CC BY
39Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.131.8:624.137
А.Б. ПОНОМАРЕВ, д-р техн. наук, С.В. КАЛОШИНА, канд. техн. наук, А.В. ЗАХАРОВ, канд. техн. наук, Д.Г. ЗОЛОТОЗУБОВ, канд. техн. наук (spstf@pstu.ru), МА БЕЗГОДОВ, инженер, Р.И. ШЕНКМАН, инженер
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614010, г. Пермь, ул. Куйбышева, 109)
Геотехническое моделирование влияния глубокого котлована при реконструкции здания
Реконструкция здания, заключающаяся в пристройке к нему дополнительного объема, включая развитую подземную часть и проводимая в условиях сложившейся исторической застройки, может привести к получению дополнительных деформаций, а в некоторых случаях и к разрушению существующих зданий. В этом случае необходимо предусмотреть определенные конструктивные и технологические решения на этапе производства строительно-монтажных работ с целью обеспечения конструкционной безопасности существующих и реконструируемых зданий. Выбор конкретных мероприятий и оценку их эффективности лучше всего проводить с помощью численного моделирования различных стадий строительства с учетом геотехнической обстановки и с различными граничными условиями. В данной статье приведены результаты геотехнического моделирования устройства глубокого котлована при реконструкции здания в исторической части города Перми.
Ключевые слова: стесненные условия застройки, опасные инженерно-геологические процессы, глубокий котлован, стена в грунте, численное моделирование.
A.B. PONOMAREV, Doctor of Sciences (Engineering), S.V. KALOSHINA, Candidate of Sciences (Engineering), A.V. ZAKHAROV, Candidate of Sciences (Engineering), D.G. ZOLOTOZUBOV, Candidate of Sciences (Engineering) (spstf@pstu.ru),
M.A. BEZGODOV, Engineer, R.I. SHENKMAN, Engineer Perm National Research Polytechnic University (109, Kuybyshev Street, 614010 Perm, Russian Federation)
Geotechnical Simulation of Effect of Deep Excavation When Reconstructing the Building
Reconstruction of the building, consisting in addition of an additional volume to it including the developed underground part, which is conducted under the conditions of existing historical development, can lead to additional deformations and in some cases even to the destruction of existing buildings. In this case it is necessary to provide for some structural and technological decisions at the stage of building-assembling works with the purpose to ensure the structural safety of existing buildings and buildings under reconstruction. The choice of concrete measures and assessment of their efficiency it is better to make with the help of numerical simulation of different stages of the construction with due regard for the geotechnical situation and with different boundary conditions. Results of the geotechnical simulation of arranging the deep excavation when reconstructing the building in the historical part of Perm are presented in this article.
Keywords: cluttered conditions of development, dangerous engineering-geological processes, deep excavation, slurry wall, numerical simulation.
Проведение реконструкции зданий в условиях плотной городской застройки связано очень часто с решением задачи обеспечения сохранности существующих зданий и сооружений. Особенно в тех случаях, когда происходит значительное увеличение объема реконструируемого здания, в том числе за счет использования подземного пространства. Задача может осложняться нестабильными инженерно-геологическими и гидрологическими условиями на площадке строительства. Возникающие проблемы во многом схожи со строительством новых зданий в условиях плотной городской застройки, но добавляется еще одна - обеспечение сохранности реконструируемого здания.
Решением задач возведения зданий в стесненных условиях и возникающими при этом проблемами занимаются как отечественные так и зарубежные ученые. В процессе проведения геотехнического моделирования очень полезными для нас оказались работы Р.А. Мангушева [1, 2], Н.С. Никифоровой [3], А.И. Полищука [4], а также ранее проведенные собственные научные исследования [5-9].
Для подтверждения геотехнического обоснования строительства здания в непосредственной близости к существующей застройке (п. 4.16 СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*) лучше всего подходит численное моде-
зз1 —
лирование, с помощью которого можно провести расчеты с достаточно большим количеством объектов. На кафедре СПГ ПНИПУ численное моделирование проводится с помощью программных комплексов Р1_АХ!в.
Рис. 1. Схема расположения расчетных сечений
9'2014
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
Таблица 1
Физико-механические характеристики грунтов основания площадки строительства
Удельный вес, кН/м3 Угол внутреннего трения, град Удельное сцепление, кПа Модуль деформации Е, МПа Коэффициент к (п.2.41 СНиП 2.02.01-83)
Y Yii Yi Ф фп Ф1 сп cii ci
ИГЭ-1 (суглинок легкий, пылеватый, мягко- и текучепластичный) 19.42 19.32 19.27 16 13 12 21 15 11 3.6 1
ИГЭ-2 (суглинок легкий, пылеватый, текучий) 19.01 18.92 18.87 15 13 12 18 15 14 2 1
ИГЭ-3 (суглинок тяжелый, песчанистый, тугопластичный и полутвердый) 19.46 19.31 19.21 18 13 11 29 20 13 4 1
ИГЭ-4 (супесь песчанистая, текучая и пластичная) 20.71 20.56 20.46 33 27 23 21 9 0 5 1
ИГЭ-5 (глина легкая, пылева-тая, мягкопластичная, с примесью органических веществ) 17.38 16.59 15.96 15 23 2 1.1
ИГЭ-6 (гравийный грунт с супесчаным заполнителем) 20.95 20.65 20.41 38 0 30 1.1
ИГЭ-7 (песчаник сильновыветрелый) 20.32 20.26 23 21 17 12 24 1
Рис. 2. Сечение № 1. Изолинии вертикальных перемещений после экскавация грунта из котлована до абс. отм. 118,8м.
В данной статье представлены результаты геотехнического обоснования по 2-му и 3-му этапам реконструкции существующего здания, расположенного в историческом центре г. Перми. Результаты геотехнического моделирования 1-го этапа были доложены авторами на конференции «Фундаменты глубокого заложения и проблемы освоения подземного пространства» в мае 2014 г. [10].
Основными проблемами при реконструкции здания являются:
- наличие слабых грунтов в основании существующей части здания и на площадке реконструкции (пристраиваемой части), высокий уровень грунтовых вод;
- близко расположенные к площадке строительства жилые и административные здания, в том числе представляющие историческую ценность, а также находящиеся в аварийном состоянии;
- необходимость использования подземного пространства для более рационального использования ограниченного пространства при реконструкции.
Характеристики грунтов, полученные в результате инженерно-геологических изысканий, выполненных в 2013 г. на рассматриваемом участке, приведены в табл. 1.
В гидрогеологическом отношении рассматриваемый участок проектируемого строительства характеризуется наличием грунтовых вод со свободной поверхностью, приуроченных к насыпным грунтам и четвертичным аллювиальным отложениям, и трещинных вод пермских отложений (ИГЭ 7). Из-за отсутствия во-доупора подземные воды и воды «вер-
92014
39
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Максимальные перемещения и деформации ограждения котлована
Таблица 2
Таблица 3
Дополнительная осадка основания фундаментов существующего здания театра
Расчетное сечение Расположение Максимальные гор. перем. в уровне котлована, мм Mmax, кНм/м
1 Ось Л 49 667
2 Ось 1 29 441
Расчетное сечение Максимальная расчетная осадка основания фундаментов здания, мм Допустимая максимальная осадка основания фундаментов согласно Приложению Ж СП22.13330.2011, мм
1 (ось Л) 1 (Итого за 2-й и 3-й этапы = 3,62) 15
ховодки» гидравлически взаимосвязаны и представляют собой единый водоносный горизонт.
Участок относится к подтопленной территории с глубиной залегания уровня грунтовых вод менее 2 м.
Реконструируемое существующее здание прямоугольное в плане с габаритными размерами 66,72x40,17 м. Здание имеет переменную этажность - 4-5 этажей с цокольным этажом и подвалом. Над всем зданием выполнен холодный чердак. Конструктивная схема здания - смешанный каркас с продольными и поперечными несущими стенами, кирпичными и стальными колоннами.
Основными несущими конструкциями являются: фундаменты, наружные и внутренние стены, междуэтажные и чердачные перекрытия, стропильные фермы. В продольном и поперечном направлениях жесткость и геометрическая неизменяемость здания обеспечивается совместной работой вертикальных несущих элементов (несущих кирпичных стен, колонн) и опирающихся на них перекрытий. По своему функциональному назначению здание имеет культурно-массовое и зрелищное назначение.
На рис. 1 этапы реконструкции существующего здания.
Работы по 2-му и 3-му этапам включают:
- работы по усилению существующего здания, строительство нового здания;
- реставрацию с приспособлением существующего здания, в том числе:
- разборку части здания, примыкающей к стене нового здания театра;
- реставрацию с приспособлением внутренних помещений и восстановление части фасадов существующего здания,
- восстановление ландшафта парковой зоны.
При численном моделировании нами были проведены расчеты влияния устройства котлована с различными способами устройства ограждений котлована и обеспечения их устойчивости, обеспечения устойчивости и жесткости существующего здания, устройства противофильтрационных завес, последовательности проведения работ и т. д.
В окончательном варианте геотехнического моделирования учитывалась следующая технологическая последовательность выполнения работ:
1. Демонтаж надземной части здания в осях «Л-С»/ «1-10».
2. Устройство ограждения котлована вдоль оси «Л» по технологии jet-grouting до абсолютной отметки 114,80 м.
3. Демонтаж фундаментов здания в осях «Л»-«С».
4. Устройство свайного поля с опиранием свай на коренные породы.
5. Закрепление грунта по технологии jet-grouting мощностью 2+2 м в абсолютных отметках 118,8 м-114,8 м с целью создания горизонтального диска жесткости и разряженной противофильтрационной завесы дна котлована.
6. Экскавация грунта из котлована до абс. отметки 118,8 м.
7. Возведенного здания 3-го этапа.
Рис. 5. Сечение № 5. Изолинии вертикальных перемещений после экскавации грунта из котлована до абс. отм. 118,8м
1
Рис. 6. Сечение № 1. Изолинии вертикальных перемещений при передаче полезной нагрузки на фундаменты здания
Рис. 7. Сечение № 1. Изолинии горизонтальных перемещений после экскавация грунта из котлована до абс. отм. 118,8 м
Численное моделирование было выполнено с использованием программного комплекса Р1_АХ!в 20 у.9.0.
В ходе геотехнического моделирования были созданы отдельные расчетные схемы сечений котлована (рис. 1).
Результаты расчетов представлены на рис. 2-7 и сведены в табл. 2.
На основе результатов геотехнического моделирования были сделаны следующие выводы:
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
- предложенные проектные решения устройства ограждения котлована строительства обеспечивают конструкционную безопасность существующего здания;
- полученные в результате расчетов по геотехническому моделированию деформации фундаментов существующего здания не превышают допустимых значений согласно приложению Ж СП22.13330.2011;
- устройство котлована по предложенной схеме не окажет значительного влияния на существующую застройку.
В связи с тем, что реконструируемое здание представляет собой объект культурного наследия, часть зданий, попадающих в зону влияния строительства, представляет историческую ценность или находится в аварийном состоянии, авторами было предложено на время проведения работ по реконструкции здания установить непрерывный мониторинг за состоянием этих зданий. Необходимость этого вызвана в том числе и тем, что в стесненных городских условиях при сложившейся геотехнической обстановке существует вероятность изменения грунтовых условий под воздействием природных и техногенных факторов, которые невозможно было учесть при проведении геотехнического моделирования. При разработке системы мониторинга очень пригодился опыт наших казанских коллег [11].
Ввиду сложности инженерно-геологических, гидрологических условий строительства, с целью гарантируемой сохранности социально значимого объекта, уникального для
Список литературы
1. Мангушев Р.А., Конюшков В.В., Ланько С.В. Численное моделирование шпунтового ограждения котлована с учетом влияния грунтоцементных конструкций // Сб. статей науч.-техн. конференции «Численные методы расчетов в практической геотехнике». СПб: СПбГАСУ, 2012. С. 124-136.
2. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Опыт реконструкции шестиэтажного здания с подземным пространством в центральной части Санкт-Петербурга. Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 80-летию образования каф. геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ) и 290-летию российской науки. СПб: СПбГАСУ, 2014. Ч. 1. С. 60-72.
3. Никифорова Н.С., Григорян Т.Г. Опыт применения грун-тоцементных свай при реконструкции с освоением подземного пространства Сб. статей научн.-техн. конференции «Численные методы расчетов в практической геотехнике». СПб: СПбГАСУ, 2012. С. 326-331.
4. Полищук А.И., Петухов А.А. Применение инъекционных свай при усилении фундаментов реконструируемых зданий. Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы между-нар. науч.-техн. конф., посвящ. 80-летию образования каф. геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ) и 290-летию российской науки. СПб: СПбГАСУ, 2014. Ч. 1. С. 148-157.
5. Безгодов М.А., Калошина С.В. Выбор модели грунта при численном моделировании влияния разработки глубоких котлованов на существующую застройку // Вестник ПНИПУ. Урбанистика. 2012. № 2(6). С.17-27.
6. Ponomarev A. B., Kaloshina S.V. Influence of club foundations constructed in dense urban settings onsettlement of existing
9'2014 ^^^^^^^^^^^^^^
г. Перми и Пермского края здания и окружающей исторической застройки объектов культурного наследия, авторами было предложено:
- обеспечить научно-техническое сопровождение всего комплекса работ согласно СП 22.13330.2011: по усилению основания, фундаментов, стен здания, ремонту отдельных элементов, узлов, конструкций, реконструкции здания в целом, начиная от изыскательских работ и завершая вводом в эксплуатацию III очереди строительства (реконструкции);
- в рамках выполнения научно-технического сопровождения на основании полученных значений несущей способности свай по данным статических полевых испытаний по ГОСТ 5686-2012 и действительных полезных нагрузок на строительные конструкции выполнить уточняющие расчеты оценки влияния строительства на окружающую застройку;
- до начала строительства (реконструкции) выполнить натурное моделирование в опытном котловане на основании специально разработанного проекта в рамках проводимого научно-технического сопровождения;
- осуществлять геотехнический мониторинг согласно п.12 СП22.13330.2011 во время выполнения всего комплекса работ строительства (реконструкции);
- при необходимости на основании результатов геотехнического мониторинга вносить корректировку в рабочую документацию по объекту.
References
1. Mangushev R.A., Konyushkov V.V., Lan'ko S.V. Numerical simulation of sheet piling foundation pit considering the influence of grouting designs. Numerical calculation methods in practical geotechnical engineering: Collection of articles of scientific and technical conference. St. Peterburg. 2012, pp. 124-136. (In Russian).
2. Mangushev R.A., Osokin A.I. Experience of reconstruction six-storey building with an underground space in the central part of St. Petersburg. Modern geotechnology in construction and scientific and technical support: proceedings of the international scientific-technical. conf., dedicated. 80th anniversary of the Department. Civil Engineering Geotechnical (soil mechanics, foundations and basements LISI) and the 290th anniversary of growing up. science. St. Peterburg. 2014. Part. 1, pp. 60-72. (In Russian).
3. Nikiforova N.S., Grigoryan T.G. Experience of using grouting piles in the reconstruction with the development of underground space. Numerical calculation methods in practicalgeotechnical engineering: Collection of articles of scientific and technical conference. St. Peterburg. 2012, pp. 326-331. (In Russian).
4. Polishchuk A.I., Petukhov A.A. Injectable piles at strengthening the foundations of reconstructed buildings. Modern geotechnology in con-struction and scientific and technical support: proceedings of the international scientific-technical. conf., dedicated. 80th anniversary of the Department. Civil Engineering Geotechnical (soil mechanics, foundations and basements LISI) and the 290th anniversary of growing up. science. St. Peterburg. 2014. Part 1, pp. 148-157. (In Russian).
5. Bezgodov M.A., Kaloshina S.V. Choice of soil model for numerical simulation of the effect of the development of deep pits in the existing building. Vestnik permskogo nauchno-issledovatelskogo politehnicheskogo universiteta. Urbanistika. 2012. No. 2(6), рр. 17-27. (In Russian).
- И1
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
buildings // Soil mechanics and foundation engineering. 2013. № 5, pp. 194-199.
7. Новодзинский А.Л., Пономарев А.Б., Статун А.С. Оценка влияния проходки коммунального коллектора на окружающую застройку // Актуальные проблемы геотехники: Сб. статей, посв. 60-летию профессора А. Н. Богомолова. Волгоград: ВолгГАСУ, 2014. С. 187-193.
8. Пономарев А.Б., Захаров А.В. Анализ строительства на техногенных грунтах в г. Перми //Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31-2 (50). С. 272-278.
9. Калошина С.В., Пономарев А.Б. Наиболее значимые факторы строительства при возведении зданий в стесненных условиях // Известия Орловского государственного технического университета. Серия: Строительство и транспорт. 2007. № 1-13. С. 7-1.
10. Мирсаяпов И.Т., Королева И.В. Особенности геотехнического мониторинга уникальных зданий и сооружений // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 4(26). С. 147-154.
11. Пономарев А.Б. Результаты геотехнического моделирования влияния устройства глубокого котлована на существующую застройку // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2014. № 4. С.188-201.
6. Ponomarev A. B., Kaloshina S.V. Influence of club foundations constructed in dense urban settings onsettlement of existing buildings. Soil mechanics and foundation engineering. 2013. 50. No. 5. pp. 194-199.
7. Novodzinskii A.L., Ponomarev A.B., Statun A.S. Assessing the impact of penetration of municipal collector on the surrounding buildings. Actual problems of geotechnical engineering: Collection of papers dedicated to the 60th anniversary of Professor A.N. Bogomolov . Volgograd. 2014, pp. 187-193. (In Russian).
8. Ponomarev A.B., Zakharov A.V. Analysis of the construction of man-made soils in the city of Permi. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura. 2013. No. 31-2 (50), pp. 272-278. (In Russian).
9. Kaloshina S.V., Ponomarev A.B The most significant factors of construction for buildings in crowded conditions. Izvestiya Orlovskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i transport. 2007. No. 1-13, pp. 7-1. (In Russian).
10. Mirsayapov I.T., Koroleva I.V. Features unique geotechnical monitoring of buildings and structures. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2013. No. 4(26), pp. 147-154. (In Russian).
11. Ponomarev A.B. et al. The results of the geotechnical model the impact of device deep excavation on existing development. Vestnikpermskogo nauchno-issledovatelskogo politehnicheskogo universiteta. Urbanistika. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2014. No. 4, pp. 188-201. (In Russian).
