CC BY
14
УДК 624.1
DOI: 10.46689/2218-5194-2021-3-1-280-290
ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЦЕНТРА В УСЛОВИЯХ МЕГАПОЛИСА
Д.Л. Негурица, Г.В. Алексеев, Е.А. Медведев, А.А. Терешин
Отмечено, что при строительстве многофункциональных комплексов в центральной части мегаполисов весьма остро встает задача геомеханического обеспечения и обеспечения безопасности строительства. Геомеханическое обеспечение включает в себя прогноз и контроль протекания процессов сдвижения и деформирования во вмещающем грунтово-породном массиве, попадающих в зону влияния строительства зданий, сооружений, коммуникаций, а также ограждающих конструкций самого сооружения. Приводятся результаты моделирования изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива при строительстве многофункционального центра методом конечных элементов с использованием упругой модели упрочняющегося грунта в пространственной постановке в программном комплексе Plaxis 3D и результаты мониторинга развития деформационных процессов.
Ключевые слова: геомеханическое обеспечение, моделирование, деформационные процессы, модель упрочняющегося грунта, грунтово-породный массив, строительные конструкции, окружающая застройка, геомониторинг.
В процессе развития мегаполисов как один из этапов реновации территорий осуществляется строительство многофункциональных комплексов, позволяющих комплексно использовать имеющиеся территории и подземное пространство [1 - 3]. Наибольший экономический эффект это имеет в центральной части городов, что позволяет максимально эффективно использовать относительно небольшие доступные территории с наиболее востребованными сегодня объектами коммерческой недвижимости, а также решить транспортную проблему, обеспечив парковочными местами в подземном пространстве [4]. Осложняющим фактором освоения таких территорий является попадание в зону влияния строительства этих сооружений памятников архитектуры и искусства, которые подлежат охране [5 -
7].
Рассматриваемый многофункциональный комплекс (далее МФК) -сложный архитектурно-планировочный и инженерно-технический объект с многоэтажной гостиницей, офисным зданием и подземными автостоянками - располагается на участке площадью 1 га.
МФК состоит из четырех объектов разной этажности и назначения:
- высотный 36-этажный гостиничный блок с размерами в плане 82х38 м;
- 8-этажный офисный блок высотой 36 м;
- 4-этажный соединительный блок между гостиницей и офисом вы-
сотой 21 м;
- блоки подземной части с автостоянкой, техническими и служебными помещениями, расположенными под всеми тремя блоками и бульваром, конфигурация которой обусловлена геометрией существующей стены в грунте и защитными зонами от инженерных сетей. Общая площадь подземной части комплекса глубиной до 15 метров, по площади занимающей все подземное пространство площадки строительства, - более 18 тыс. м .
По периметру объекта выполнена подземная конструкция «стена в грунте» глубиной до 27 м. При строительстве высотной части комплекса используется свайное основание в грунтово-породном массиве до глубины более 50 м от поверхности.
По результатам инженерно-геологических изысканий площадка проектируемого строительства в геоморфологическом отношении приурочена к III (Ходынской) древнеаллювиальной террасе р. Москвы. Современные физико-геологические процессы, способные существенно повлиять на принятие проектных решений, на площадке работ не отмечены.
Гидрогеологические условия площадки характеризуются распространением двух водоносных подразделений: Надъюрского водоносного комплекса и Верхнекаменноугольного карбонатного водоносного комплекса, приуроченного к трещиноватым известнякам перхуровской и рат-мировской свит. Мощность водоупора из юрских глин в районе строительства составляет более 10 м, поэтому в карстово-суффозионном отношении является неопасной. По результатам инженерно-геологических изысканий выделены 18 инженерно-геологических элементов.
Крупных каверн и пустот в известняках верхнего карбона при проведении буровых работ не обнаружено. Средний модуль трещиноватости известняков составляет 8, показатель качества пород RQD - 70 % [8].
Анализ гидрогеологических условий, геомеханического состояния грунтово-породного массива и принятых технологических решений строительства многофункционального комплекса показал, что основными факторами, определяющими влияние нового строительства на окружающую застройку, являются:
- изменение напряженно-деформированного состояния грунта основания, вызванное устройством вблизи них котлована;
- изменение напряженно-деформированного состояния грунта основания, вызванное дополнительной нагрузкой;
- изменение гидрогеологических условий;
- технологические факторы, такие как динамические воздействия, влияние устройства фундаментов глубокого заложения и ограждающих конструкций котлована, влияние специальных видов работ;
- негативные процессы в грунтовом массиве, связанные с выполнением геотехнических работ: суффозионные процессы, образование плывунов, тиксотропное разуплотнение.
На территориях с неоднородным строением, нарушенным антропогенной деятельностью грунтово-породного слоя, в процессе строительства зачастую наблюдается изменение его свойств в основании сооружения, что осложняет строительство, вызывает развитие деформационных процессов и может привести к возникновению аварийных ситуаций [4 - 7].
Математическое моделирование методом конечных элементов с использованием геомеханических моделей грунта позволяет оценить изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива, конструкций сооружения и окружающей застройки. В процессе реализации этого проекта математическое моделирование выполнялось в пространственной постановке в программе Plaxis 3D - специализированном компьютерном комплексе, основанном на методе конечных элементов в условиях постановки трехмерной задачи.
Для моделирования механического поведения конструкций ограждения котлована, конструкций существующей застройки, свай усиления, конструкций нового здания и инженерно-геологических элементов при изменении их напряженно-деформированного состояния были использованы упругая модель и модель упрочняющегося грунта - Hardening soil model.
Для моделирования работы конструкционных материалов, таких как бетон, бутовая/кирпичная кладка, металл, элементов ограждения котлована и конструкций существующих зданий используется упругая модель.
Моделью упрочняющегося грунта - Hardening-Soil model - в программном комплексе Plaxis 3D задается поведение грунта, что позволяет учесть при моделировании зависимость жесткости грунта от напряжений, а также возможность различать жесткость грунта при нагрузке и жесткость при разгрузке, что наиболее достоверно описывает реальное поведение грунтово-породного массива в этих условиях [10].
При построении модели были заданы следующие характеристики:
- параметры разрушения (модель Кулона - Мора): эффективное сцепление, эффективный угол внутреннего трения, угол дилатансии;
- основные параметры сжимаемости грунта: секущий модуль в стандартных дренированных трехосных испытаниях, касательный модуль при первичном компрессионном сжатии, показатель для зависимости уровня напряжений от модуля деформации;
- дополнительные параметры: модуль при разгрузке/повторном нагружении, начальное напряжение для модулей, коэффициент бокового давления при нормальном уплотнении в зависимости от угла внутреннего трения.
В процессе проведения строительно-монтажных работ в конструкцию распорной системы ограждения котлована были внесены изменения относительно проектной документации, прошедшей экспертизу и получившей положительное заключение. В конструктивные решения системы
внесены следующие изменения:
- количество, шаг и расположение распорок в плане;
- сечения распорок из металлических труб и распределительных балок из двутавров;
- отметки установки ярусов распорной системы.
Данные изменения являются значительными, поскольку влияют на жесткость распорной системы в целом. Жесткость системы, в свою очередь, сказывается как на усилиях и напряжениях в ограждении котлована при разработке грунта, так и на деформациях ограждения и напряженно-деформированное состояние окружающего грунтово-породного массива.
Разработанная комплексная геомеханическая модель грунтово-породного массива и окружающей застройки предусматривает поэтапную разработку котлована, создание стены в грунте, свайного основания, временных опор для раскрепления распорной системы, устройства трех ярусов распорной системы, поэтапное устройство фундаментных плит зданий, поэтапный демонтаж распорной системы, устройство вертикальных конструкций подземной части и перекрытий. Результаты моделирования по этапам строительства представлены на рис. 1 - 4.
Рис. 1. Моделирование напряженно-деформированного состояния грунтово-породного массива и окружающей застройки
Анализ результатов моделирования показывает динамику изменения степени влияния устройства котлована на окружающую застройку. Определены границы расчетной зоны влияния (42 - 47 м) и объекты геотехнического мониторинга.
Ниже представлены прогнозируемые расчетами результаты перемещения ограждения котлована с учетом внесенных изменений в распорную систему (рис. 5 - 6).
Рис. 2. Моделирование устройства стены в грунте, свайного основания и временных опор для раскрепления распорной системы
Рис. 3. Моделирование устройства трех ярусов распорной системы, устройства центральной части фундаментных плит зданий. Окончательная разработка котлована
Рис. 4. Окончательное устройство фундаментных плит. Демонтаж третьего яруса распорной системы. Моделирование устройства вертикальных конструкций подземной части и перекрытий. Демонтаж распорной системы
Рис. 5. Горизонтальные деформации Ш стены в грунте
Рис. 6. Горизонтальные деформации ^ стены в грунте
Рис. 7. Осадки (а) и деформации (б) грунтово-породного массива на момент окончания строительства
Выполнено моделирование деформационных процессов для зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительства. Установлены дополнительные осадки здания на момент окончания строительства МФК (рис. 8).
Рис. 8. Дополнительные осадки здания на момент окончания
строительства
Для контроля протекания процессов сдвижения и деформирования от влияния строительства МФК был организован геомониторинг на наблюдательной станции в грунтово-породном массиве, ограждающих конструкциях, зданиях и сооружениях, попадающих в зону влияния (рис. 9).
_.__|—.-- Г" | |
\ ^ 1 I
кШ1 Т ---т* \ "2 я 1 ЛИ ц А т\ IV ^ л ТУ ЛИ11 . ци 12 я I I
/ \ / " I I_I
\ а , 17 ш ■■а а.
1 \ / \ а
1 и 1 ж
>3 XV 1 N. Г 1 I
1 "
м 1
\ / [ в
\ 1 ----
-- ----имА» —™ в
) ( ® @ (и) Эй) с 5® ®С
Рис. 9. Схема участка наблюдательной станции в ограждающих конструкциях и котловане строящегося МФК
Цикл наблюдений за зданиями и сооружениями окружающей застройки проводится с периодичностью не реже 2 раз в месяц в течение всего срока строительства и не менее 12 месяцев после завершения строительства [9]. Наблюдения за массивом грунта и подземными коммуникациями выполняются с периодичностью не реже 2 раз в месяц в течение строительства подземной части объекта. Контроль за конструкциями строящегося здания проводится с периодичностью не реже 2 раз в месяц в течение всего срока строительства и не менее 12 месяцев после завершения строительства [10].
Анализ динамики изменений полученных значений перемещений ограждения котлована «стена в грунте» показывает, что прирост перемещений в каждом конкретном месте в основном происходит после установки визирной марки участка ограждения котлована в недавно отрытых местах ограждения котлована. После монтажа элементов распорной системы происходит стабилизация горизонтальных перемещений.
Контролируемые при геотехническом мониторинге параметры - горизонтальные перемещения планово-высотных деформационных знаков, установленных на конструкции стены в грунте, не превышают прогнозируемые расчетами значения.
Креплением ограждения котлована на объекте является металлическая распорная система. В связи с наступлением зимнего периода и снижением температуры окружающей среды возможны температурные дефор-
мации установленных металлических элементов распорной системы, что может привести к дополнительным смещениям планового положения ограждения котлована вследствие укорочения металлических труб.
В связи с отставанием от графика производства работ на объекте и, как следствие, сохранением распорной системы в зимний период времени, необходимо выполнять периодический визуальный осмотр (не реже двух раз в неделю) мест примыкания распределительных балок распорной системы к стене в грунте на предмет образования зазоров и щелей.
Как следствие, изменяется степень влияния устройства котлована на окружающую застройку, границы расчетной зоны влияния и объекты геотехнического мониторинга.
Таким образом, в результате моделирования изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива при строительстве многофункционального центра методом конечных элементов была выполнена оценка воздействия строительства на окружающую застройку для многофункционального комплекса. В процессе работ был произведен выбор расчетных параметров грунта на основе инженерно-геологических изысканий. Построена трехмерная конечно-элементная геомеханическая модель массива грунта, включающая в себя проектируемый объект и окружающую застройку. По результатам моделирования величина зоны влияния строительства проектируемого здания на окружающую застройку составляет 42 - 47 м. В расчетную зону влияния попадают здания и сооружения, дополнительные деформации основания фундаментов которых не окажут влияния на эксплуатационную пригодность, прочность и сохранность, а дополнительные мероприятия по обеспечению их сохранности не требуются. При соблюдении очередности и технологии строительных работ новое строительство не оказывает негативного влияния на существующие инженерные коммуникации.
Список литературы
1. Меркин В.Е., Конюхов Д.С. Основные проблемы, задачи и перспективы освоения подземного пространства Москвы // Метро и тоннели. 2017. № 1 - 2. С. 18 - 23.
2. Трубецкой К.Н., Иофис М.А. Состояние и проблемы освоения подземного пространства города Москвы // Маркшейдерский вестник. 2007. № 4 (62). С. 27 - 30.
3. Картозия Б.А. Освоение подземного пространства крупных городов. Новые тенденции // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № S1. С. 615 - 630.
4. Kulikova E.Y. Defects of urban underground structure and their prediction // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 012108 (2018). DOI: 10.1088/1757-899X/451/1/012108.
5. Глозман О.С. Подземное планирование Москвы // Жилищное строительство. 2016. №11. С. 14 - 19.
6. Neguritsa D. The problems of monitoring the deformation processes in the integrated development of the underground space of metropolitan cities // E3S Web of Conf. 56, 02027 (2018). DOI: 10.1051/e3sconf/20185602027.
7. Broere W. Urban problems - Underground solutions // Proc. 13th World Conf. of ACUUS: Advances in Underground Space Development. 2012 (2013). Р. 1528 - 1539.
8. Gattinoni P., Pizzarotti E., Scesi L. Engineering geology for underground works // Engineering Geology for Underground Works. 2014. V. 9789400778504. (Springer Netherlands). Р. 1-305. DOI: 10.1007/978-94-007-7850-4_1.
9. Lehmann R., Neitzel F. Testing the compatibility of constraints for parameters of a geodetic adjustment model // J. Geodesy. 2013. V. 87 (6). Р. 555 -566.
10. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
Негурица Дмитрий Леонидович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Москва, Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе,
Алексеев Герман Валерьевич, канд. техн. наук, директор, AlexeevG Vamgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»,
Медведев Евгений Андреевич, зам. директора, главный инженер, MedvedevEA amgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»,
Терешин Александр Александрович, канд. техн. наук, доц., нач. научно-технического центра, TereshinAA amgsu. ru, Россия, Москва, Институт научно-технического сопровождения строительства; НИУ «Московский государственный строительный университет»
GEOMECHANICAL SUPPORT OF CONSTRUCTION A MULTIFUNCTIONAL CENTER IN A MEGALOPOLIS
D. L. Neguritsa, G. V. Alekseev, E. A. Medvedev, A. A. Tereshin
During the construction of multifunctional complexes in the central part of megaci-ties, the task of geomechanical support and ensuring the safety of construction is very acute. Geomechanical support includes the forecast and control of the processes of displacement and deformation in the host soil and rock mass that fall within the zone of influence of the construction of buildings, structures, communications, as well as the enclosing structures of the structure itself. The article presents the results of modeling changes in the stress-strain state of the soil mass during the construction of a multifunctional center by the finite element
method using an elastic and hardening soil model in a spatial formulation in the Plaxis 3D software package and the results of monitoring the development of deformation processes.
Key words: geomechanical support, modeling, deformation processes, model of hardening soil, soil-rock mass, building structures, surrounding buildings, geomonitoring.
Neguritsa Dmitry Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, neguritsadl@mgri. ru, Russia, Moscow, Sergo Ordzhonikidze Russian State University for Geological Prospecting,
Alekseev German Valerievich, candidate of technical sciences, director, Alexeev [email protected], Moscow, Russia, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research Moscow State University of Civil Engineering,
Medvedev Evgeny Andreevich, deputy director for project management-chief engineer, MedvedevEA @mgsu. ru, Moscow, Russia, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research Moscow State University of Civil Engineering,
Tereshin Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of the scientific and technical center, TereshinAA @mgsu. ru, Moscow, Russia, Institute of Scientific and Technical Support of Construction; National Research Moscow State University of Civil Engineering
Reference
1. Merkin V. E., Konyukhov D. S. The main problems, tasks and prospects of the development of the underground space of Moscow // Metro and tunnels. 2017. No. 1-2. pp. 18-23.
2. Trubetskoy K. N., Iofis M. A. The state and problems of development of the underground space of the city of Moscow / / Surveyor's Bulletin. 2007. No. 4 (62). pp. 27-30.
3. Kartoziya B. A. Development of the underground space of large cities. New trends // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2015. No. S1. pp. 615-630.
4. Kulikova E.Y. Defects of urban underground structure and their pre-diction // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 012108 (2018). DOI: 10.1088/1757-899X/451/1/
012108 5. Glozman O. S. Underground planning of Moscow // Housing construction. 2016. No. 11. pp. 14-19.
6. Neguritsa D. The problems of monitoring the deformation processes in the integrated development of the underground space of metropolitan cities // E3S Web of Conf. 56, 02027 (2018). DOI: 10.1051/e3sconf/20185602027.
7. Broere W. Urban problems - Underground solutions // Proc. 13th World Conf. of ACUUS: Advances in Underground Space Development. 2012 (2013). p. 1528-1539
. 8. Gattinoni P., Pizzarotti E., Scesi L. Engineering geology for underground works // Engineering Geology for Underground Works. 2014. V. 9789400778504. (Springer Netherlands). Pp. 1-305. DOI: 10.1007/978-94-007- 7850-4_1
9. Lehmann R., Neitzel F. Testing the compatibility of constraints for parameters of a geometric adjustment model // J. Geodesy. 2013. V. 87 (6). p. 555-566.
10. SP 13-102-2003 Rules for the inspection of load-bearing building structures of buildings and structures.
