Подземное строительство
mrnïlmi)
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.152
С.Г. БОГОВ, инженер ([email protected]), Н.П. БОЧКАРЕВ, инженер
ООО «ИСП Геореконструкция» (190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4., оф. 414)
Геотехнический мониторинг при нулевом цикле строительства зданий с подземным пространством
В Санкт-Петербурге с начала 2000-х гг. в результате активного строительства новых объектов вблизи исторических зданий и сооружений происходит развитие сверхнормативных деформаций с образованием трещин в кирпичной кладке. Наиболее опасным для памятников архитектуры становится близость расположения с местами проведения работ нулевого цикла, вызывающих неизбежное изменение напряженно-деформированного состояния оснований фундаментов. В процессе устройства свай и вскрытия котлованов в непосредственной близости от существующих объектов в зданиях развивались не только трещины, но и локальные потери несущей способности конструкций. Ситуация является непростой, поэтому кроме математического моделирования и расчетов напряжений и усилий требуется ведение «активного» геотехнического сопровождения и мониторинга за реальными деформациями. В статье приведены отдельные данные мониторинга двух объектов, расположенных, в исторической части Санкт-Петербурга в период ведения работ нулевого цикла.
Ключевые слова: глубокие котлованы, геотехнический мониторинг, струйная технология закрепления грунтов.
S.G. BOGOV, Engineer ([email protected]), N.P. BOCHKEREV, Engineer OOO «ISP Georeconstruction» (4, оf. 414, Izmaylovsky Avenue, 190005 Saint Petersburg, Russian Federation)
Geotechnical Monitoring During Zero Cycle of Constructing Buildings with Underground Space
In Saint Petersburg, since the beginning of 2000s, as a result of the active construction of new objects near historical buildings and structures the development of above-limit deformations with forming cracks in the masonry takes place. The most dangerous for architectural monuments is their proximity to the places of «zero» cycle works that causes the unavoidable change in the stress-strain state of foundation bases. During the process of pile installation and excavation of pits in the close proximity to the existing objects not only the crack development but also local losses of bearing capacity of structures took place in the buildings. The situation is not simple, that's why in addition to mathematical modeling and calculations of stresses and forces it is necessary to conduct the «active» geotechnical support and monitoring of real deformations. The article presents some data on monitoring of two objects located in the historical part of Saint Petersburg during the «zero» cycle works.
Keywords: deep excavations, geotechnical monitoring, jet grouting of soil stabilization.
Современный мегаполис, такой как Санкт-Петербург, не может развиваться в настоящее время без освоения подземного пространства. Для исторического центра города решить вопросы инфраструктуры без освоения подземного пространства представляется невозможным. Поэтому необходимо проводить мониторинг реальных деформаций с целью прогноза работы конструкций и грунтов и обеспечения безопасности соседней застройки.
Объект № 1 расположен в центральной части города. Строящееся здание представляло собой 14-этажный жилой дом сложной формы в плане, с цокольным этажом. Конструктивная схема здания - система внутренних монолитных железобетонных стен, колонн, пилястр и опирающихся на них монолитных железобетонных перекрытий. Фундаменты здания - буронабивные сваи длиной 25 м диаметром 0,52 м, выполняемые по технологии FUNDEX из бетона В25 с дневной поверхности. По сваям выполнена монолитная железобетонная плита толщиной 0,8 м. Для ограждения котлована предусмотрено неизвлекаемое шпунтовое ограждение типа «Ларсен V» длиной 18 м. Размер котлована в плане 52x31,5 м, глубина котлована составляла 7,5 м.
Инженерно-геологические условия площадки № 1. Площадка сложена под техногенным слоем послеледниковыми морскими и озерными, верхнечетвертичными озерно-ледниковыми и ледниковыми суглинками, подстилаемыми
нижнекембрийскими глинами. Мощность техногенных отложений составляет до 3 м, они представлены песками, супесью с обломками кирпича и другим строительным мусором с примесью органических веществ. Морские отложения представлены выклинивающимися песками пыле-ватыми водонасыщенными средней плотности. Мощность слоя песков доходит в пределах участка до 1 м. Залегающие под ними верхнечетвертичные озерно-ледниковые су-
я
Рис. 1. Совмещенная схема расположения геотехнического оборудования с эпюрой перемещения верха шпунта на момент полного вскрытия котлована
Научно-технический и производственный журнал
а б . ......... .................................в ' ■'■ '■ . ............... ' '■.....
Рис. 2. Результаты грунтовой инклинометрии: а — геология; б — графики горизонтального смещения инклинометра И-1; в — графики горизонтального смещения инклинометра И-2
глинки, в пределах площадки имеющие мощность до 2,3 м и выклинивающиеся в северо-восточном направлении, вы-ветрелые тугопластичной консистенции, подстилаются суглинками ленточными текучими, локально выклинивающимися в середине площадки (мощность до 6 м). Под ними повсеместно залегает слой пылеватых слоистых суглинков текучепластичных до 2,8 м. На глубинах 5,4-10 м залегает кровля ледниковых отложений лужской морены, представленных в пределах верхних 2,4-11,3 м мягкопластичными суглинками с гравием и галькой, подстилаемыми пластичными супесями с гравием, галькой и обломками песчаника 3,6-8,8 м. Внизу почти повсеместно залегает относительно выдержанный 1,6 м слой твердых суглинков с гравием и обломками песчаника. Их подошва находится на глубине 24,5 м. Ниже залегают твердые нижнекембрийские глины, в пределах верхнего метра - дислоцированные. Значения физико-механических характеристик грунтов приведены в табл. 1. Подземные воды приурочены к насыпным грунтам и пылеватым пескам на глубине около 1 м.
Результаты мониторинга. На площадке строительства была организована система мониторинга. Согласно схеме установлено геотехническое оборудование (рис. 1). В ходе работ проводились инклинометрические измерения и измерения смещения верха шпунта по светоотражающим маркам. На момент полного вскрытия котлована перемещения шпунтового ограждения по И-1 в уровне дна котлована достигли 113 мм, а по И-2 - 160 мм (рис. 2, б, в), при этом максимальные перемещения шпунтового ограждения по инклинометру И-2 произошли ниже дна котлована и составили 165 мм (рис. 2, в).
1'2015 ^^^^^^^^^^^^^
Очевидным следствием горизонтального перемещения ограждения внутрь котлована были вертикальная просадка грунта за пределами котлована и разрывы в асфальтовом покрытии дорожного полотна (рис. 3).
На рис. 1 приведена эпюра перемещений верха шпунтового ограждения, которая наглядно показывает деформацию контура шпунтового ограждения. Эпюра построена по результатам геодезических измерений по маркам на шпунте. Величины перемещений верха шпунта составили 200-250 мм и хорошо коррелируют с величиной просадки грунта (200 мм), что фактически подтверждает положение о том, что горизонтальные смещения массива грунта в сторону котлована являются фактором риска вертикальных перемещений для окружающих зданий (величина вертикальных смещений зданий = величина горизонтального перемещения грунта).
Вскрытие котлована, сопровождающееся горизонтальными перемещениями ограждений, опасно особенно для старых зданий на ленточных бутовых фундаментах на естественном основании развитием неравномерных деформаций, превышающих нормируемые. Для зданий на свайном фундаменте, которое находится со стороны деформировавшегося контура шпунта, оно менее опасно, однако следует учитывать возможное развитие явлений горизонтального смещения свай и отрицательного трения грунта, которые при проектировании не рассчитывались на возникновение данных усилий. Так, здание на свайном фундаменте, расположенное в зоне влияния строительства объекта № 1, получило осадку 10-20 мм.
Причиной развития деформаций шпунтового ограждения в данном случае является в большей степени проект- 37
Подземное строительство
шШстм
Научно-технический и производственный журнал
ное размещение распорок относительно стенок котлована. Также свой вклад вносят: отсутствие надежного защемления низа шпунтового ограждения в плотных слоях грунта, недостаточная глубина погружения и жесткость ограждения. На рис. 4 приведена принципиальная схема разложения сил от действия давления грунта. Раскладывая давление на две составляющие, одну по оси распорки, а другую перпендикулярно к ней, видно, что составляющая N воспринимается распорной системой, в то время как N фактически должна восприниматься обвязочным поясом и сварными швами. Данное действие сил подтверждают геодезические измерения перемещения шпунта, которые по оси Х имеют большие значения по сравнению с перемещениями по оси Y.
При вскрытии котлована зимой было зафиксировано явление морозного пучения грунтов за стенками котлована. Подобное явление отмечается зимой на всех объектах в условиях пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов и выражается в виде дополнительных смещений инклинометров (массива грунта) к фронту промерзания и изменению усилий в распорных креплениях даже при полном вскрытии котлована.
Объект № 2 расположен в центральной, исторической части города. Строительство многоквартирного жилого комплекса, состоящего из зданий в 7-8 этажей, ведет-
Рис. 3. Просадка асфальтового покрытия у колонн соседнего дома =200мм
Рис. 4. Схема распределения сил от активного давления грунта
ся на месте ранее застроенной территории. Фундаменты здания - буронабивные сваи длиной 31,5-40,5 м диаметром 0,52 м, выполняемые с дневной поверхности по технологии FUNDEX из бетона В25. Надземная часть состоит из восьми крупных корпусов, часть из которых является новыми объектами строительства, а часть - реконструируемыми зданиями. Новое здание имеет одно- и двухуровневое общее подземное пространство сложной конфигурации, весь котлован разрабатывается по захваткам. Размер рассматриваемого котлована в плане 61,6x25,8 м, глубина котлована составляет 8,5 м (рис. 5). Проектом предусмотрено вскрытие котлована под защитой ограждения из металлических шпунтовых свай. Внутренние контуры котлована выполнены из шпунтовых свай Агсе1ог AZ42-700N (24 м), на-
Физико-механические характеристики грунтов объекта № 1
Таблица 1
№ Наименование грунта и мощность слоя Геол. индекс W V, кН/м3 е 1 Ф с, кПа Е, МПа
1 Насыпной грунт 16,5
2 Пески пылеватые водонасыщенные средней плотности т||У - 19,5 0,75 - 25 1 10
3 Суглинки тугопластичные выветрелые |дш 0,28 19,7 0,77 0,45 17 15 11
4 Суглинки текучие ленточные |дш 0,43 17,8 1,21 1,12 7 5 5
5 Суглинки слоистые текучепластичные |дш 0,33 19 0,91 0,85 9 8 7
6 Суглинки пластичные с гравием и галькой д» 0,25 20,1 0,68 0,56 15 15 10
7 Супеси пластичные с гравием, галькой, обломками песчаника д» 0,16 21,7 0,44 0,32 21 10 12
8 Твердые суглинки с гравием и обломками песчаника д» 0,2 21,1 0,54 -0,05 23 20 18
9 Глина твердая дислоцированная € 0,21 20,7 0,6 -0,33 23 58 20
10 Глина недислоцированная твердая € 0,18 21 0,53 -0,47 27 110 31
Таблица 2 Физико-механические характеристики грунтов объекта № 2
№ Наименование грунта и мощность слоя Геол. индекс W V, кН/м3 е 1 Ф с, кПа Е, МПа
1 Насыпные грунты слежавшиеся V, R0=0,1 МПа
2 Пески пылеватые рыхлые 1т|У Влаж. Нас. водой 18 0,85 - 25 2 5
3 Слабозаторфованные грунты 1т|У 0,62 16,5 1,539 1,01 5 13 3
4 Пески пылеватые средней плотности |т|У Нас. водой 19,7 0,7 - 30 3 15
5 Супеси пластичные |т|У 0,3 19,2 0,818 0,75 9 8
6.1 Пески мелкие средней плотности |т|У Нас. водой 20,2 0,6 - 33 5 27
6 Пески мелкие плотные |т|У Нас. водой 20,7 0,55 - 36 4 38
7 Суглинки текучие с прослоями текучепластичных |т!У 0,29 19,3 0,8 1,17 8 6 6
8 Суглинки текучие с прослоями текучепластичных ленточные |дш 0,4 18,1 1,1 1,09 4 6 5
9 Суглинки текучепластичные слоистые |дш 0,3 19,2 0,838 0,88 7 6 8
10 Супеси пластичные неяснослоистые |дш 0,25 19,9 0,681 0,65 11 8 11
11 Супеси твердые д.» 0,15 22 0,401 -0,16 22 31 21
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Сводная схема расположения геотехнического оборудования на котловане и эпюры перемещения верха шпунта на момент полного вскрытия котлована
ружныи контур котлована усиленным, выполнен из шпунтовых свай Агсе1ог AZ19-700 (24 м) и Агсе1ог HZ 1080М А-12 (24 м). Распорная система двухъярусная, в качестве распорок применяются металлические трубы 720x10 мм.
На площадке в зоне влияния строительства расположена жилая застройка - сохраняемые трех- и шестиэтажные здания. Фундаменты зданий ленточные с давлением по подошве ~200 кПа. Часть зданий ранее получила аварийные деформации и была расселена.
Инженерно-геологические условия площадки № 2. В геологическом строении участка до глубины 40 м принимают участие современные четвертичные отложения, представленные насыпными грунтами; озерно-морскими отложениями, песками пылеватыми рыхлыми, слабозаторфо-ванными грунтами, песками пылеватыми средней плотности, супесями пластичными, песками мелкими средней плотности и плотными, суглинками текучими с прослоями текучепластичных; верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового генезиса, представленные суглинками текучими с прослоями текучепластичных, ленточными, суглинками текучепластичными слоистыми, супесями пластичными не-яснослоистыми, ледникового генезиса, представленные супесями твердыми, песками пылеватыми плотными, гравийными грунтами, супесями пластичными с прослоями твердых; среднечетвертичные отложения озерно-ледникового генезиса, представленные суглинками тугопластичными с прослоями полутвердых и песками крупными плотными, представленные супесями и суглинками твердыми. Подземные воды вскрыты на глубинах 1,5-2,8 м. Подземные воды приурочены к послеледниковым пескам и песчаным прослоям озерно-ледниковых суглинков.
Результаты мониторинга. При изготовлении бурона-бивных свай очередной раз было отмечено известное явление - влияние на окружающую застройку, выражающееся в подъеме фундаментов [1, 4]. Максимальный подъем ленточных бутовых фундаментов соседних зданий глубиной заложения 2,2 м, находящихся в зоне влияния, составил поряд-
ка 10-17 мм. При этом по винтовым грунтовым маркам, погруженным в грунт на глубину 2 м и расположенным рядом с выполняемыми сваями свайного поля строящегося здания, были получены разнонаправленные значения деформаций: максимальный подъем марок составил 65 мм, при этом осадка марок составила порядка 48 мм.
В ходе работ было выполнено оснащение котлована геотехническим оборудованием (рис. 5): до начала вскрытия котлована были установлены инклинометрические скважины для контроля за смещением массива грунта по глубине, а также светоотражающие марки для контроля за смещением верха шпунтового ограждения. В ходе вскрытия котлована по мере монтажа распорных конструкций устанавливались датчики фиксации напряжений. Всего было установлено 40 датчиков. Учитывая, что на объекте были допущены значительные горизонтальные смещения шпунта, усилия в распорках отличались от расчетных. Максимальные зафиксированные напряжения сжатия в распорках составили 221 МПа, растяжения - 101 МПа.
На момент вскрытия котлована перемещения шпунтового ограждения по И-7 в уровне дна котлована достигли 70 мм, по И-8 - 61 мм, по И-9 - 158 мм. Максимальные же перемещения шпунтового ограждения составили 89 мм по И-7, 65 мм по И-8, 172 мм по И-9 (рис. 6). Данные величины деформаций соотносятся с эпюрой перемещения верха шпунта по светоотражающим маркам (рис. 5), которые показывают на предельные деформации как наружного (усиленного) контура шпунта, так и внутреннего.
Отмечаем тот факт, что основные деформации реализовались до момента полного вскрытия котлована. После вскрытия котлована на проектную глубину рост деформаций практически прекратился и составил порядка 2-3 мм/мес. Это свидетельствовало о достижении равновесного состояния системы. В ходе дальнейших наблюдений было отмечено, что после демонтажа распорок перемещения ограждения котлована получили значительный прирост: 16 мм по И-7 и до 63 мм по И-9. Это обстоятельство необходимо учи-
Подземное строительство
шШстм
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 6. Результаты грунтовой инклинометрии: а — графики горизонтального смещения инклинометра И-7; б — графики горизонтального смещения инклинометра И-8; в — графики горизонтального смещения инклинометра И-9
а Горизонтальные перемещения по оси «А», мм б Горизонтальные перемещения по оси «А», мм в Горизонтальные перемещения по оси «А», мм
17.03.2014 31.03.2014 30.04.2014 28.05.2014 24.06.2014 30.07.2014 29.08.2014 25.09.2014 28.10.2014 Уровень земли Уровень дна котлована Уровень нижней распорной конструкции Уровень верхней распорной конструкции
. " ." I
17.03.2014 31.03.2014 30.04.2014 28.05.2014 24.06.2014 30.07.2014 29.08.2014 09.09.2014 ■Уровень земли .Уровень верхне распорной конс .Уровень нижней распорной конс ■Уровень дна ко!
/кции
вана
тывать при прогнозе влияния нового строительства на окружающую застройку.
Проведенные измерения по датчикам напряжений в распорных конструкциях показали, что происходило постоянное перераспределение усилий: часть датчиков показывала рост растягивающих усилий, часть - рост сжимающих напряжений, а по другим отмечалась стабилизация. При этом отдельные распорки испытывали одновременно сжимающие и растягивающие напряжения, связанные с эксцентриситетом приложения нагрузок из-за некачественного их сопряжения с обвязочным поясом.
В результате проведенных геотехнических работ по мониторингу при устройстве котлована были отмечены нарушения в технологии производства работ: установка распорок производилась после вскрытия части котлована на значительную глубину; обвязочные балки выполнялись не одновременно по всему периметру шпунтового ограждения котлована, а фрагментарно.
Таким образом, разработка котлована производилась не послойно по всей площади котлована, а велась от краев к центру: сначала грунт разрабатывался на проектную глубину в зонах с угловыми распорками с попутным их монтажом, затем производилась выемка центральной части котлована с монтажом распорок. В результате такого характера производства работ основные перемещения ограждения котлована происходили еще до установки элементов распорных конструкций.
Заключение
1. Результаты мониторинга на объектах показывают, что устройство буронабивных свай, устраиваемых по технологии без извлечения грунта, в условиях Санкт-Петербурга приводят к подъему фундаментов существующих зданий на расстоянии, превышающем глубину выполняемых свай. За подъемом от свай, который может превысить нормируемые, следует консолидационная осадка, по величине близкая к
4о| -
величине первоначального подъема. Очевидно, что столь значительное воздействие на грунты оснований приводит к изменению их деформационных и физико-механических свойств, что необходимо контролировать.
2. Наблюдения за вскрытием котлованов показали, что к расчетной величине осадки необходимо добавлять еще технологическую, включающую в себя осадку от демонтажа распорок и последующего извлечения шпунта. При демонтаже распорок перемещения ограждения котлованов в зависимости от их глубины могут превысить расчетную величину перемещения. При извлечении шпунта после изготовления железобетонных конструкций ниже нуля, как правило, реализуется осадка, превышающая толщину металла шпунтины. Таким образом, суммарная осадка окружающих котлован новых зданий может быть значительно превышена в пять и более раз.
3. При вскрытии котлованов в зимний период следует учитывать явление морозного пучения грунтов за стенками котлована. Подобное явление отмечается зимой на всех объектах в условиях пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов и выражается в виде дополнительных смещений инклинометров (массива грунта) к фронту промерзания и изменению усилий в распорных креплениях даже при полном вскрытии котлована.
4. В условиях кризиса и реализации идеи импортоза-мещения в случаях, когда импортный шпунт будет снижать эффективность строительства, целесообразным является устройство ограждения котлованов, используя цемен-тогрунтовые столбы, армированные прокатным профилем - трубой, двутавром. При этом для снижения величин деформаций межевых стен соседних зданий, примыкающих к строительной площадке, их следует пересаживать на це-ментогрунтовые столбы, перенося нагрузку с уровня ранее существовавших исторических подошв фундаментов ниже, например ниже уровня дна вскрываемого котлована. При вскрытии котлованов для ограничения перемещений ограж-
^^^^^^^^^^^^^ 1'2015
Научно-технический и производственный журнал
дений при вскрытии, ниже дна котлована устраивается распорное крепление - противофильтрационная завеса из секущихся цементогрунтовых элементов. Эта мера позволила бы ограничить перемещения шпунтового ограждения до полного вскрытия и устройства плиты [2-5]. Эта мера реально позволяет снижать деформации и может устраиваться как в песчаных, так и в слабых глинистых грунтах.
Список литературы
1. Богов С.Г. Проблемы устройства свайных оснований в городской застройке в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга // Развитие городов и геотехническое строительство. 2004. № 8. С. 119-128.
2. 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.
3. Богов С.Г. Применение цементных растворов для струйной технологии закрепления грунтов с учетом их реологических свойств // Гидротехника. 2013. № 4. С. 84-86.
4. Шашкин А.Г., Богов С.Г., Туккия А.Л. Адаптация технологии изго-товления свай без извлечения грунта к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга // Жилищное строительство. 2012. № 11. С. 18-21.
5. Богов С.Г., Бочкарев Н.П., Смолак В.Я. Результаты мониторинга при строительстве здания с развитым подземным пространством в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга // Международная конференция по геотехнике Технического комитета 207 ISSMGE «Взаимодействие оснований и сооружений. Подземные сооружения и подпорные стены». Санкт-Петербург: ООО «ПИ Геореконструкция». 2014. Т. 1. С. 125-130.
5. Для безопасной разработки глубоких котлованов нужен комплексный подход, состоящий из первичных геотехнических расчетов безопасности вскрытия, надежных конструкторских решений, адекватного исполнения (технологии вскрытия), мониторинга всех процессов вскрытия, геотехнического сопровождения для внесения в случае необходимости соответствующих корректив.
References
1. Bogov S.G. Problems of the device of the pile bases in city building in the conditions of weak soil of St. Petersburg. Razvitie gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo. 2004. No. 8, рр. 119-128. (In Russian).
2. 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 Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 25-30. (In Russian).
3. Bogov S.G. Use of cement mortars for jet technology of fixing of soil taking into account their rheological properties. Gidrotekhnika. 2013. No. 4, pp. 84-86. (In Russian).
4. 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 stroitelstvo [Housing Construction]. 2012. No. 11, pp. 18-21. (In Russian).
5. Bogov S.G., Bochkaryov N.P., Smolak V.Ya. Results of monitoring at construction of the building with the developed underground space in the conditions of weak soil of St. Petersburg. ne International conference on geotechnics of Technical Committee 207 ISSMGE «Interaction of the bases and constructions. Underground constructions and retaining walls». St. Petersburg: JSC PI Georekonstruktion, 2014. Vol. 1, рр. 125-130. (In Russian).
XI МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ
ЖКХ РОССИИ 1872°
* Выставка оборудования, материалов и технологий для ЖКХ
к Конференции, круглые столы по актуальным вопросам развития отрасли, презентации программ
* Сопутствующие мероприятия, направленные на укрепление деловых связей в отрасли
* Экскурсии по объектам городского хозяйства опыт, контакты, решения.
11 HI-НА ЛЬНЫ Й МЕДИАПАРТНЕР
EXPOFORUM
тел ./факс;+7 (812) 240 40 40 (доб. 131,291,108) КОНГРЕССНО-ВЫСТАВОЧНЫЙ ЦЕНТР «ЭКСПОФОРУМ» ПЕТЕРБУРГСКОЕ шоссе, 64/1 -
www.ckh.expoforum.ru ь+