санкт-Петербурге, по улице Абросимова, его конструктивно-технологическим особенностям, а также согласно типам грунтов находящимся под пятой здания, разрезу по котловану и грунтовой толще, уровнем грунтовых вод и т.д., проанализировав существующие способы крепления стен глубоких котлованов, было принято решение запроектировать крепление стен глубокого котлована в следующих вариантах (рис. 3-6): Вариант 1. Распорная система крепления стен глубокого котлована; Вариант 2. Подкосная система крепления стен глубокого котлована; Вариант 3. Крепление стен глубокого котлована по технологии «стена в грунте»; Вариант 4. Крепление стен глубокого котлована грунтовыми анкерами.
Затем была разработана методика линейного расчета, различных конструктивных решений крепления стен глубоких котлованов. На основании линейного расчета построенных моделей определен характер силовых воздействий от комбинации нагрузок, получены деформированные схемы конструкции, а также усилия, возникающие в конструкциях крепления стен глубокого котлована. Результаты расчетов не превышают допустимые нормативные значения.
Основные параметры котлована и вариантов конструктивных параметров устройства его стен, для организационно-технологических и экономических расчётов, были взяты по четырём видам крепления стен глубокого котлована.
Рис. 3. Распорная система крепления стен глубокого котлована: 1 - шпунтовое ограждение; 2 - обвязочная балка; 3 - распорки
2 3
Рис. 4. Подкосная система крепления стен глубокого котлована: 1 - шпунтовое ограждение; 2 - обвязочная балка; 3 - подкосы
\
Рис. 5. Крепление стен глубокого котлована по технологии «стена в грунте»: 1 - шпунтовое ограждение в виде железобетонной стены
Рис. 6. Крепление стен глубокого котлована грунтовыми анкерами: 1 - шпунтовое ограждение; 2 - крепление грунтового анкера к обвязке; 3 - грунтовые анкеры
Для определения наиболее рационального вида крепления стен котлованов глубокого заложения, была составлена калькуляция на основные процессы устройства крепления стен котлованов глубокого заложения, составлен график выполнения работ и выполнен сметный расчёт по всем четырём вариантам. Сравнение проводилось по следующим показателям: трудоёмкость устройства крепления стен глубокого котлована, продолжительность крепления стен, заработная плата рабочих, сметная стоимость крепления стен, материалоёмкость, машиноёмкость, фонд оплаты труда (ФОТ), накладные расходы и сметная прибыль. График был построен с учётом совмещения процессов (поточный метод), для сокращения продолжительности работ. Количество рабочих для подсчета продолжительности выполнения работ принималось согласно ЕНиР по соответствующим процессам. Согласно технологическим расчетам, были просуммированы принятая трудоёмкость по различным вариантам устройства крепления стен котлованов глубокого заложения (рис. 7). По графику видно, что наименее трудоёмким является вариант с устройством подкосной системы крепления стен, а наиболее трудоемким является вариант крепления стен глубокого котлована по технологии «стена в грунте».
Продолжительность выполнения работ устройства стен глубокого котлована (рис. 8) была
получена построением графиков процессов по устройству различных вариантов устройства стен котлована. Согласно графику наименее продолжительным по устройству является вариант крепления стен глубокого котлована грунтовыми анкерами, а наиболее продолжительный является вариант с распорной системой крепления стен глубокого котлована.
Показатели ожидаемой стоимости и заработной платы по устройству различных видов крепления стен котлована глубокого заложения применительно к объекту представителю определялись с использованием программного комплекса для сметных расчетов "ГОССТРОЙСМЕТА". Заработная плата рабочих (рис. 9) при устройстве различных вариантов крепления стен глубокого котлована, наименьшая оказалась при устройстве варианта с подкосной системой крепления стен глубокого котлована, а наибольшей при варианте крепления стен глубокого котлована по технологии «стена в грунте».
Рис. 7. Трудоёмкость устройства различных вариантов крепления стен глубокого котлована, чел.-дней
90 80 70 60 50 40 30 20 10 о
78
■ 61
■ 1 47
Ш ш
ш ш
ш ш
ш ш
. ш . ш .
Вариант 1. Распорная Вариант 2. Подкосная Вариант 3. Крепление Вариант 4. Крепление система крепления система крепления стен глубокого стен глубокого
стен глубокого стен глубокого котлована по котлована грунтовыми
котлована котлована технологии «стена в анкерами
грунте»
Рис. 8. Продолжительность устройства различных вариантов крепления стен глубокого котлована, дни
Рис. 9. Заработная плата рабочих при устройстве различных вариантов крепления стен глубокого котлована, тыс. руб.
80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
68414,6
50757,2 49002,7 50875,6
■ 1 1
■ ■
■ ■
■ ■
■
Вариант 1. Распорная Вариант 2. Подкосная Вариант 3. Крепление Вариант 4. Крепление система крепления система крепления стен глубокого стен глубокого
стен глубокого стен глубокого котлована по котлована грунтовыми
котлована котлована технологии «стена в анкерами
грунте»
Рис. 10. Сметная стоимость устройства различных вариантов крепления стен глубокого котлована, тыс. руб.
Сметная стоимость устройства крепления стен глубокого котлована под конкретное многоэтажное жилое здание выглядит следующим образом (рис. 10): наименьшую стоимость имеет вариант с подкосной системой крепления стен глубокого котлована. Вариант с распорной системой крепления стен глубокого котлована и вариант с креплением стен глубокого котлована грунтовыми анкерами практически одинаковы по стоимости, и вариант с креплением стен глубокого котлована по технологии «стена в грунте» имеет по сравнению с другими вариантами имеет наибольшую стоимость.
Анализируя структуру сметной стоимости различных вариантов устройства стен глубокого котлована под многоэтажное жилое здание (рис. 11 -14), можно сделать вывод, что материалоёмкость при креплении стен котлована распорками, подкосами и анкерами, находится в районе 90% приблизительно в равных долях. Материалоемкость при устройстве «стены в грунте» значительно меньше по сравнению с другими вариантами и составляет 3,6%. Машиноёмкость при устройстве «стены в грунте» значительно больше по сравнению с другими вариантами и находится на уровне 82,6%.
Рис. 11. Структура сметной стоимости распорной системы крепления стенок глубокого котлована, %
Рис. 12. Структура сметной стоимости подкосной системы крепления стен глубокого котлована, %
Рис. 13. Структура сметной стоимости крепления, % стенок глубокого котлована по технологии «стена в грунте»
Рис. 14. Структура сметной стоимости крепления стенок глубокого котлована грунтовыми анкерами, %
Из всех технико-экономических показателей, по мнению авторов, наиболее значимым является сметная стоимость. Экономическая оценка, рассматриваемых в работе вариантов крепления стен глубокого котлована выполнена на основе сметных расчетов. Результаты сметных расчетов сведены в таблицу 1. Из таблицы 1 можно сделать вывод, что наиболее выгодным вариантом крепления стен котлована имеет подкосная система.
Таблица 1.
Сметная стоимость различных вариантов производства работ по креплению глубокого котлована
Метод крепления глубокого котлована
Сметная стоимость, тыс. руб.
Вариант 1. Раскосное крепление
50757,2
Вариант 2. Подкосное крепление
49002,7
Вариант 3. По технологии «Стена в грунте»
68414,63
Вариант 4. Анкерное крепление
50875,6
ВЫВОДЫ
По результатам прогнозных показателей сметной стоимости, трудоёмкости, продолжительности выполнения работ, заработной плате рабочих и структуры себестоимости работ на объекте-представителе наиболее экономичным видом крепления стен глубокого котлована является подкосная система крепления.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Дальнейшие исследования будут направлены на разработку технологических рекомендаций по креплению стен глубоких котлованов.
организационно-
ЛИТЕРАТУРА
1. Еремин, В.Я. Крепление бортов глубоких котлованов [Текст] / В.Я. Еремин // Материалы Киевского семинара SCADGroup, 5-8 октября. — 2009 года. — 2009. — 52 с.
2. Снитко, Н.К. Статическое и динамическое давление грунтов и расчет подпорных стенок. [Текст]. — Госстройиздат. — 1963. - 296 с.
3. Ренгач В.Н. Усовершенствованный метод расчета гибких заанкеренных стенок [Текст]. / Сб. трудов. — ЛИИЖТа. — Вып. 272. — 1967. - 264 с.
4. Гончаров Ю.М. К расчету тонкостенных конструкций, воспринимающих горизонтальный распор несвязного грунта [Текст] / Труды НИИ по строительству. — Вып. 4. — Красноярск. — 1963. - С. 12-16.
5. Ренгач В.Н. Шпунтовые стенки (расчет и проектирование) [Текст] / Л. Стройиздат. — 1970. — 111 с.
6. Тоймбетов, Е.Д. Давление грунта на ограждающие стены котлованов: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 01.02.07. — М. — 1994. - 22 с.
7. Жукова, Л.В. Оценка влияния конструктивно-технологических параметров на прочность и устойчивость ограждения котлованов с анкерным креплением. Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.23.11. — М. — 2003. - 24 с.
8. Зуев, С.С. Опыт применения специальных технологий производства работ по устройству ограждающих конструкций котлованов [Текст] // Промышленное и гражданское строительство (ПГС). — Ежемесячный научно-технический и производственный журнал / Российское общество инженеров строительства; Российская инженерная академия. — М. — 2009. — №3. — С. 49-50.
9. Ухов, С.Б. Котлованы и выработки в условиях плотной городской застройки [Текст] // Основания, фундаменты и механика грунто : Науч. -техн. журн. Гос. ком. СМ СССР по делам стр.-ва. — Москва. — 2002. — №4.— С. 2 — 3-6.
10. Астраханов, Б.Н. Тенденции развития технологий устройства ограждений котлованов в условиях плотной городской застройки [Текст] // Основания, фундаменты и механика грунтов: Науч.-техн. журн. Гос. ком. СМ СССР по делам стр.-ва. — Москва. — 2002. — №4 .— С. 4-8.
11. Дидух, В.И. Взаимодействие ограждающей стенки с грунтовым массивом в процессе выемки котлована [Текст] / Дидух В.И., Абу-Махади М.И. // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. — 2000. — № 1. — С. 70-78.
12. Логутин, В.В. Определение усилий в ограждающих конструкциях котлована [Текст] / Логутин В.В., Таржиманов М.А. // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. Строительство и архитектура. — 2010. — № — 18. — С. 29-34.
13. Rutherford, C. DESING MANUAL FOR EXCAVITION SUPPORT USING DEEPMIXING TECHNOLOGY / Jean-Louis BRIAND // TEXAS A&M UNIVERSITY MARCH 31. — 2005. — URL: http://ceprofs. civil .tamu. edu/briaud/DSM%20Manual.pdf.
14. Богданов, В.В. Комплексный геотехнический мониторинг при устройстве котлована в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. [Текст]. // Известия Петербургского университета путей сообщения. — 2009. — № 2. — С. 110 — 120.
15. Мороз, А.И. Влияние условий работы крепления котлованов на разгрузку ограждаемого грунта при строительстве подземных сооружений открытым способом [Текст] / Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) // 2002. — № 11. — С. 42 — 44.
16. МГСН 2.07-01. Основания, фундаменты и подземные сооружения [Текст]. — М.: Москомархитектура, 2003 — 108 с.
ECONOMIC JUSTIFICATION OF STRENGTHENING THE WALLS OF DEEP PITCHERS
Akimov F.N., Akimova E.Sh.
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea
Annotation. In modern megacities, most of the civil buildings and structures are being built up. Whether shopping centers, residential buildings or other civilian objects, all of them, being in the metropolis, require underground parking, technical floors and other premises that can be "hidden" below ground level. The construction of the underground part of the building is based on the construction of the pit. The walls of foundation pits are exposed to physical and geotechnical factors, which may lead to their collapse. Such factors are active and passive ground pressures, hydrostatic water pressure, technological loads on the edge and bottom of the excavation. For excavations with increased depth and unfavorable geological conditions, it is necessary to install walling walls and strengthen them. The fixing of foundation walls in various conditions can be carried out by means of various systems. The identification of the most technically and economically advantageous variant of fixing the walls of deep excavations for a particular representative facility is the goal of these studies.
Keywords: anchoring the walls of the foundation pit, deep foundation, sheet piling, ground anchors, strut system, system "wall in the ground".
