CC BY
35Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.1
O.A. ШУЛЯТЬЕВ, канд. техн. наук, В.С. ПОСПЕХОВ, С.О. ШУЛЯТЬЕВ, инженеры,
НИИОСПим. Н.М. Герсеванова (Москва)
Из практики проектирования ограждающей конструкции и фундаментной плиты административного комплекса зданий с четырехуровневой подземной автостоянкой
Рассмотрены особенности проектирования конструкций ограждения котлована глубиной 18 м и фундамента административного комплекса, расчет которого с учетом жесткости верхних конструкций, последовательности их возведения, ограждения котлована и других факторов позволил заменить плитно-свайный фундамент на фундаментную плиту.
Ключевые слова: совместные расчеты, геотехнический барьер, фундамент, ограждающая конструкция котлована.
Офисно-административный комплекс (ранее называвшийся Delfos - Плаза), строительство которого ведется в настоящее время в Центральном административном округе Москвы (ул. Можайский вал, вл. 8), представляет комплекс из 4 разноэтажных зданий, два из которых 14-этажные и два 10-этажные высотой 55 м и 41 м соответственно. В плане комплекс представляет собой подкову размерами 140X85 м, опоясывающую существующее офисное здание (рис. 1). В подземной части комплекса расположена 4-уров-невая подземная автостоянка, объединяющая все 4 здания в одну стилобатную часть.
В соответствии с архитектурной концепцией проектное решение комплекса имеет следующие особенности: глубина котлована составляет 18 м (рис. 2); комплекс огибает существующее 8-этажное здание, располагающееся в центре площадки строительства, на расстоянии 1-2 м от ограждения котлована (рис. 1); высотные части расположены в краевых зонах комплекса, контактируя с ограждающей конструкцией.
В конструктивном плане сооружение представляет собой связевой каркас с несущими колоннами (пилонами) и стенами. Пространственная жесткость обеспечивается совместной работой колонн с плитами перекрытий, в качестве основного связевого элемента выступают стены. На рис. 3 представлен план 4-го подземного этажа административного комплекса с указанием основных несущих конструкций.
В геологическом строении площадка строительства
сложена в основном четвертичными отложениями, представленными насыпными грунтами, мощностью в среднем 3 м, аллювиальными и флювиагляциальными плотными (реже средней плотности) песками, крупностью от мелких до гравелистых, мощностью в среднем 15 м, а также пластичными супесями мощностью в среднем 7 м.
Четвертичные отложения подстилаются коренными каменноугольными породами, представленными по большей части известняками и твердыми глинами.
Рис. 1. Общий вид комплекса
№ ИГЭ Наименование грунта Плотность р, г/см3 Модуль деформации Е, МПа Угол внутреннего трения ф, град. Удельное сцепление с, кПа
1 Насыпные грунты Расчетное сопротивление R0 = 100кПа
2 Пески крупные, средней плотности, маловлажные 1,72 24 33 0,6
2б Пески крупные, плотные, маловлажные 1,79 37 36 1,3
3 Пески средней крупности, средней плотности, маловлажные 1,72 23 32 1,5
4б Пески мелкие, плотные маловлажные 1,8 35 34 4
5 Супеси пластичные 2,04 22 25 15
7б Пески средней крупности плотные, водонасыщенные 2,08 40 39 2,4
10а Глины твердые 2,1 52 17 61
11 Известняки средней прочности и прочные, размягчаемые и неразмягчаемые 2,3 Предел прочности на одноосное сжатие: R(; = 36/32(30) МПа
Научно-технический и производственный журнал
Л
Подземное строительство
Гидрогеологические условия участка строительства характеризуются распространением трех постоянных водоносных горизонтов: основного четвертичного, расположенного на глубине 16 м, и двух, расположенных в каменноугольных известняках, залегающих на значительных глубинах 30 и 50 м, и, потому в расчетах они не учитывались.
Характерный инженерно-геологический разрез представлен на рис. 2, а в таблице приведены нормативные физико-механические характеристики инженерно-геологических элементов.
Особенности конструктивного решения подземной части комплекса: строительство четырехуровневой подземной парковки ведется из котлована глубиной 18 м. В качестве ограждающей конструкции котлована принята «стена в грунте» совершенного типа глубиной 35 м, одновременно выполняющая роль противофильтрационной завесы.
В связи с тем, что комплекс проектируется вокруг уже существующего офисного здания, осадки которого от устройства подземной части не должны превышать 3 см, разработан следующий комплекс мероприятий:
- стена в грунте рядом с существующим зданием, с целью повышения жесткости и, как следствие, снижения ее перемещения и осадок существующего здания, выполнена толщиной 0,8 м, в то время как в остальной части - 0,6 м;
- удерживающая конструкция и разработка котлована в широкой части (рис. 3, правая часть) выполнялась методом semi-top-down (сверху вниз), в узкой - с помощью распорных конструкций (рис. 3, левая часть);
- между фундаментом существующего здания и ограждением котлована были выполнены защитные мероприятия в виде геотехнического барьера.
Выполнение второго мероприятия позволяет, с одной стороны, учитывая большую податливость удерживающей системы распорок из стальных труб по сравнению с разработкой котлована с удерживающей конструкцией из железобетонных дисков перекрытия при строительстве методом semi-top-down (особенно при больших величинах пролетов и глубин котлована), в том числе в результате в результате температурных деформаций [1, 2], снизить перемещения ограждающей конструкции, а следовательно и осадки существующего здания. С другой стороны позволяет вести разработку грунта довольно крупными механизмами и вывозить его с каждого уровня котлована по пандусам, расположенным в открытой части котлована, раскрепленного системой распорок. Последнее позволило существенно сократить сроки строительства подземной части.
Учитывая возможные технологические осадки в результате устройства стены в грунте глубиной 35 м вплотную к фундаменту здания, а также перемещения ограждающей конструкции котлована в процессе экскавации грунта был разработан проект защитного геотехнического барьера, активно применяемого в последнее время для защиты существующих зданий [3-5]. Суть этого мероприятия в следующем: между существующим зданием и конструкцией ограждения котлована выполняется ряд вертикальных инъ-екторов, расположенных с шагом 0,5 м и глубиной до 20 м от поверхности земли. Через данные инъекторы в грунт закачивается цементный раствор методом многоразовой инъекции по манжетной технологии. Перед началом работ по устройству «стены в грунте» производится заполнитель-ная цементация, предназначенная для заполнения полостей и крупных пор грунта и подготовки грунта ко второй и
Рис. 2. Инженерно-геологический разрез
последующим стадиям компенсационного нагнетания. Вторая и последующие стадии (компенсационное нагнетание) предназначены для компенсации изменения напряженно-деформированного состояния грунта в результате влияния строительства на существующую застройку.
Особенности проектирования фундаментов. Как отмечалось выше 10-14-этажные надземные части комплекса располагаются несимметрично, «прижимаясь» к боковым граням подземной части. Это создает эксцентриситет в приложении нагрузки. Выполненные расчеты показали, что при расположении комплекса на плитном фундаменте возникает крен зданий, величина которого превышает предельно допустимые значения, что недопустимо для нормальной эксплуатации лифтового оборудования. В связи с этим первоначально был разработан плитно-свайный фундамент, включающий 170 буронабивных свай 01,2 м, длиной 12,5 м, объединенных ростверком толщиной 1 м.
В дальнейшем, в результате выполнения дополнительных инженерно-геологических изысканий, уточняющих геологическое строение и физико-механические характеристики грунта, а также проведения уточняющих расчетов появилась возможность отказаться от свай.
Рис. 3. Схема крепления ограждения котлована
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 4. План 4-го подвального этажа
В связи с тем, что комплекс зданий имеет большое заглубление (фундамент располагается на глубине 18 м) и развитую подземную часть, вес здания не превышает веса вынутого грунта. Таким образом, грунты основания при строительстве на них административного комплекса будут работать квазиупруго с деформационными характеристиками, определяемыми по вторичной ветви нагружения. Учет этого дает значительное снижение общих, а значит и неравномерных осадок. Кроме этого, для уточнения расчетов фундамента учитывались следующие факторы:
- конструкции каркаса здания;
- поэтапный монтаж конструкций каркаса здания;
- наличия в основании фундамента конструкции ограждения котлована (стены в грунте толщиной 0,6-0,8 м и глубиной 35 м).
Известно [6-9], что учет конструкций здания при расчете фундаментов способен изменить напряженно-деформированное состояние фундаментных конструкций, давая при этом полное представление о работе фундамен-
Рис. 5. Общий вид расчетной схемы
та в составе каркаса здания. При этом выигрывают не только геотехники, но и конструкторы каркаса здания, поскольку, при введении в расчетную схему податливого основания, неопределенность усилий, связанная с деформацией фундаментов, отпадает сами собой.
В настоящее время расчеты фундаментов с учетом жесткости надземного строения уже входят в повседневную практику, однако и здесь имеются свои подводные камни. Здание не возводится мгновенно. Если это не учитывать, то результаты расчетов, полученные с учетом этой предпосылки, не всегда будут соответствовать тому, что получится в итоге после завершения строительства.
Жесткость одного этажа не возможно сравнить с жесткостью всего каркаса здания в целом, а это значит, что по мере роста этажности жесткость здания постоянно меняется. По мере роста этажности растет и нагрузка, которая воспринимается зданием на этапе строительства. Сам учет монтажа конструкций или роста жесткости сооружения может привести как к увеличению моментов и неравномерных деформаций, вследствие меньшей жесткости каркаса, так и к их уменьшению, вследствие перераспределения нагрузок.
Учитывая разную этажность зданий, для уменьшения моментов не только в фундаментной, но и в надземной конструкции было принято решение о разделении всего комплекса тремя деформационными швами (см рис. 3). Это решение позволило не только уменьшить изгибающие моменты в разнонагруженных частях комплекса, но и дало возможность независимо деформироваться отдельным его частям, уменьшая при этом неравномерность деформаций.
Важным является вопрос учета в расчете фундамента ограждающей конструкции котлована. Как показали исследования, проведенные в ПК PLAXIS 2D, учет ограждающей конструкции позволяет уменьшить краевые осадки фундамента минимум на 15%. А для здания, у которого основная часть нагрузки сконцентрирована в краевой зоне, этот фактор является весьма существенным.
Научно-технический и производственный журнал
Л
Подземное строительство
-tS.-SSiS 'S2.3S1 -3&.92И
Рис. 6. Изополе осадок фундаментной плиты, мм
Развитие современной техники дает возможность учесть все вышеперечисленные факторы в одной расчетной модели.
Для выполнения расчета фундаментов административ- 3. но-офисного комплекса построена модель в ПК ANSYS 13, позволяющая учитывать работу грунта основания, ограждающую конструкцию котлована, а также каркас здания с учетом его монтажа (рис. 5). 4.
Расчетная модель включала порядка 580 тыс. конечных элементов (КЭ). Грунт основания моделировался объемными КЭ, плиты перекрытия и фундамент - оболочечными КЭ, а колонны - стержневыми КЭ. Во избежание возникновения чрезмерных изгибающих моментов под колоннами установ- 5. лены специальные «жесткие» элементы с размерами, соответствующими размерам колонн, и толщиной, равной высоте этажа, тем самым уменьшая значения завышенных моментов, вызванных сингулярностью при приложении нагрузки.
В результате расчетов (рис. 5, 6) было получено, что ни для одного из зданий комплекса максимальная осадка не 6. превысит 7 см, а ее максимальная неравномерность составит 0,0027, что меньше предельных значений (0,003). А это значит, что комплекс зданий может быть построен на плит- 7. ном фундаменте без ущерба для эксплуатационных качеств зданий.
Возможность строительства комплекса на плитном фундаменте позволила сэкономить только на бетоне свай несколько десятков миллионов рублей, не учитывая то, что 8. сроки строительства существенно сократились.
Список литературы
1. Петрухин В.П., Поспехов В.С., Шулятьев О.А. Опыт проектирования и мониторинга глубокого котлована // Сборник научных трудов НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. 9. 2008. Вып. 99. С. 139.
2. Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Колыбин И.В., Мозга-чева О.А., Безволев С.Г., Кисин Б.Ф. Строительство
ММДЦ «Москва-СИТИ» // Российская архитектурно-строительная энциклопедия. Том XII. Строительство подземных сооружений. 2008. С. 360. Пат. № 2245966 РФ. Способ возведения подземных сооружений в зоне городской застройки / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачева. Заявл. 7.08.2002. Опубл. 20.02.2004. 2005, Бюл. № 3.
Construction of the underground part of the Turkish Trade Center in Moscow. V.P. Petrukhin, O.A. Shuljatjev, O.A. Mozgacheva // 4th International Symposium Geotechnical Aspects of Undergraund Construction in Soft Ground (IS-Toulouse 2002). Р.125.
Разводовский Д.Е., Шулятьев О.А, Никифорова Н.С. Оценка влияния нового строительства и мероприятия по защите существующих зданий и сооружений // Российская архитектурно-строительная энциклопедия. Том XII. Строительство подземных сооружений. 2008. С. 409.
Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиз-дат, 1984. 679 с.
Маликова Т.А., Болтянский Е.З., Чинилин Ю.Ю. Совместный расчет фундаментной плиты и надфундаментных конструкций элеваторных сооружений конечной жесткости на закарстованном основании // Тр. НИИ оснований и подземных сооружений. 1985. Вып. 84. С. 89. Шулятьев С.О., Федоровский В.Г., Дубинский С.И. Расчет фундаментной плиты в составе здания с полным каркасом методом численного моделирования с учетом последовательности возведения // Сборник статей международной научно-технической конференции: Численные методы расчетов в практической геотехнике. СПбГАСУ, 2012. 36 с.
Боков И.А., Шулятьев С.О. Прогноз осадок свайных фундаментов многоэтажных зданий при застройке Павшин-ской поймы и сравнение их с результатами мониторинга // Жилищное строительство. 2010. № 5. С. 2-6.
