CC BY
24Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.152
С.Г. БОГОВ, инженер ([email protected]), зам. ген. директора
ООО «ИСП Геореконструкция» (190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4., оф. 414)
Формирование заглубленных объемов в бесподвальных исторических зданиях в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга
В Российской Федерации в связи с увеличением объемов работ по реконструкции зданий при их приспособлении к современным условиям возникает необходимость разработки надежных способов усиления оснований фундаментов для устройства новых подвалов или углубления существующих технических подполий. Эта проблема актуальна для Санкт-Петербурга - города с большим количеством памятников архитектуры. В отечественной геотехнической практике использовались различные методы усиления оснований: подведение новых фундаментов, закрепление оснований цементацией или силикатизацией, устройство микросвай. В конце XX века широко применялся способ усиления оснований существующих зданий путем устройства «корневидных» свай - цементных свай малого диаметра, выполняемых непосредственно через тело существующих фундаментов, фактически превращая конструкцию фундамента из ленточного в свайный фундамент с бутовым ростверком. Некоторые из методов трудоемки и очень дороги, другие имеют ограниченную область применения и могут использоваться лишь в грунтах с развитым поровым пространством, минимальным содержанием глинистых. частиц и зачастую не позволяют решить основную задачу - устройство нового герметичного объема под существующим зданием без водопонижения.
Ключевые слова: устройство подвалов в бесподвальных зданиях, закрепление слабых грунтов цементами, струйная технология, цементогрунт.
S.G. BOGOV, Engineer([email protected]), Deputy General Director OOO «ISP Georekonstruktsiya» (4, Off. 414, Izmaylovsky Avenue, Saint Petersburg, 190005, Russian Federation)
Formation of Subsurface Volumes in Cellarless Historical Buildings Under Conditions
of Weak Soils of Saint Petersburg
In the Russian Federation in connection with increasing the volumes of reconstruction works, when buildings are adapted to current conditions, there is a need to develop reliable methods for strengthening foundation bases to construct new cellars or to deepen existing technical crawl spaces. This problem is an actual one for Saint Petersburg, the city with a large number of architectural monuments. In the national geotechnical practice various methods of bases strengthening are used: underpinning, fixation of bases by cementation or silication, construction of micro-piles. In the end of the XX century, the method of bases strengthening of existing buildings by means of construction of "rootlike" piles, cement piles of small diameters, realized directly through the body of existing foundations, factually converting the strip foundation into the pile foundation with rubble grillage was widely used. Some of these methods are labor-consuming and very expensive, others have a limited sphere of application and can be used in soils with developed pore space, minimal content of clay particles and very often don't make it possible to solve the main task - construction of a new hermetical volume under the existing building without dewatering.
Keywords: construction of cellars in cellarless buildings, strengthening of weak soil with cements, jet grouting, soil cement.
В строительной отрасли грунты по степени их пригодности для укрепления цементами разделяются на Ca0, - глина; Na0 - глина; H0 - глина. Грунты, насыщенные ионами Ca2+ -менее гидрофильные, дают лучшие результаты, грунты же, насыщенные ионами Na+, обладают большей гидрофильно-стью и требуют большего расхода портландцемента. Считается, что грунты, имеющие кислую реакцию, для укрепления цементами малопригодны для цементации [1-3]. Сложившиеся традиционные подходы и сложность качественного проведения работ по закреплению водонасыщенных грунтов Санкт-Петербурга может объяснить медленное применение методов освоения подземного пространства под существующими зданиями.
По мнению авторов, реальным для решения этой задачи может быть проведение закрепления грунтовых оснований цементами по технологии jet grouting, когда используется высокое давление струй цементного раствора с достаточно небольшим расходом. Или, как в отечественной практике
9'2016 ^^^^^^^^^^^^^
широко применяется способ струйного закрепления грунтов основания, когда используется более низкое давление и происходит больший расход цементного раствора [4]. В слоях глинистых грунтов достигать необходимую прочность можно, варьируя продолжительность размыва струей. Все работы должны вестись с геотехническим сопровождением [5-9].
Пример создания заглубленных помещений в бесподвальных зданиях
Реконструируемое здание (рис. 1) является памятником истории и архитектуры постройки середины XIX в. и расположено на острове в центральной исторической части Санкт-Петербурга. Здание одноэтажное кирпичное с мансардным этажом, с несущими продольными и поперечными стенами и сводчатыми перекрытиями. Корпус в плане имеет вид сектора кольца, архитектурно повторяющего очертания соседнего корпуса.
- 45
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Общий вид здания
Инженерно-геологические условия площадки
Площадка реконструкции расположена в дельте реки Невы, в геоморфологическом отношении входит в пределы Приневской низины, здание находится на расстоянии порядка 10 м от берега р. Мойки (рис. 2).
Абсолютные отметки дневной поверхности находятся в интервале примерно плюс 3,5-3,9 м БС. В пределах глубины изысканий площадка образована под техногенным слоем, послеледниковыми, озерно-ледниковыми и ледниковыми отложениями, подстилаемыми коренными отложениями венда. Мощность техногенных отложений варьирует от 2,4 до 4,3 м. Морские и озерные отложения представлены в пределах верхних 0,6-1,1 м пылеватыми песками и пластичными супесями с примесями органических веществ и сла-бозаторфованными, подстилаемыми водонасыщенными песками средней крупности средней плотности мощностью 1,7-5,5 м. У подошвы слоя послеледниковых отложений залегают суглинки пылеватые текучепластичной консистенции, мощность которых изменяется от 2,1 до 4,2 м. Кровля залегающих под ними верхнечетвертичных озерно-леднико-вых ленточных текучих суглинков находится на абсолютных отметках от минус 5,59 до минус 10,25 м БС. Ниже повсеместно залегает суглинок неяснослоистый текучепластич-ной консистенции. Ниже глубины 27,5 м залегают коренные отложения венда, представленные твердыми пылеватыми глинами, выявленной мощностью до 3,5 м. Подземные воды
м
—— „1-ЦЕ- ■ ".....—--—--—------Ч<1':И-* 1-»
Рис. 2. Схема устройства подвала и новых конструкций с учетом геологических напластований площадки
безнапорного горизонта приурочены к подошве техногенных отложений. В неблагоприятные периоды подъем подземных вод возможен на высоту до 1 м от дневной поверхности (таблица).
Физико-механические характеристики грунтов площадки
В ходе ведения работ по закреплению (рис. 3) на этой площадке велся непрерывный мониторинг (рис. 4), включающий геодезические наблюдения, отбор проб растворов и цементогрунта, контроль последовательности и темпа работ и др. Вскрытие грунтов в здании началось через несколько месяцев с повсеместного понижения на глубину до 1,5 м для облегчения доступа углекислого газа из воздуха. Затем, локально были вскрыты опытные шурфы до проектных отметок понижения с целью контроля через них притока воды. Вскрытие грунтов по помещениям началось через четыре месяца после завершения работ по закреплению (рис. 5, 6).
Плотность материала образцов цементогрунта была стабильна и составляла порядка 1,75 г/см3. По результатам испытаний отмечен рост механических свойств цементо-
№ инженерно-геологического элемента ИЭГ Наименование грунта Плотность грунта, г/см3 Коэффициент пористости Влажность W Показатель текучести L Угол внутреннего трения Сцепление Модуль общей деформации Е, МПа
1 Насыпные грунты Расчетное сопротивление R0=0,1 МПа
2 Супеси пылеватные с прослоями пылеватого песка т, Цу 1,99 0,709 0,26 1 20 0,009 8,5
Супеси пылеватые с примесью органических веществ, прослоями слабозаторфованные текучие т, Цу 1,74 1,258 0,47 2 17 0,018 5
3 Пески пылеватые насыщенные волой средней плотности т, Цу 1,96 0,725 0,28 - 26 0,002 11
4 Пески средней крупности насыщенные водой средней плотности Цу 2 0,65 - - 35 0,001 30
5 Суглинки легкие пылеватые слоистые, текучепластичные т, Цу 1,94 0,802 0,29 1 20 0,015 6,5
6 Суглинки тяжелые пылеватые ленточные текучие Lgшь 1,83 1,078 0,39 1,14 10 0,019 5
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
здании. Технология устройства стен и
Рис. 4. Результаты геотехнического мониторинга. Рис. 5. Подвальное помещение днища через буровые скважины: 1 - цемен-Изолинии равных деформаций после вскрытия подвала тогрунт; 2 - бутовый фундамент здания
грунта в зависимости от возраста и содержания цемента. Так, предел прочности взятых образцов цементогрунта при сжатии варьировал от 5,1 до 13 МПа (рис. 7), а модуль деформации - от 1020 до 1830 МПа.
Известно, что укрепление дисперсных грунтов порт-ландцементами обусловливается тем, что продукты гидратации и гидролиза цемента способны сращиваться со всеми минеральными составляющими грунта. Механизм сращивания и прочность цементогрунта зависит от характера поверхности минеральных частиц, кристаллохимиче-ских особенностей минералов грунта, прочности кристаллической структуры, а также растворимости минералов в щелочной среде, т. е. от тех изменений, которые вносят минералы (или его агрегаты) в стандартный ход гидратации и гидролиза цемента. Продукты гидратации и гидролиза цемента, взаимодействуя с поверхностью минеральных частиц грунта, коагулируют и агрегируют наиболее дисперсную его часть и в процессе своего роста создают структуру цементогрунта. Известно также, что большую
14
12 -
10
8 -
I а
о с а
4
100 200 300 400
Время набора прочности, сут
500
Рис. 7. Кинетика набора прочности цементогрута от времени
2
0
0
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
прочность взаимодеиствия с кристаллогидратами цемента имеют минералы каркасноИ и цепочечной структур [2, 3, 6]. Промежуточное положение занимают цементные смеси с минералами ленточной структуры, меньшей прочностью обладают цементные смеси с минералами слоистой структуры характерными для инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга: слюды, гидрослюды, каолинита.
При отборе кернов и образцов из тела цементогрунта на площадках, где использовалось струйное закрепление, было выявлено, что в образцах с исходным глинистым грунтом видимое содержание песчаных частиц в сравнении с образцами, отобранными на площадках с песчаными грунтом было минимально и отличается в десятки раз [4, 5]. Для более точной оценки произведен осмотр образцов под микроскопом с увеличением в 40 и 200 раз (рис. 8). При анализе шлифов образцов цемен-тогрунта, отобранных на двух строительных площадках - под микроскопом видно содержание и достаточно равномерное распределение частиц грунта, включенных в «клей» цементного камня. В образце (рис. 8, б) с песчаным грунтом зафиксировано равномерное распределение частиц и дефект в виде пузырька воздуха (рис. 8, в) или газа размером до 2-3 мм. В отличие от этих образцов,в образцах закрепленных глинистых грунтов (рис. 8, д) отмечено в разы меньшее содержание песчаных частиц, а также локальные дефекты: неперемешенные фрагменты грунта размером до 5-7 мм и локальный дефект структуры - усадочные трещины (рис. 8, е).
Выводы
1. На объекте в Санкт-Петербурге в сложных геологических и стесненных условиях городской строительной площадки в историческом бесподвальном здании впервые успешно произведено устройство подвала глубиной около 3 м. Струйная цементация была применена для создания сплошной несущей и противофильтрационной конструкции для обеспечения вскрытия подземного объема в водонасыщеных грунтах без водоотлива в сухом котловане.
а . ^' )
■ * 1 - - ' " , . ■
/, , * . " ,Ол ■ ■ s '; : '
f . . • . J,. ' . ■ . -. •• » <" ■
Рис. 8. Образцы цементогрунта с увеличением. Объект 1 (Санкт-Петербург, Новая Гол-ладия. Корпус 8): а — шлиф образца цементогрунта (пылеватый песок + портландцемент) с величением в 40раз; б — шлиф с увеличением в 200раз; в — локальный дефект структуры (пора). Объект 2 (Санкт-Петербург, Загородный, 19): г — шлиф образца цементогрунта (суглинок+ портландцемент) с увеличением в 40раз; д — шлиф с увеличением в 200раз; е — локальный дефект — усадочные трещины
2. Использование струйной технологии закрепления слабых грунтов позволило минимизировать технологические осадки путем создания надежного закрепления грунтов. Бездефектная технология устройства заглубленных объемов в грунте требует проведения дальнейших исследований в части приемов закрепления, кинетики набора прочности цементогрунтов в различных грунтовых условиях с различным содержанием цемента.
3. Проведенная адаптация технологии к грунтовым условиям Санкт-Петербурга позволяет рекомендовать ее для реализации устройства подвалов в бесподвальных зданиях, в условиях как водонасыщенных песчаных, так и слабых пылевато-глинистых грунтов и не применяя шпунт для защиты выработки от притока воды.
Список литературы
References
1. Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 263 с.
2. Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов (техническая мелиорация грунтов). М.: МГУ, 1973. 376 с.
Rzhanitsyn B.A. Khimicheskoe zakreplenie gruntov v stroitel'stve [Chemical fixation of soils in construction]. Moscow: Stroiizdat, 1986. 263 p. (In Russian). Goncharova L.V. Osnovy iskusstvennogo uluchsheniya gruntov (tekhnicheskaya melioratsiya gruntov) [Funda-
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
3. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. М.: Автостройиздат, 1956. 58 с.
4. Богов С.Г. Применение цементных растворов для струйной технологии закрепления грунтов с учетом их реологических свойств // Гидротехника. 2013. № 4. С. 84-86.
5. Богов С.Г., Смолак В.Я. Опыт создания заглубленных помещений в бесподвальных зданиях в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение. Сборник трудов научно-технической конференции. СПб.: СПбГАСУ, 2014. С. 122-131.
6. Богов С.Г. Глубинное закрепление глинистых грунтов // Развитие городов и геотехническое строительство. 2002. № 5. С.75-80.
7. Богов С.Г. Опыт усиления фундаментов старых зданий с использованием струйной технологии // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. № 3. С. 28-32.
8. Богов С.Г. Адаптация струйной технологии для целей освоения подземного пространства в исторической части Санкт-Петербурга в условиях слабых грунтов // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 25-30.
9. Шашкин А.Г., Богов С.Г., Туккия А.Л. Адаптация технологии изготовления свай без извлечения грунта к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга // Жилищное строительство. 2012. № 11. С. 18-2110.
mentals of artificial improvement of soils (technical Melio-radio ground)]. Moscow: MGU, 1973. 376 p. (In Russian).
3. Bezruk V. M. Teoreticheskie osnovy ukrepleniya gruntov tsementami [Theoretical bases of soil stabilization by cement]. Moscow: Stroiizdat, 1956. (In Russian).
4. Bogov S.G. The Use of cement mortars inkjet technology keeping deposits of soils with regard to their rheological properties. Gidrotekhnika. 2013. No. 4, pp. 84-86. (In Russian).
5. Bogov S.G., Smolak Y.V. The Experience of creating the recessed areas in espedal-governmental buildings in the engineering-geological conditions of St. Petersburg. Sovremennye geotekhnologii v stroitefstve i ikh nauchno-tekhnicheskoe soprovo-zhdenie. Sbornik trudov nauchno-tekhnicheskoi konferentsii. Sankt-Peterburg: SPbGASU, 2014, pp. 122-131. (In Russian).
6. Bogov S.G. In depth consolidation of clay soils. Razvitie gorodov i geo-tekhnicheskoe stroitel'stvo. 2002. No. 5, pp. 75-80. (In Russian).
7. Bogov S.G. The experience of strengthening the foundations of old buildings using inkjet technology. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2007. No. 3, pp. 28-32. (In Russian).
8. Bogov S.G. Adaptation of jetting technology for development of underground space in the historical part of Saint-Petersburg under conditions of weak soils. Zhilishchnoe Stroitefstv [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 25-30. (In Russian).
9. Shashkin A.G., Bogov S.G., Tukkiy A.L. Adaptation of manufacturing techniques of pile without removing the soil to the geotechnical conditions of St. Petersburg. Zhilishchnoe Strotelstvo [Housing Construction]. 2012. No. 11, pp. 18-21. (In Russian).
Уважаемые коллеги и партнеры!
В связи с разработкой плана перспективного развития нормативной базы в строительстве и в области проектирования на 2017 год, НИЦ «Строительство» собирает мнения и предложения представителей отрасли
по следующим темам:
• выявление нормативных технических документов в отечественной нормативной базе в области типового проектирования, дублирующих (полностью или частично) друг друга, нормативных технических документов, положения которых полностью или частично противоречат друг другу, выявление вопросов нормирования в области типового проектирования строительных сооружений, в неполной мере освещенных в действующих нормативных технических документах;
• определение нормативных технических документов, разработка которых требуется в соответствии с предложенным комплексом нормативных технических документов;
• выявление нормативных технических документов, переработка и дополнение которых требуется в соответствии с предложенным комплексом нормативных технических документов;
• выявление нормативных технических документов, требующих отмены;
• разработка предложений по основным требованиям к содержанию нормативных технических документов в области типового проектирования, входящих в предложенный комплекс нормативных технических документов.
Комментарии и рекомендации просим присылать на электронный адрес [email protected]
