CC BY
73Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.15 (035.5)
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-3-10
Р.А. МАНГУШЕВ, д-р техн. наук (ramangushev@yandex.ru), В.В. КОНЮШКОВ, канд. техн. наук (v.konyushkov@mail.ru), Л.Н. КОНДРАТЬЕВА, д-р техн. наук, В.М. КИРИЛЛОВ, д-р техн. наук
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
Методика расчета технологической осадки
■ о о о
основания фундаментов зданий соседней застройки
при устройстве котлованов
Приведен опыт работ по устройству глубокого котлована рядом с существующим зданием, получившим значительные дополнительные осадки и повреждения несущих конструкций в процессе вибропогружения шпунта. Показаны графики зависимостей развития осадок на период строительства. Определены фактические значения деформационных и прочностных характеристик грунтов после технологических воздействий. Определен средневзвешенный модуль деформации грунтов в пределах сжимаемой толщи обратным пересчетом с учетом измеренной дополнительной осадки. Показана методика оценки технологических осадок здания в рас-структуренных тиксотропных водонасыщенных грунтах. Выполнен анализ причин развития осадок основания фундаментов здания соседней застройки. Результаты аналитических и численных расчетов подтверждены материалами дополнительных инженерно-геологических изысканий.
Ключевые слова: котлован, вибропогружение, шпунт, грунт, технологические осадки.
Для цитирования: Мангушев Р.А., Конюшков В.В., Кондратьева Л.Н., Кириллов В.М. Методика расчета технологической осадки основания фундаментов зданий соседней застройки при устройстве котлованов // Жилищное строительство. 2019. № 9. С. 3-10. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-3-10
R.F. MANGUSHEV, Doctor of Sciences (Civil Engineering) (ramangushev@yandex.ru), V.V. KONYUSHKOV, Candidate of Sciences (Civil Engineering) (v.konyushkov@mail.ru), L.N. KONDRATIEVA, Doctor of Sciences (Civil Engineering), V.M. KIRILLOV, Doctor of Sciences (Civil Engineering) Saint-Petersburg Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2nd Krasnoarmeyskaya Street, Saint Petersburg 190005, Russian Federation)
Method of Calculation of Technological Settlement of Buildings Foundations of Adjacent Development
when Excavating Pits
The experience in works on the arrangement of a deep pit next to the existing building, which received significant additional settlements and damages to bearing structures in the process of vibropiling is presented. The graphs of dependences of the settlement development for the period of construction are shown. The actual values of deformation and strength characteristics of soils after technological influences are determined. The weighted average modulus of soil deformation within the compression thickness is determined by inverse recalculation with due regard for the measured actual additional settlement. The method of evaluation of technological settlements of the building in restructured thixotropic water-saturated soils is shown. The analysis of the reasons for the development of base precipitations of foundations of neighboring buildings is made. The results of analytical and numerical calculations are confirmed by the materials of additional engineering-geological surveys.
Keywords: pit, vibropiling, sheet pile, soil, technological precipitations.
For citation: Mangushev R.A., Konyushkov V.V., Kondratjeva L.N., Kirillov V.M. Method of calculation of technological settlemet of buildings foundations of adjacent development when excavating pits. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 9, pp. 3-10. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-3-10
Одной из главных проблем при строительстве подземных сооружений в городах является обеспечение безопасности зданий окружающей застройки. Расчет технологической осадки основания фундаментов зданий соседней застройки при устройстве котлованов является сложной технической задачей [1-5]. Как правило, при новом строительстве
в условиях уплотненной застройки не допускается применение динамических воздействий при погружении шпунтового ограждения или свай, поскольку в ряде случаев это способствует разупрочнению структурных связей в тиксотропных водонасыщен-ных грунтах озерно-морских и озерно-ледниковых отложений.
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
В свою очередь, это приводит к изменению их прочностных и деформационных характеристик [6-8]. Дальнейшая разработка котлована до проектных отметок, даже с устройством элементов раскрепления, может служить причиной развития сверхнормативных осадок зданий соседней застройки, приводящей к предаварийным или аварийным ситуациям [9-11].
Оценка дополнительной осадки соседних зданий в таких случаях хоть и является актуальной задачей,
Рис. 1. Ситуационный план расположения проектируемого жилого дома (выделено красным) и зданий окружающей застройки (обозначены цифрами 1—3)
но в настоящее время технически не регламентирована. При этом как негативный, так и успешный опыт устройства котлованов в сложных инженерно-геологических условиях является полезным для практики проектирования и строительства.
Общие сведения о строящемся объекте и зданиях окружающей застройки
В качестве реального примера рассмотрено строительство жилого девятиэтажного здания с развитым подземным пространством под паркинг в одном из центральных районов Санкт-Петербурга. Размеры проектируемого котлована составляют в плане 85x60 м при проектной глубине 6 м (рис. 1).
В 30-метровую зону риска нового строительства попадают три здания, которые были обследованы и для каждого из них была установлена категория технического состояния (табл. 1).
Наибольшее влияние от нового строительства предполагалось на жилое здание № 1 (табл. 1), представляющее собой четырехэтажный жилой дом с размерами в плане 45x9 м и наиболее близко расположенное к границе котлована будущего строительства - 7,6 м.
Конструктивный тип здания бескаркасный, с несущими продольными и поперечными стенами. Фундаменты здания ленточные, трапецеидального сечения, выполнены из бутовой кладки на известково-песчаном растворе. Глубина заложения фундаментов составляет 2,7-2,8 м от дневной поверхности грунта. Ширина подошвы 1,5-1,8 м. В основании фундаментов обнаружены лежни из деревянных бревен. Наружные и внутренние стены выполнены из красного глиняно-
Категория технического состояния зданий окружающей застройки
Таблица 1
Современное использование Категория технического состония Предельная дополнительная осадка, см Допустимый крен
СП 22.13330.2016 ТСН 50-302-2004 СП 22.13330.2016 ТСН 50-302-2004
Жилое II 1 3 0,0006 0,0015
Учебный корпус II 1 3 0,0006 0,0015
Нежилое I 5 5 0,002 0,002
Научно-технический и производственный журнал
Условные обозначения:
- насыпные грунты
- очень сильнодеформируемый грунт Е < 5 МПа | | - сильнодеформируемый грунт 5 < Е < 10 МПа
| - среднедеформируемый грунт 10 < Е < 20 МПа | | - среднедеформируемый грунт Е > 20 МПа
Рис. 2. Характерный инженерно-геологический разрез площадки
- шпунт Л5-УМ Н=18 м, статическое вдавливание
- шпунт Л5-УМ Н=18 м, вибропогружение
- шпунт Л5-УМ Н=15 м, вибропогружение
- стены подземного этажа
- граница участка
Рис. 3. Схема шпунтового ограждения
го кирпича, оштукатурены и окрашены. Толщина наружных стен здания составляет 700-980 мм, внутренних - 550-980 мм.
Инженерно-геологические условия (ИГУ) площадки строительства
ИГУ площадки в целом характерны для центральной части Санкт-Петербурга. В геологическом строении площадки до глубины 48 м принимают участие техногенные (tIV), биогенные (bIV), озерно-морские (ml IV), озерно-ледниковые (lgIII, lgII) и ледниковые (gIII, gII) отложения, а также верхнепротерозойские отложения (V2kt).
Гидрогеологические условия площадки строительства характеризуются наличием нескольких водоносных горизонтов безнапорных подземных вод.
Питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков.
Характерный инженерно-геологический разрез площадки представлен на рис. 2. В табл. 2 приведены основные физико-механические свойства грунтов строительной площадки.
Технологическая последовательность разработки котлована
Разработка котлована выполнялась открытым способом на глубину до 6 м. В качестве ограждающих конструкций котлована использовался стальной шпунт марки Л5-УМ длиной 18 м.
Шпунтовое ограждение вблизи жилого здания № 1 опускалось преимущественно вибропогружением и на отдельных участках вдавливанием (рис. 3). Для
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Основные физико-механические и прочностные свойства грунтов
Геологический индекс Наименование грунтов № ИГЭ Мощность слоя, м р, т/м3 Прочностные характеристики Е, МПа
ф, град с, МПа
t IV Насыпные грунты 1 1,5-2,9 R0 < 0,1 МПа
Ь IV Торф 2 0,3-1 1,07 0,5
т,1 IV Пески пылеватые 3 0,6-1,5 1,97 28 0,003 14
Супеси пылеватые, пластичные 4 1,6-3,9 1,95 19 0,005 9
Пески пылеватые 5 0,8-1,6 2,07 34 0,006 28
Суглинки текучепластичные 7 1,5-4,5 1,95 15 0,011 8
1д III Суглинки текучепластичные 8 0,9-3,2 1,81 10 0,009 6
Суглинки текучепластичные 9 1,1-2,6 1,92 14 0,012 7
Пески пылеватые 10 0,5-6,5 2,1 35 0,007 33
д III Супеси пылеватые, пластичные 11 5,4-15,9 2,09 28 0,015 11
|д II Суглинки мягкопластичные 12 3,5-8,3 1,92 14 0,017 10
Супеси пылеватые пластичные 12а 0,9-6,5 2,06 22 0,015 10
Пески пылеватые 13а 0,6-5,6 2,1 35 0,007 33
д II Супеси твердые 14 0,9-4 2,23 30 0,023 18
Рис. 4. Схема устройства котлована на первом этапе Рис. 5. Схема устройства распорной системы на втором этапе
б| |9'2019
Научно-технический и производственный журнал
обеспечения устойчивости шпунтового ограждения была применена двухъярусная распорная система (рис. 3-5).
Разработка котлована осуществлялась в два этапа.
На первом этапе шпунтом ограждается высотная часть нового здания. При этом порядок ведения работ по разработке котлована был принят следующий:
- погружение шпунтовых свай методом статического вдавливания и методом вибропогружения (рис. 3);
- выполнение монтажной траншеи вдоль оси шпунта и монтаж обвязочных балок первого уровня распорной системы, монтаж верхних опорных узлов, установка распорок;
- обратная засыпка траншей;
- установка распорок нижнего пояса раскрепления;
- выполнение фундаментной плиты враспор шпунтового ограждения;
- демонтаж нижнего яруса раскреплений (после набора бетона фундаментной плиты прочности 75% от проектной величины);
- для возможности извлечения шпунта предварительно произведено перераскрепление верхнего яруса, сохраняемого на данном этапе шпунтового ограждения в стены (пилоны) и фундаментную плиту и засыпка пазух котлована песком.
На втором этапе разрабатывался котлован под пристроенную подземную автостоянку с выполнением следующих работ:
- погружение шпунтового ограждения методом вдавливания;
- монтаж распорок;
- выполнение фундаментной плиты враспор шпунтового ограждения;
- демонтаж нижнего яруса раскреплений (после набора прочности бетона фундаментной плиты не менее 75 % от проектной);
- перераскрепление верхнего яруса распорок в фундаментную плиту высотной части;
- демонтаж верхнего яруса раскрепления.
Проблемы, возникшие в процессе вибропогружения шпунтового ограждения
Развитие дополнительных осадок фундаментов существующего здания № 1, наиболее близко рас-
Условные обозначения:
ф - геодезические марки высотного контроля — — - граница зоны влияния (30 м)
Рис. 6. Схема расположения марок на зданиях соседней застройки
положенного к границе котлована, началось еще до разработки котлована, в процессе вибропогружения шпунта.
В процессе всех работ нулевого цикла проводился геотехнический мониторинг. На рис. 6 приведена схема расположения геодезических марок, установленных на соседних зданиях до начала строительства. Процесс развития осадок во времени по результатам мониторинга представлен на рис. 7.
Согласно первоначальным данным мониторинга, отмечалось поднятие большинства марок (до 12 мм) по ближайшему фасаду жилого здания № 1 в процессе изготовления набивных свай. В дальнейшем наблюдалось интенсивное развитие осадок фундаментов этого здания в результате технологических воздействий на грунт основания при вибропогруже-
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
нии шпунтового ограждения. Так, на момент окончания вибропогружения шпунтового ограждения максимальное значение дополнительной осадки угла здания № 1 (марка М36) составило порядка 4 см.
Известно, что инженерно-геологические условия центральной части Санкт-Петербурга характеризуются наличием мощной толщи (20-40 м) силь-нодеформируемых чувствительных тиксотропных грунтов [8, 11]. Наиболее опасным и сложнопрогно-зируемым свойством таких грунтов является их чувствительность к внешним воздействиям, в частности динамическим. При внешних механических воздействиях чувствительные тиксотропные и водонасы-щенные грунты резко снижают свои прочностные и деформационные характеристики, что влечет за собой развитие дополнительных осадок фундаментов соседних зданий, что и было отмечено на данной строительной площадке.
Аналитическая и численная оценка дополнительных осадок
В связи с тем, что еще до начала производства земляных работ осадки здания соседней застройки уже превысили предельно допустимые по СП 22.13330.2016 вследствие вибропогружения шпунта, необходимо было оценить возможную конечную осадку наиболее близко расположенного здания в процессе разработки котлована до проектной отметки.
С этой целью была определена мощность сжимаемой толщи в основании фундаментов с помощью метода послойного суммирования. Согласно результатам расчетов по требованиям СП 22.13330.2016 мощность сжимаемой толщи составила 9 м. После этого было определено средневзвешенное значение модуля деформации грунтов в пределах сжимаемой толщи по формуле:
(1)
г _ _ 14-0,6+14-0,6+9-0,6-3+9-0,3+28-0,6+28-0,3+1,5-0,3+0,5-8 .
9
. 8-0,7+8-0,4+6-0,5+6-0,3+7-0,6-3+7-0,3 ,Л „ +---= 10,4 МПа.
^ ^ ^ ^"ооооооооооооооооооооо
ОООООООООООООООООООООООООООО-г— -г— -г— ^ -г— -г—
соЬсосоЬ^-^^аэю^аэюс^отсосоЬ^соЬг^............
С^ СО О --- С^ С^ — -. — — -. -. — -. -. —
-20
- 1 00
- 20
М 1 7 М3 1 М32
____ М49
— М48 М33 М47 М34
_____ М46
^ М35 Щ М45 М36
Рис. 7. Развитие осадок марок во времени по результатам мониторинга
По результатам мониторинга значение дополнительной осадки после окончания работ по вибропогружению шпунтового ограждения составило до 4 см. Зная измеренную дополнительную осадку, обратным пересчетом был определен расструктуренный модуль деформации
грунтов в пределах сжимаемой толщи, который составил после технологического воздействия Ерасст»5,5 МПа. Таким образом, нарушение структуры грунтов привело к снижению средневзвешенного модуля деформации почти в два раза (Еср=10,4 МПа « 2Ерасст=11 МПа).
Научно-технический и производственный журнал
Проведенные дополнительные инженерно-геологические изыскания позволили определить фактические значения деформационных и прочностных характеристик грунтов для каждого ИГЭ после технологических воздействий. На рис. 8 приведены сравнительные диаграммы характеристик грунтов до и после технологического воздействия на грунт. Так, по результатам лабораторных определений физико-механических характеристик грунтов наблюдается значительное уменьшение деформационных и прочностных характеристик грунтов основания после технологического воздействия. Этот эффект неоднократно отмечался и на других площадках города [9-11].
Таким образом, результаты аналитических расчетов были подтверждены дополнительными инженерно-геологическими изысканиями площадки на строительный период.
Численное моделирование влияния разработки котлована на дополнительные осадки здания с учетом измененных характеристик грунтов показало, что конечная осадка здания на этапе разработки котлована до проектной отметки составит порядка 11 см, что коррелирует с результатами мониторинга, по результатам которого осадка здания составила немногим менее 11 см (марка 36 на рис. 7).
На рис. 9 приведены конечные результаты численного моделирования дополнительных осадок существующего здания на этапе разработки котлована до проектной отметки.
Е, МПа
; до начала строительства
после
механического воздействия
ф, град.
: до начала строительства
после
механического воздействия
С, кПа
16
до начала строительства
после
механического воздействия
Основные выводы
Наиболее частой причиной развития сверхнормативных дополнительных осадок фундаментов зданий соседней застройки при разработке котлованов является расструктурива-ние тиксотропных водонасыщенных грунтов в результате технологических воздействий, что сопровождается снижением их деформационных и прочностных характеристик.
Прочностные и деформационные характеристики грунтов при технологическом воздействии могут сни-
Рис. 8. Прочностные и деформационные характеристики грунтов до и после технологического воздействия
м] 120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
Рис. 9. Дополнительные осадки здания соседней застройки по результатам численного моделирования
жаться в два раза и более, что необходимо учитывать как при проектировании, так и при производстве работ.
Предложена методика оценки технологических осадок зданий соседней застройки с учетом наруше-
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
ния структуры тиксотропных чувствительных грунтов и применена на реальном объекте.
Проведенные в строительный период дополнительные инженерно-геологические изыскания подтвердили достоверность рассмотренной методики оценки дополнительной технологической осадки с учетом изменения характеристик грунтов при нарушении их структуры.
Список литературы
1. Ильичев В.А., Мангушев Р.А. и др. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М.: АСВ. 2016, 1024 с.
2. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюш-ков В.В., Осокин А.И., Сапин Д.А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М.: АСВ, 2016. 248 с.
3. Мангушев Р.А., Конюшков В.В., Сапин Д.А. Инженерно-геотехнические изыскания при реконструкции и новом строительстве в условиях плотной городской застройки // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 5. С. 76-83.
4. Шулятьев О.А., Мозгачева О.А., Поспехов В.С. Освоение подземного пространства городов. М.: АСВ, 2017. 510 с.
5. Шулятьев О.А., Минаков Д.К. Технологические осадки при устройстве стены в грунте траншейного типа // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2017. № 3 (8). С. 41-50.
6. Мангушев Р.А., Веселов А.А., Конюшков В.В., Сапин Д.А. Численное моделирование технологической осадки соседних зданий при устройстве траншейной «стены в грунте» // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 5 (34). С. 87-97.
7. Мангушев Р.А., Веселов А.А., Сапин Д.А. Влияние формы сечения конструкции «стена в грунте» на дополнительную осадку соседних зданий // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 6 (35). С. 71-76.
8. Конюшков В.В., Веселов А.А., Белый А.А. Инженерное освоение и благоустройство территории на зольных грунтах для расширения контейнерного терминала Морского порта в Санкт-Петербурге // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 3 (62). С. 70-76.
9. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Технологические осадки зданий и сооружений в зоне влияния подземного строительства. М.: АСВ, 2017. 168 с.
10. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 17-20.
11. Конюшков В.В., Уразаева Н.Ю., Кириллов В.М., Кондратьева Л.Н. К вопросу исследования «стены в грунте» в качестве ограждающей и несу-
iol —
щей конструкции зданий и сооружений // Вестник гражданских инженеров. 2018. № 1 (66). С. 68-74.
References
1. Il'ichev V.A. Mangushev R.A. Spravochnik geotehnika. Osnovaniya, fundamenti i podzemnie sooruzeniya [Handbook of geotechnical engineering. Soils, bases and underground constructions]. Moscow: ASV. 2016. 1024 p.
2. Mangushev R.A., Nikiforova N.S., Konyushkov V.V., Osokin A.I., Sapin D.A. Proektirovanie i ustroystvo podzemnih sooruzenii v otkritih kotlovanah [Design and construction of underground structures in open pits]. Moscow: ASV. 2016. 264 p.
3. Mangushev R.A., Konyushkov, V.V., Sapin D.A. Engineering and geotechnical investigations in the reconstruction and new construction in dense urban. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroiteistvo. 2016. No. 5, pp. 76-83. (In Russian).
4. Shulyat'ev O.A., Mozgachyova O.A., Pospehov V.S. Osvoenie podzemnogo prostranstva gorodov [Development of underground space of the cities]. Moscow: ASV. 2017. 510 p.
5. Shulyat'ev O.A., Minakov D.K. Technological precipitation device for diaphragm wall trench type. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo po-litekhnicheskogo universiteta. Stroiteistvo i arkhitek-tura. 2017. No. 3 (8), pp. 41-50. (In Russian).
6. Mangushev R.A., Veselov A.A., Konyushkov V.V. Sapin, D.A. Numerical modeling of technological precipitation of the neighboring buildings when the device trench of the "wall in soil". Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2012. No. 5 (34), pp. 87-98. (In Russian).
7. Mangushev R.A., Veselov A.A., Sapin, D.A. The influence of the shape of the cross section of the construction of the "wall in soil" for additional sediment adjacent. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2012. No. 6 (35), pp. 71-77. (In Russian).
8. Konyushkov V.V., Veselov A.A., Belyy A.A. Engineering development and landscaping of the territory on the ash soils for extension of the container terminal at the sea port in Saint-Petersburg. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2017. No. 3 (62), pp. 70-76. (In Russian).
9. Mangushev R.A., Nikiforova N.S. [Technological precipitation of buildings and structures in the zone of influence of underground construction]. Moscow: ASV. 2017. 168 p.
10. Ilyichev V. A., Mangushev R. A., Nikiforova N. S. Experience in the development of underground space of Russian megacities. Osnovaniya, fundamenty i me-khanika gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).
11. Konyushkov V.V., Urazaeva N.U., Kirillov V.M., Kon-dratieva L.N. To the question of the study "walls in the ground" as the enclosing and supporting structure of buildings and structures. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2018. No. 1 (66), pp. 68-74. (In Russian).
|9'2019
