CC BY
98Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 69.035.4
А.Г. ШАШКИН, д-р геол.-минер. наук ([email protected]), С.Г. БОГОВ, инженер
ООО «ПИ «Геореконструкция» (190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4)
Использование технологии jet grouting
при устройстве подземного объема в условиях слабых глинистых грунтов
Изложен опыт устройства подземного сооружения в среде плотной городской застройки в условиях распространения слабых, водонасыщенных глинистых грунтов. Эффективность оригинальной идеи устройства глубокого котлована с использованием короткого шпунта и технологии jet grouting обосновывается расчетами и проверяется на практике. Сущность предложенного способа состоит в устройстве «жесткого контура» по периметру котлована, который позволяет разрабатывать грунт внутри котлована открытым способом. Сам «жесткий контур» представляет собой часть подземного сооружения, устраиваемую в первую очередь. Для этого разрабатываются траншеи шириной 10-15 м под защитой короткого шпунтового ограждения, превентивно выполненного закрепленного слоя грунта ниже проектной отметки днища по технологии jet grouting и системы распорных креплений. Рассмотренный способ обеспечивает безопасность окружающей застройки и экономически целесообразен.
Ключевые слова: подземное сооружение, безопасность окружающей застройки, геотехнический мониторинг, слабый глинистый грунт.
A.G. SHASHKIN, Doctor of Sciences (Geology and Mineralogy) ([email protected]), S.G. BOGOV, Engineer OOO "PI "Georekonstruktsiya" (4, Izmaylovsky Avenue, 190005, Saint Petersburg, Russian Federation)
The Use of Jet Grouting Technology When Arranging Underground Volume under Conditions of Weak Clay Soils
The experience in arrangement of an underground structure in the height-density development under the conditions of prevalence of water-saturated clay soils is expounded. The effectiveness of the original idea of arranging the deep excavation with the use of short sheet piles and "jet grouting" technology is substantiated by calculations and verified in practice. The essence of the proposed method consists in the arrangement of a "rigid contour" along the perimeter of the excavation which makes it possible to excavate the ground within the pit in an open way. The "rigid contour" itself is a part of the underground structure which is arranged in the first turn. For this purpose, trenches of 10-15 m width are digged under the protection of sheet pile screen, preventively executed fixed layer of soil below the subgrade according to the "jet grouting" technology and the system of strutted sheeting. This method ensures the safety of the surrounding development and is economically reasonable.
Keywords: underground structure, safety of surrounding development, geotechnical monitoring, weak clay soil.
Как утверждают ведущие геотехники мира, существуют две технологии, без которых невозможно современное освоение подземного пространства городов, построенных на грунтах осадочного происхождения, - это «стена в грун-
]1л5 р. Фовтвшга, д 76. лит. А \
Пер. Джамбула, д 12, лиг. А
Пор. Джамбула,
^гпг
— Проектируемое •здание
3ai ириднын пр., Д. 21- 23
— Застройка, попадающая
В ÎOHV И.Ш1Ш
те» и jet grouting, или струйная технология. Специалисты института «Геореконструкция» приложили немало труда для апробирования этих технологий в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга и адаптации их к особенностям слабых глинистых грунтов. Исследования, которые провели в 2006-2009 гг. показали, что обе эти технологии могут использоваться для освоения подземного пространства города при условии строгого соблюде-
Г7\ TpCHUJëll r-Tv
-, Y_XT _Y
— ГраницаЗ&<га метровой юны
Рис. 1. Ситуационный план участка застройки
X] Внутренний' Первой / ряо шпунто
piTç шпунто
Рис. 2. Схема устройства траншей «жесткого контура»
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
ния стандартных технологических параметров [1]. К сожалению, последующие попытки устройства «стены в грунте» продемонстрировали существенные отклонения от стандарта на ряде объектов, которые сильно скомпрометировали эту технологию.
Возможно ли освоение подземного пространства исторического города на слабых грунтах в условиях, когда доверие к технологии «стена в грунте» в исполнении отечественных подрядчиков в значительной мере утрачено? Имеются ли другие конкурентоспособные технологии устройства глубоких котлованов?
Проблемы технологии «стена в грунте» в Санкт-Петербурге (будем надеяться, временные) побудили специалистов института «Геореконструкция» при строительстве двухэтажного подземного объема, служащего основанием жилого здания, обратиться к идее устройства подземного сооружения, предложенной еще в 2005 г. при проектировании подземного объема второй сцены Мариинского театра, в то время когда в городе отсутствовало современное оборудование для изготовления монолитных стен в грунте. Эта идея была подробно изложена одним из авторов настоящей статьи на страницах журнала «Жилищное строительство» [2]. К сожалению, концепция не была реализована на объекте. Возможность наглядной демонстрации преимуществ концепции представилась при строительстве жилого здания с развитой подземной частью в самом центре Санкт-Петербурга в условиях плотной городской застройки.
Краткая характеристика строительной площадки. Проектируемый объект представляет собой 9-этажный многоквартирный жилой дом с двухуровневой подземной автостоянкой. Надземная часть здания имеет П-образную форму, подземная часть - прямоугольную, с размерами 88,04x41,8 м.
Для устройства подземного сооружения (с учетом толщины плиты ростверка и устройства подготовки) необходимо вскрытие котлована на глубину около 8,7 м от дневной поверхности.
Здание возводится в условиях плотной застройки: соседние здания находятся на расстоянии 8-10 м от границ котлована, а одно из них вплотную примыкает к подземному сооружению (рис. 1).
Рис. 3. Последовательность устройства котлована: а — погружение шпунта и закрепление слоя грунта ниже днища; б, г — откопка траншей с установкой распорок; в, д — откопка до проектной отметки низа днища б
Рис. 4. Последовательность устройства котлована: а, в — возведение железобетонных конструкций в пределах «жесткого контура»; б, г — разработка грунта «островов»
Шаг нстыч н*
-ваг f—. . _ ю ч
н
1-ИИ О.'М»
Рис. 5. Вертикальные деформации прилегающей территории (м) при устройстве подземной части здания под защитой «жесткого контура» (соседнее здание, расположенное на расстоянии 16 м, получает дополнительную осадку не более 2 см)
Научно-технический и производственный журнал
Ёремя гослр начала эаэработки котлована, мес.
Рис. 6. График развития осадки прилегающей территории во времени при устройстве подземной части здания под защитой «жесткого контура»
В инженерно-геологическом отношении площадка строительства является довольно типичной для исторического центра города. Разрез участка под слоем техногенных отложений представлен послеледниковыми (озерно-морскими) пылеватыми песками и супесями пластичными, озерно-ледниковыми суглинками текучими. Озерно-ледниковые и озерно-морские глинистые отложения, распространенные до глубины 18 м от поверхности, относятся к структурно-неустойчивым грунтам, способным при нарушении естественного сложения переходить из состояния твердообраз-ного тела в состояние жидкообразной среды. Ниже залегают ледниковые отложения лужской морены - пески средней крупности, супеси пылеватые пластичные, суглинки тугопластичные и полутвердые с прослоями супеси, с валунами, гравием и галькой. На глубинах 26-30,2 м отложения лужской морены подстилаются межстадиальными озерно-ледниковыми суглинками текучепластичными, а на глубине 27,8-34,8 м вскрыта кровля ледниковых отложений московской морены, представленной суглинками полутвердой консистенции, гравийно-галечниковыми грунтами и супесями твердыми. Залегают грунты четвертичного комплекса на коренных отложениях верхнего протерозоя, представленных глинами твердыми, кровля которых вскрыта на глубине 30-37,7 м. Верхний слой коренных глин мощностью 1,3-2,8 м затронут ледниковой дислокацией. Ниже вскрыты глины твердые.
Гидрогеологические условия исследуемой территории характеризуются распространением двух водоносных горизонтов. Первый - безнапорный водоносный горизонт, приурочен к подошве техногенных образований (на глубине 1,8-2,3 м), песчано-супесчаной толще озерно-морских отложений. Его относительным водоупором служат ледниковые глинистые грунты. Напорные воды второго водоносного горизонта (величина напора 1,7-5,6 м) на исследуемой территории встречаются спорадически и приурочены к маломощным прослоям песков, встречаемых на контакте озерно-ледниковых и моренных отложений на глубине 13,4-7,3 м.
Варианты устройства подземной части здания. В рассматриваемых геотехнических условиях единственно возможным является выбор свайного типа фундаментов, который позволяет минимизировать осадки проектируемого здания, а следовательно, и осадки окружающей застройки.
В рассматриваемом разрезе наиболее целесообразно использовать отложения венда в качестве опорного слоя свай (глубина нижнего конца свай около 40 м). Это позволяет достичь несущей способности для свай диаметром 620 мм порядка 3200 кН. По результатам расчета в нелинейной постановке максимальная расчетная осадка проектируемого здания при этом составляет 4 мм, а окружающей застройки - всего 2 мм, что позволяет зарезервировать основную часть допустимых дополнительных осадок для воздействий, связанных с устройством котлована. Предельная величина осадок окружающей стройплощадку застройки, допускаемая петербургскими геотехническими нормами, составляет всего 3 см.
По имеющемуся опыту, при расположении зданий на расстоянии до 10 м от ограждения котлована осадки зданий соразмерны величинам горизонтальных смещений ограждения. Это означает, что порядок допустимых величин перемещения ограждения также составляет около 3 см. Поэтому строительство подземного сооружения в примыкании к существующим зданиям представляет сложную техническую задачу.
Как показывают расчеты и данные наблюдений, возможность использования консольных ограждений котлована в слабых грунтах ограничена. По результатам наблюдений на опытной площадке на участке строительства второй сцены Мариинского театра при откопке котлована на глубину порядка 3 м произошло смещение шпунтового ограждения глубиной 21 м на величину до 3,5 см [2]. Это свидетельствует о высокой податливости безраспорной ограждающей конструкции. При этом происходит не столько изгиб ограждающей конструкции, сколько ее вращение как жесткого тела. В таких условиях увеличение жесткости ограждающей конструкции оказывается малоэффективным.
Для минимизации перемещений ограждения котлована необходима жесткая система распорок, удерживающая ограждение котлована от перемещений. Системы ограждения котлована с анкерными креплениями можно однозначно исключить из рассмотрения, поскольку таким системам свойственна сравнительно высокая податливость. При расположении корня анкеров в слабых грунтах он не позволит минимизировать деформации ограждения. При использовании длинных анкеров с заглублением корня в прочные слои перемещения, превышающие допустимые, могут достигаться за счет податливости только анкерных тяг. Кроме того, расположение корней анкеров под существующими зданиями может негативно сказаться на деформациях последних.
Применение металлических распорок для ограничения податливости ограждения является рациональным при сравнительно небольшой ширине котлована (примерно до 20 м). При больших размерах котлованов распорная система превращается в пространственную ферму со значительными сечениями распорок и небольшим шагом, что чрезвычайно затрудняет разработку грунта и последующее изготовление конструкций. Такая металлическая конструкция может обладать недопустимой податливостью.
Вместо металлической системы распорных креплений может быть использована железобетонная, изготавливаемая по мере откопки котлована. Опыт устройства таких систем имеется, например, в Шанхае. Их недостатком
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 7. Развитие осадок соседней застройки: а — схема расположения геодезических марок (М-1 и т. д.) и инклинометров (И-1 и т.д.); б — развитие осадок д. 76 по наб. р. Фонтанки; в — сопоставление результатов расчета и натурных наблюдений за развитием осадок во времени
является чрезвычайная громоздкость, а также проблематичность демонтажа.
Более экономичной является концепция строительства «сверху вниз» (top down). В этом случае роль распорок играют диски перекрытий, изготавливаемые последовательно по мере откопки котлована. Недостатком концепции «сверху вниз» является технологическая сложность разработки грунта под перекрытием, особенно в условиях слабых глинистых грунтов, склонных к разжижению при динамических воздействиях от работы техники. Тем не менее, в условиях плотной застройки этот принцип строительства может быть вполне перспективным, поскольку позволяет обеспечить наименьшую податливость ограждающих конструкций. Длительные сроки возведения подземной части можно компенсировать одновременным строительством надземной части здания.
Альтернативой описанным вариантам служит способ устройства подземного объема «под защитой жесткого контура», впервые предложенный специалистами института «Геореконструкция» при проектировании здания второй сцены Мариинского театра. Этот способ заключается в устройстве траншей шириной 10-15 м под защитой шпунта и системы распорных креплений, образующих замкнутый контур по периферии подземного объема, в которых выполняются железобетонные конструкции будущего сооружения. Эти конструкции служат далее жестким контуром, воспринимающим давление от окружающего массива грунта и соседних зданий, под защитой которого выполняется разработка грунта внутренней части котлована - так называемого «острова».
Как показывают выполненные исследования [3], в условиях распространения слабых глинистых грунтов наибольшие перемещения ограждения котлована часто происходят ниже дна котлована, т. е. ниже того уровня, на котором имеется возможность установить распорку. Следовательно, необходимо найти способ создания такой распорки до откопки котлована. Такую возможность предоставляет
Научно-технический и производственный журнал
2
: Ç ï
II
i £L
/ ^ a К/ "
/ / ¥ w / Jy* /
/ /°/ / a ° -J.-С-i-Â
- c^
—Л
/ /*/ / У / Г/
Наименошнше iiiifvvi и их
характеристика
ni
ГйГии
Насыпные грунш: псскн ншэдтыс. с при м fil,m
растптелыилх остатков.
СТр01ПСЛЫ1ЫМ Му'СЛрОМ, слсжыщнссг, с гл. 1,7м IKithllllLllHI-lh.' №MOii.
Пески пылив., ср£ДЯ€в ПЛОТНОСТИ, ¡ШСШЦ, водой,
Сулсси iiij.iCiioi ut, mvHite.
Cyi -iiiiKti тяжелые и м лс ват ыс. текуч mi,
Пески крупные. IUILM щемим с uu.ioii.
( ужен пше пятые, пластичные.
Гкски крупные, насыщенные №■ иш.
Сунссн ныдеытыс, няасшчиые.
Г*
LIEHKM .ICI KIIC
иыжватък. i vKnuiacitm.
Инклинометр И -1
["оркЯ>мтзл ииыг п( р(ил*Щ* НИИ, мм
-НН»
Рис. 8. Результаты измерения горизонтального смещения массива грунта и ограждения котлована по инклинометру И-1
технология «jet grouting». Она позволяет устроить слой закрепленного грунта на требуемой глубине. С помощью этой технологии становится возможным простой способ устройства «жесткого контура»: ограждение траншей выполняется из короткого шпунта, который погружается всего на 3-4 м ниже проектной отметки дна котлована, а между двумя рядами шпунта ниже той же отметки устраивается слой закрепленного грунта толщиной порядка 2 м.
92014 ^^^^^^^^^^^^^
Следует отметить, что при большом расстоянии между рядами шпунта работа слоя закрепленного грунта в качестве распорки может оказаться неэффективной из-за де-формативности этого слоя. Например, при расстоянии 40 м податливость 2-метрового слоя по горизонтали по расчету составит порядка 2-3 см, т. е. достигнет порядка величин предельно допустимых смещений. Об этом же свидетельствуют и результаты натурных наблюдений на реаль-
- |31
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
а ± =
Р £
А 5 г.
и »V
!И.
Мжипимк |р>шиг иссь'и ие.ШК, №ГТрП1ГКЛЬНММ
ъ'|м.мисН иллшкш.
Н 1 и I 1 <-> «исII с.кжаншкй*, (.V
С Г.1, К идгиниинщк'
№.1Н1.
М^скп иыи.'нлш.',
" КГЦИЧЧЦ. ||3?!ЛЦ£НН№ МП"!"
< у|НГИ ПК.Х'ЙЛМС,
Суглинки
пм.кнгме. 1«\чис
СУГЛИНКИ ЛС1 Н1>' ПН1КПШС,
( уг 11114 КН .1(1 И|<?
¡утш^шчньк.
Инклинометр И -3
Горизонтальные перемещении, мм
-■20:00
Рис. 9. Результаты измерения горизонтального смещения массива грунта и ограждения котлована по инклинометру И-3
ных объектах, где слой закрепленного грунта оказался неэффективным при большой ширине котлована.
Проектное решение и последовательность работ. В качестве ограждающей конструкции использован металлический шпунт Ларсен Л5. Длина внутреннего ряда металлического шпунта, впоследствии извлекаемого, принималась из условия его заглубления до уровня низа слоя закрепленного грунта, т. е. 10,7 м; наружного ряда
- из условия ограничения водопритока в котлован, т. е. 12 м.
В проведенной сери расчетов принимались следующие данные: толщина закрепленного по струйной технологии слоя грунта 2 м; характеристики закрепленного слоя грунта, устраиваемого в диапазоне глубин 9-11 м, были приняты равными: прочность при сжатии 2 МПа, модуль упругости Е=400 МПа; коэффициент Пуассона у=0,2. Обоснован-
Научно-технический и производственный журнал
ность такого назначения характеристик подтверждена данными специальных исследований [4].
Схема устройства траншей «жесткого контура» представлена на рис. 2.
Устройство подземного пространства показано на рис. 3, 4:
- погружение шпунтового ограждения по границе «жесткого контура», устройство буронабивных свай;
- закрепление грунта ниже дна будущего котлована по струйной технологии в пределах «жесткого контура» на глубине ~8,7-10,7 м (толщиной 2 м);
- экскавация грунта в траншеях на глубину ~1,5 м; установка распорной системы из металлических балок на глубине ~1 м, экскавация грунта в траншеях до проектной отметки дна котлована (на глубину ~8,7 м), изготовление ростверка в пределах «жесткого контура»; в траншее у дома, непосредственно примыкающего к котловану, устанавливался дополнительный уровень распорок на глубине ~4,5 м;
- устройство конструкций жесткого контура из монолитных стен и колонн в уровне минус 2-го этажа и перекрытия над минус 2-м этажом;
- устройство жесткого контура из монолитных стен и колонн в уровне минус 1 -го этажа и перекрытия над минус 1-м этажом в пределах траншей, демонтаж металлической распорной системы;
- экскавация грунта в средних частях котлована (в «островах»), извлечение внутреннего ряда шпунта;
- изготовление монолитных конструкций подземных этажей в средних частях котлована.
Расчет сооружения выполнялся с учетом всех перечисленных этапов его устройства по программе FEM models с помощью вязкопластической модели, учитывающей реологические свойства грунта. При этом предполагалось, что работы по экскавации грунта в траншеях и устройству плиты ростверка в их пределах займут не более 8 мес., а полная экскавация котлована и устройство ростверка в средних частях будут завершены через 18 месяцев после начала разработки грунта в траншеях.
В результате осадка прилегающей территории, достигаемая через 4 года после начала разработки котлована, по расчету составила 2 см (рис. 5). График развития осадки во времени приведен на рис. 6. Горизонтальные смещения ограждения котлована по расчету не превышают 4 см при разработке траншеи с одним уровнем распорных креплений и 2 см - при двух уровнях распорок.
Из приведенных результатов расчета видно, что данный способ устройства подземного пространства вполне удовлетворяет условиям обеспечения безопасности соседней застройки. Суммарная осадка прилегающей территории от перемещения ограждения котлована и статического нагру-жения основания весом проектируемого здания составляет 2+0,2=2,2 см, что не превышает предельно допустимую величину дополнительной осадки соседних зданий (3 см). К тому же при этом варианте имеется «запас» 8 мм на случай возможных дополнительных перемещений зданий вследствие технологических воздействий во время производства работ.
Результаты геотехнического мониторинга. Как показали результаты мониторинга, развитие осадок окружающей застройки при устройстве котлована соответствовало расчетным ожиданиям (рис. 7) и не превысило 10-20 мм.
Горизонтальные перемещения в сторону котлована согласно показаниям инклинометров составили от 22,8 (для
9'2014 ^^^^^^^^^^^^^^
И-1, рис. 8) до 33,5 мм (для И-3, рис. 9). При этом наибольшие деформации происходили на глубине 5-6 м (деформации верхней части инклинометрической трубы во внимание не принимаются, поскольку обусловлены податливостью ее свободного конца).
Заключение
Как показывают результаты мониторинга, способ устройства подземного сооружения под защитой «жесткого контура» оказывается весьма эффективным в рассматриваемой геотехнической ситуации. Он надежно обеспечивает безопасность соседней застройки и вполне оправдан в экономическом отношении. Стоимость 1 м подземного сооружения оказывается сопоставимой с аналогичным параметром для наземной части здания. Надежность проектного решения и его экономическая целесообразность, а также адекватность подрядчика по выполнению специальных работ в грунте, соблюдающего технологическую дисциплину, открывает возможности безопасного освоения подземного пространства мегаполиса.
Список литературы
1. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб: Стройиз-дат Северо-Запад, Геореконструкция. 2010. 551 с.
2. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Устройство подземного объема второй сцены Мариинского театра в условиях слабых глинистых грунтов // Жилищное строительство. 2011. № 10. С. 24-31.
3. Шашкин А.Г. Проектирование зданий и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. М.: Академическая книга - Геомаркетинг. 2014. 352 с.
4. Богов С.Г. Адаптация струйной технологии для целей освоения подземного пространства в исторической части Санкт-Петербурга в условии слабых грунтов // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 25-30.
References
1. Ulitsky V.M., Shashkin A.G. Shashkin K.G. Geotekhni-cheskoe soprovozhdenie razvitiya gorodov [Geotechnical maintenance of development of the cities]. SPb: Stroyizdat Severo-Zapad, Georekonstruktsiya. 2010. 551 p.
2. Ulitsky V. M., Shashkin A.G. Construction of underground volume of the second stage of the mariinsky theatre under conditions of soft clay soils. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 10, pp. 24-31. (In Russian).
3. Shashkin A.G. Design of buildings and underground constructions in difficult engineering-geological conditions of St. Petersburg [Design of buildings and underground constructions in difficult engineering-geological conditions of St. Petersburg]. Moscow: AKademicheskaya kniga -Geomarketing. 2014. 352 p.
4. Bogov S.G. Adaptation of jetting technology for development of underground space in the historical part of Saint-Petersburg under conditions of weak soils. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014 . No. 3, pp. 25-30. (In Russian).
- l33
