Геотехнический мониторинг жилого дома Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 69.058

А.Б. ПОНОМАРЕВ, д-р техн. наук ([email protected]), А.В. ЗАХАРОВ, канд. техн. наук, С.А. САЗОНОВА, магистр, С.В. КАЛОШИНА, канд. техн. наук, М.А. БЕЗГОДОВ, магистр, Р.И. ШЕНКМАН, магистр, Д.Г. ЗОЛОТОЗУБОВ, канд. техн. наук

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614000, Пермь, Комсомольский пр., 29)

Геотехнический мониторинг жилого дома

В период строительства жилого дома выявлены неравномерные осадки фундамента здания, превосходящие нормативные значения, что стало причиной для проведения работ по геотехническому мониторингу. Целью проводимых работ по геотехническому мониторингу являлась разработка рекомендаций по предотвращению дальнейшего развития неравномерных деформаций грунтового основания здания. В ходе геотехнического мониторинга были выполнены следующие работы: визуальное обследование строительных конструкций здания; геодезический и инструментальный мониторинг деформаций здания; дополнительные инженерно-геологические изыскания; выполнение поверочных расчетов; анализ результатов геотехнического мониторинга и разработка рекомендаций по дальнейшему безопасному возведению и эксплуатации здания. На основе результатов выполненного геотехнического мониторинга были разработаны технические рекомендации по усилению грунтового основания, которые позволили на практике стабилизировать неравномерные осадки здания.

Ключевые слова: геотехнический мониторинг, неравномерные осадки фундамента, визуальное обследование, геодезический и инструментальный мониторинг, моделирование, усиление основания.

A.B. PONOMAREV, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), A.V. ZAKHAROV, Candidate of Sciences (Engineering), S.A. SAZONOVA, Master, S.V. KALOSHINA, Candidate of Sciences (Engineering), M.A. BEZGODOV, Master, R.I. SHENKMAN, Master, D.G. ZOLOTOZUBOV, Candidate of Sciences (Engineering), Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky Avenue, 614019, Perm, Russian Federation)

Geotechnical Monitoring of a Residential House

During the construction of a residential house, differential settlements of the building foundation, surpassing normative values, were revealed; this became the reason to conduct geotechnical monitoring. The purpose of geotechnical monitoring is to develop recommendations for preventing the further development of non-uniform deformations of the building ground base. In the course of geotechnical monitoring the following works were conducted: visual survey of building constructions of the building; geodesic and instrumental monitoring of building deformations; additional engineering-geological surveys; execution of check calculations; analysis of geotechnical monitoring results, and development of recommendations for further safe construction and operation of the buildings. On the basis of the results of conducted geotechnical monitoring, technical recommendations for strengthening the ground base, which make it possible to stabilize non-uniform settlements of the building, have been developed.

Keywords: geotechnical monitoring, non-uniform settlements of foundation, visual survey, geodesic and instrumental monitoring, simulation, strengthening of foundation.

В период строительства жилого дома были выявлены неравномерные осадки фундамента здания, превосходящие нормативные значения, что стало причиной для проведения работ по геотехническому мониторингу [1].

На момент начала мониторинга максимальная осадка здания составляла 187 мм, разность осадок достигла 0,0038 при нормативных значениях согласно СП 22.13330.2011 100 мм и 0,002 соответственно.

Целью проводимых работ по геотехническому мониторингу являлась разработка рекомендаций по предотвращению дальнейшего развития неравномерных деформаций грунтового основания здания. В ходе геотехнического мониторинга были выполнены следующие работы:

- визуальное обследование строительных конструкций здания;

- геодезический и инструментальный мониторинг деформаций здания;

- дополнительные инженерно-геологические изыскания;

- выполнение поверочных расчетов;

- анализ результатов геотехнического мониторинга и разработка рекомендаций по дальнейшему безопасному возведению и эксплуатации здания.

9'2015 ^^^^^^^^^^^^^

Согласно проектному решению строящийся жилой дом 20-этажный, односекционный. Здание запроектировано в сборном железобетонном безригельном каркасе. Фундамент здания - монолитная фундаментная плита высотой 900 мм из бетона В25, армированная стержневой арматурой в нижней и верхней зонах, каркасами в местах установки стаканов под колонны. Колонны устанавливаются в монолитные железобетонные стаканы фундаментной плиты.

На момент начала проведения комплекса работ по геотехническому мониторингу на объекте велись работы по возведению каркаса здания (в уровне 19-го этажа), строительство внутренних перегородок и стен.

По данным изысканий, выполненных на момент начала строительства, в геологическом строении площадки на разведанную глубину 18 м принимают участие техногенные и аллювиально-делювиальные грунты четвертичной системы, коренные грунты Пермской системы [2, 3].

Техногенные грунты слежавшиеся, плотные, возрастом преимущественно более пяти лет, представлены асфальтобетоном, щебнем, песком, суглинком от твердого до ту-гопластичного (ИГЭ-1) с обломками кирпича. Общая мощность насыпных грунтов изменяется от 1,9 до 2,2 м.

- 41

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

срти № 3

2

С-1 157,

157,79 |

Условные обозначения:

▼Т1 Точка наблюдения за осадками

Материалы изысканий прошлых лет:

скв-1 д. Скважина, ее номер 157 78 Отметка уСтья, м

Точки статического зондирования

Дополнительные инженерно-геологические изыскания, выполненные в 2015 г.:

СРТи№1 Точка статического зондирования, ее номер | 156,41 Отметка устья, м

С-1 Скважина, ее номер

/157,08 Отметка устья, м Рис. 1. Ситуационная схема

Аллювиально-делювиальные грунты представлены суглинком от полутвердого (ИГЭ-3) до мягкопластичного (ИГЭ-2), местами с включениями щебня аргиллита, который вскрыт повсеместно под насыпными грунтами. Вскрытая мощность от 5,8 до 15,8 м.

Коренные грунты Шешминского горизонта Уфимского яруса нижнего отдела Пермской системы представлены аргиллитом сильновыветрелым, сильнотрещиноватым, местами выветрелым до щебня с суглинистым заполнителем (ИГЭ-4). Кровля коренных пород, вскрытая в пятне застройки, имеет значительный перепад и расположена на глубинах 9-18 м. Коренные грунты представлены также песчаником среднезернистым, очень низкой прочности, на глинистом цементе.

При изысканиях подземные воды до глубины 18 м не были встречены.

Ситуационная схема и инженерно-геологический разрез представлен на рис. 1 и 2 соответственно.

На первом этапе работ с целью оценки деформаций, полученных объектом строительства, выполнено сплошное визуальное обследование строительных конструкций здания [4]. При визуальном обследовании выявлены дефекты, свидетельствующие о наличии неравномерных осадок здания, таких как наклонные и вертикальные трещины в наружных самонесущих стенах здания, трещины по сопряжению отдельных конструктивных элементов здания. Дефектов в несущих конструкциях каркаса и фундаментной плите выявлено не было.

Условные обозначения:

[3 Номер инженерно-геологического элемента

Рис. 2. Инженерно-геологический разрез

С целью уточнения геологического строения и физико-механических свойств грунтов основания фундаментов жилого дома проведены дополнительные инженерно-геологические изыскания. Выполнено дополнительно бурение двух контрольных скважин и статическое зондирование в шести точках по периметру здания (рис. 1). Статическое зондирование проводилось установкой <^еоМН LWC-100XC». Для подтверждения физико-механических свойств грунтов при бурении из скважин произведен отбор проб ненарушенной структуры.

Одновременно с обследованием строящегося здания и уточнением геологического строения выполнялся геодезический и инструментальный мониторинг с целью оценки тенденций развития неравномерных деформаций [5].

В процессе геодезического мониторинга объекта контролировались:

- величины осадок здания по точкам Т1-Т6 (рис. 1);

- крен здания: замеры выполнялись по торцам перекрытий 1-го и 18-го этажей здания в четырех точках в двух направлениях.

При первоначальной съемке выполнены замеры по 1-му, 4-му, 8-му, 12-му, 16-му и 18-му этажам. В дальнейшем замеры проводились по 1-му и 18-му этажам. Результаты мониторинга осадок представлены на рис. 3. Результаты замера фактического крена конструкций здания на момент начала мониторинга, представленные на рис. 4, показали, что неравномерные осадки развивались в период с начала строительства, вследствие чего здание получило серповидный профиль.

Для оценки изменения крена здания параллельно проводился инструментальный мониторинг. Мониторинг поло-

42

92015

Научно-технический и производственный журнал

о

-0,02

-0,04

-0,06

-0,(

-0,10

-0,12

-0,14

-0,16

-0,18

-0,20

-0,22

-0,24 S, m

Рис. 3. Осадки точек мониторинга (Т1—Т6)

ir^ -А,

■ ф 4—**

Т1

Т2

ТЗ Т4 Т5

Т6

Дата

0

-0,0005 -0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,003 -0,0035 -0,004 -0,0045 -0,005 -0,0055 -0,006

Дата

Рис. 5. Изменение крена здания по оси Yза период геодезического мониторинга

Рис. 4. Фактический крен конструкций здания на момент начала мониторинга

жения (угла наклона) здания проводился с помощью системы мониторинга «Терем-4». Датчики были установлены на 1-и, 9-м, 17-м этажах. Результаты инструментального мониторинга представлены в виде графика на рис. 5.

На основании выполненных работ проведены поверочные расчеты основания фундаментной плиты здания. Расчеты производились с целью разработки рекомендаций по дальнейшему строительству и эксплуатации здания, а также разработке мероприятий по усилению фундаментов и основания здания [6]. Расчеты производились с использованием программных комплексов PLAXIS 2D v9 0, Plaxis 3D Foundation v2.2.

В процессе моделирования рассматривались следующие варианты улучшения основания и усиления фундаментов здания:

1. Устройство под фундаментной плитой здания геомассива улучшенного грунта с модулем общей деформации не менее 30 МПа с применением технологии струйной цементации.

2. Изменение конструктивной схемы фундамента здания с устройством плитно-свайного фундамента посредством выполнения свай с использованием технологии струйной цементации.

Расчет в программном комплексе PLAXIS 2D v9 0 производился в плоской постановке задачи с использованием упругопластической модели Мора-Кулона. Расчетная схема приведена на рис. 6.

В процессе моделирования рассматривались следующие этапы строительства:

- нагружение основания действующей нагрузкой на момент установления геотехнического мониторинга на объекте;

Рис. 6. Общий вид конечно-элементной модели программного комплекса РЬЛХШ 2D

- нагружение основания полной проектной нагрузкой (окончание строительства - 20 этажей);

- учет деформаций основания на величину, зафиксированную в процессе мониторинга, и дальнейшее выполнение работ по улучшению основания с устройством геомассива с последующим нагружением его до полной проектной нагрузки;

- учет деформаций основания на величину, зафиксированную в процессе мониторинга, и дальнейшее устройство плитно-свайного фундамента с последующим на-гружением его до полной проектной нагрузки.

Поля распределения вертикальных деформаций (осадок) основания фундамента здания от нагрузок, действующих на момент установления мониторинга на объекте (возведено 18 этажей здания), представлены на рис. 7.

В процессе моделирования учитывался эксцентриситет приложения нагрузки, вызванный неравномерной деформацией (осадкой) здания, учитывающий перераспределение усилий по подошве плитного фундамента.

Поля распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) улучшенного основания фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства - 20 этажей) представлены на рис. 8.

Поля распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) плитно-свайного фундамента при увеличении нагрузки до проектных значений (20 этажей) представлены на рис. 9. Сваи предполагалось выполнять по технологии струйной цементации грунта с центральным армированием из прокатных труб. Диаметр свай при моделировании - 600 мм, шаг равномерный - 2 м. Опирание свай осуществляется на коренные отложения верхнего отдела Пермской системы - аргиллиты.

При создании трехмерной геометрической модели грунтовый массив разбивался на квадратичные 15-узловые кли-

92015

43

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

Расчетная схема (вариант расчета) Максимальные осадки S, мм Относительная разность осадок AS/L

PLAXIS 2D PLAXIS 3D PLAXIS 2D PLAXIS 3D

Суммарная расчетная осадка при возведении 18 этажей здания 274 202 0,0038 0,003

Суммарная расчетная осадка при передаче проектных нагрузок без дополнительных мероприятий по улучшению основания 395 328 0,0059 0,0049

Суммарная расчетная максимальная осадка при передаче проектных нагрузок без дополнительных мероприятий по улучшению основания с учетом перераспределения усилий по подошве плитного фундамента из-за крена здания 425 361 0,0067 0,0067

Дополнительная максимальная осадка фундамента, улучшенного созданием геомассива, при передаче проектных нагрузок 53 29 - -

Дополнительная осадка фундамента в случае устройства плитно-свайного фундамента при передаче проектных нагрузок 48 16 - -

Рис. 7. Поля распределения вертикальных деформаций (осадок) основания фундамента здания от нагрузок, действующих на момент установления геотехнического мониторинга (возведено 18 этажей здания)

Рис. 8. Поля распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) улучшенного основания фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства — 20 этажей)

Рис. 9. Поля распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) плитно-свайного фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства — 20этажей)

Рис. 10. Общий вид конечно-элементной модели рассматриваемого грунтового массива в программном комплексе PLAXIS 3D

новидные конечные элементы. Для моделирования работы грунта под нагрузкой в программном комплексе PLAXIS 3D Foundation v2.2 использована упругопластическая модель Кулона-Мора. Общий вид конечно-элементной модели рассматриваемого грунтового массива представлен на рис. 10.

Изополя распределения вертикальных деформаций (осадок) фундаментной плиты здания от нагрузок, действу-

ющих на момент установления мониторинга на объекте (возведено 18 этажей здания), представлены на рис. 11.

Изополя распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) улучшенного основания фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства - 20 этажей) представлены на рис. 12.

Изополя распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) плитно-свайного фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства -20 этажей) представлены на рис. 13.

Результаты, полученные при расчетах в программных комплексах PLAXIS 2D и PLAXIS 3D, представлены в таблице.

На основании результатов проведенного геотехнического мониторинга заказчиком принят и реализован вариант устройства под фундаментной плитой здания геомас-

Рис. 11. Поля распределения вертикальных деформаций (осадок) основания фундамента здания от нагрузок, действующих на момент установления геотехнического мониторинга (возведено 18этажей здания)

Рис. 12. Изополя распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) улучшенного основания фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства — 20этажей)

Рис. 13. Изополя распределения дополнительных вертикальных деформаций (осадок) плитно-свайного фундамента от увеличения нагрузки до проектных значений (окончание строительства — 20 этажей)

44

9'2015

Научно-технический и производственный журнал

VN> 4 >4..

, T1

~ — T2

— T3 T4 ast

— T5 T6

О : Т*> — Дата

-0,005

-0,01

-0,015

-0,02

-0,025

-0,03

-0,035

-0,04

-0,045

-0,05 S, т

Рис. 14. Приращение осадок точек мониторинга (Т1—Т6) в период проведения работ по усилению основания и окончательного монтажа каркаса здания

сива улучшенного грунта с модулем общей деформации не менее 30 МПа с применением технологии струйной цементации.

График приращения осадок в период проведения работ по усилению основания и окончательного монтажа каркаса здания приведен на рис. 14.

Выводы

По результатам анализа архивных данных и проведенных изысканий установлено, что здание находится на есте-

ственном засыпном овраге. В пределах достаточно небольшого пятна застройки кровля коренных пород имеет значительный перепад (до 9 м) и перекрыта осадочными аллювиально-делювиальными грунтами. Данные обстоятельства необходимо было учесть на этапе проектирования фундамента здания.

За время проведения мониторинга приращение осадок здания составило 17-40 мм, максимальная осадка достигла 227 мм, относительная разность осадок - 0,0044. Тенденций к стабилизации деформаций за период мониторинга установлено не было.

Выполненные поверочные расчеты показали, что использование методов улучшения грунтового основания, а также устройство плитно-свайного фундамента позволяют значительно снизить максимальное значение деформации (осадки) фундамента при передаче на него полных проектных нагрузок здания, а также прекратить процесс развития неравномерных осадок фундамента здания.

На основе результатов выполненного геотехнического мониторинга были разработаны технические рекомендации по усилению грунтового основания, которые позволили на практике стабилизировать неравномерные осадки здания. Максимальная технологическая осадка фундаментов здания в период проведения работ по усилению основания и окончательного монтажа каркаса здания составила всего 46 мм, что в целом соответствует выполненным поверочным расчетам и подтверждает правильность принятого технического решения.

Список литературы

References

1. Пономарев А.Б., Офрихтер В.Г. Необходимость системного мониторинга эксплуатируемых сооружений с целью обеспечения их конструктивной безопасности // Вестник Центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2006. С. 134.

2. Пономарев А.Б., Захаров А.В., Сурсанов Д.Н. К вопросу использования верхнепермских отложений в качестве грунтовых оснований // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2011. № 1. С. 74-80.

3. Сазонова С.А., Пономарев А.Б. О необходимости комплексного изучения свойств техногенных грунтов и использования их в качестве оснований зданий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2013. № 2. С. 98-106.

4. Новодзинский А.Л., Пономарев А.Б., Статун А.С. Оценка влияния проходки коммунального коллектора на окружающую застройку // Актуальные проблемы геотехники: Сб. статей, посвященный 60-летию профессора А.Н. Богомоловa. Волгоград, 2014. С. 187-193.

5. Пономарев А.Б. Реконструкция подземного пространства. М.: АСВ, 2006. 232 с.

6. Пономарев А.Б., Калошина С.В., Захаров А.В., Золото-зубов Д.Г., Безгодов М.А., Шенкман Р.И. Геотехническое моделирование влияния глубокого котлована при реконструкции здания // Жилищное строительство. 2014. № 9. С. 38-42.

1. Ponomaryov A.B., Ofrikhter V.G. Need of system monitoring of operated constructions for the purpose of ensuring their constructive safety. Vestnik tsentral'nogo regional'nogo otdeleniya Rossiiskoi akademii arkhitektury i stroitel'nykh nauk. 2006, pp. 134. (In Russian).

2. Ponomaryov A.B., Zaharov A.V., Sursanov D.N. On the question of using upper Permian sediments as soil bases. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Prikladnaja jekologija. Urbanistika. 2011. No. 1, pp. 74-80. (In Russian).

3. Sazonova S.A., Ponomaryov A.B. On the need for a comprehensive study of the properties of technogenic soil and use them as bases of buildings. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. 2013. No. 2, pp. 98-106. (In Russian).

4. Novodzinskij A.L., Ponomaryov A.B., Statun A.S. Assessing the impact of penetration municipal collector surrounding buildings. Aktual'nye problemy geotehniki Sbornik statej, posvjashhennyj 60-letiju professora A.N. Bogomolova. Volgograd. 2014, pp. 187-193. (In Russian).

5. Ponomaryov A.B. Rekonstruktsiya podzemnogo prostranst-va. [Reconstruction of underground space]. Moskow: ASV, 2006. 232 p. (In Russian).

6. Ponomaryov A.B., Kaloshina S.V., Zaharov A.V., Zolotozu-bov D.G., Bezgodov M.A., Shenkman R.I. Geotechnical modeling of deep excavation in the reconstruction of buildings // Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 9, pp. 38-42. (In Russian).

9'2015

45