CC BY
16Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.131.
О.А. МАКОВЕЦКИЙ, канд. техн. наук (oleg-mak@inbox.ru), Пермский научно-исследовательский политехнический университет, С.С. ЗУЕВ, зам. ген. директора (s.zuev@inbox.ru), ОАО «Нью Граунд» (Пермь)
Обеспечение эксплуатационной надежности подземной части комплексов жилых зданий
Опыт строительства современных жилых комплексов показывает, что наиболее типичным объемно-планировочным решением является устройство локальной высотной жилой части и развитой в плане одно-двух уровневой подземной автомобильной парковки. Приведен пример реализации комплекса мероприятий, обеспечивающих эксплуатационную надежность подземной части на весь срок эксплуатации здания.
Ключевые слова: эксплуатационная надежность, закрепление грунтов, струйная цементация, подземные части зданий, грунтоцементные элементы, фундаментная плита.
Строительная площадка расположена в условиях сложившейся застройки центральной части Перми. Размеры в плане автомобильной парковки составляют 68,2X49,7 м, восьмиэтажного жилого здания - 46,8X44,2 м. Глубина подземной части 4,6-5 м. Конструкции надземной и подземной части здания выполнены из монолитного железобетона. Фундамент - монолитная железобетонная фундаментная плита, толщиной 800 мм.
В геоморфологическом отношении площадка расположена на IV левобережной надпойменной террасе р. Кама (рис. 1). В строении площадки принимают участия следующие инженерно-геологические элементы: ИГЭ-1: насыпной грунт (асфальт, суглинок со щебнем и обломками кирпичей до 5-10%) мощностью 0,05-2,2 м; ИГЭ-2: глина от полутвердой до тугопластичной консистенции мощностью
Рис. 1. Инженерно-геологические условия строительства
0,3-3 м; ИГЭ-3: суглинок мягкопластичной, реже тугопла-стичной консистенции мощностью 0,3-2,5 м (модуль деформации Е=6,1-8,4 МПа); ИГЭ-4: суглинок текучепластич-ной и текучей консистенции мощностью 1-2,2 м (модуль деформации 4,3- 5,5 МПа); ИГЭ-5: гравийный грунт с супесчаным заполнителем мощностью 1-3,1 м.
На период изысканий (февраль-март 2011 г.) вскрыто три горизонта подземных вод: грунтовые воды в суглинках от мягкопластичной до текучей консистенции, появившийся уровень на глубине 4-5 м, установившийся на глубине 3-3,9 м. Грунтовые воды в гравийных грунтах с супесчаным заполнителем. Вскрыты на глубине 10,6-13,5 м, установившийся уровень на глубине 6,7-10,1 м. Воды напорные, величиной напора 1,9-6,5 м. Трещинно- грунтовые воды верхнепермских отложений (песчаников), вскрыты на глубине 16,7-17,5 м, установившийся уровень 7-7,4 м. Воды напорные, величина напора до 9,7-10,1 м.
Горизонты подземных вод гидравлически взаимосвязаны между собой. В особо неблагоприятные периоды года возможно повышение уровня грунтовых вод на 1-1,5 м от замеренных и появления «верховодки» на границе насыпных и глинистых грунтов.
В данных геологических условиях основными задачами являются: на период строительства - обеспечение устойчивости стен котлована и ограничение дополнительных деформаций существующих зданий и сооружений; на период эксплуатации - обеспечение восприятия горизонтального давления грунта и подземной воды, устройство вертикального противофильтрационного экрана, создание высоких и однородных деформационных характеристик грунтового основания в пятне застройки здания.
Одним из возможных решений поставленного комплекса задач может быть использование технологии струйной цементации грунта [1].
Технология основана на использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для перемешивания природного грунта с частичным его замещением цементным раствором (рис. 2). Подача струи цементного раство-
38
9'2012
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Подземное строительство
Рис. 2. Пример струйной цементации
Рис. 3. Устройство ограждающей стены из секущих грунтоцементных свай
ра осуществляется одновременно с подачей струи сжатого воздуха, что позволяет увеличить радиус воздействия разрушающей струи.
Производство работ по закреплению грунтов включает следующие операции: бурение технологических скважин до нижней отметки закрепления (при этом контролируется реальная мощность инженерно-геологического элемента) и подъем бурового инструмента с закреплением грунта в проектном интервале. Расход цемента составляет 500-900 кг/м3 закрепленного грунта. Характеристики закрепленного грунта: прочность на одноосное сжатие Ясж=1,5-3 МПа, модуль деформации Е=2-4 ГПа, коэффициент фильтрации Кф=1,4-1,6Х10-6 см/с.
Для обеспечения устойчивости котлована и устройства вертикального про-тивофильтрационного экрана выполнена ограждающая стена из секущих грунто-цементных свай (ГЦС) диаметром 600 мм (рис. 3). Расположение элементов ограждения в плане - двухрядное с межосевым расстоянием 200 мм, шаг свай в ряду 450 мм.
Длина элементов 7-7,8 м, анкеровка ниже дна котлована 2,5-3 м. Ограждающая стена воспринимает горизонтальное давление грунта, гидростатическое давление воды и нагрузки на бортах котлована. Устойчивость ограждающей стенки обеспечивается устройством анкерного пояса из ГЦС диаметром 600 мм, объединенных в совместную работу железобетонной обвязочной балкой. Длина анкерной сваи 7 м, шаг анкерных свай 2 м, угол наклона к горизонту - 45о. Элементы армируются металлическими трубами диаметром 89Х6,5 мм.
В основании фундаментной плиты (рис. 4) здания располагаются грунты с низкими (Е=4-8 МПа) и самое главное неоднородными деформационными характеристиками. Использование таких грунтов в качестве основания приводит к развитию неравномерных деформаций по пятну застройки, что в свою очередь, отражается на увеличении конструктивных размеров и армирования основных несущих элементов здания. Для улучшения и выравнивания прочностных и деформационных характеристик основания выполнено искусственное основание - геомассив, представляющий собой природный грунт, армированный жесткими грунтоцемент-ными элементами (ГЦЭ) и распределительную подушку из уплотненного щебня фракции 40-70 мм, толщиной 500 мм.
Требуемый модуль деформации геомассива Егм не менее 40 МПа; мощность геомассива ниже подошвы щебенистой подушки: под жилым домом 12,5 м, под стоянкой 10 м.
Геомассив (рис. 5) выполняется путем равномерного армирования природного грунта жесткими грунтоцементными элементами (ГЦЭ). Грунтоцементные элементы работают в едином массиве с окружающим грунтом под всей подошвой
Рис. 4. Фундаментная плита
Рис. 5. Геомассив
9'2012
39
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 6. Схема отборов кернов при контрольном бурении скважин
Рис. 8. Зависимость осадки от нагрузки
плиты и не рассматриваются как свайный элемент, передающий острием нагрузку на нижележащие слои. Диаметр элемента 1,2 м, расположение в плане по сетке 2,6X2,6 м.
Приведенный модуль деформаций искусственного основания («геомассива») в таком случае определяется по «методу смеси» на основе теории композитных материалов. Расчет приведенного модуля деформации выполняется по формуле:
Т7 ЭКВ _
т -
В качестве матрицы рассматривается естественный грунт с его природными характеристиками, жесткостные характеристики и геометрические размеры грунтоцементных армирующих элементов определяются опытным путем.
В период производства работ велся постоянный контроль качества закрепления грунтов. Сплошность массива контролировалась контрольным бурением с отбором кернов (рис. 6). Образцы закрепленного грунта испытывались независимой лабораторией Горного института Уральского отделения РАН по стандартной методике определения предела прочности и модуля деформации материала. По результатам испытаний прочность на сжатие образцов составляет Rсж=3,5-4,5 МПа, модуль общих деформаций Е=2,5-3 ГПа, что подтверждает проектные данные.
Для определения фактического модуля деформации искусственно улучшенного основания фундаментной плиты были выполнены натурные штамповые испытания по специально разработанной программе. Испытание проводились согласно ГОСТ 20276-99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».
В качестве системы нагружения был использован железобетонный круглый штамп диаметром 112,8 см, площадью 10000 см2, 100-тонный гидравлический домкрат и реактивная нагрузочная платформа весом 50 т (рис. 7). Перемещения штампа фиксировались с помощью прогибомеров 6ПАО. Модуль общих деформаций грунта определялся в интервале 0,15-0,25 МПа и 0,15-0,4 МПа. Нагрузку на штамп увеличивали ступенями давлений Др=0,05 МПа, предельное
Рис. 7. Система нагружения основания
давление на основание р = 0,4 МПа. Каждую ступень давления выдерживали до условной стабилизации деформации грунта (осадки штампа). За критерий условной стабилизации деформации принималась скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за время ^ равное 2 ч (рис. 8).
Модуль деформации грунта Е, МПа, вычислялся для линейного участка графика по формуле:
где величина коэффициента Пуассона V принята равной 0,35, как для пылевато-глинистых грунтов.
По результатам штамповых испытаний получены следующие значения модуля деформации основания: Е1=97,8 МПа в интервале давлений 0,15-0,25 МПа (это величины расчетных давлений под фундаментной плитой); Е2=61,8 МПа в интервале давлений 0,15-0,35 МПа (для определения общей картины нагружения грунта).
Проведенные испытания показали, что требуемый проектный модуль деформации грунта обеспечен со значительным запасом прочности, и фактическое его значение выше расчетного. Таким образом, применяемая методика теоретического вычисления приведенной характеристики себя оправдывает. Это подтверждают также наблюдения за развитием осадок строящихся зданий на искусственно улучшенном основании.
Выполнен мониторинг за осадками строящегося в Перми 17-этажного жилого дома. По конструктивной схеме зда-
40
92012
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Подземное строительство
Рис. 9. Пространственное распределение величин вертикальных осадок фундаментной плиты на моменты наблюдений: а — 14.12.2010 (начало наблюдений); б — 5.07.2011 (конец наблюдений)
ние рамно-связевое с полным железобетонным каркасом. Фундамент - железобетонная монолитная плита. Габаритные размеры плиты в плане 50,4X22,1 м. Толщина плиты Н=900 мм.
Наблюдение за осадками данного здания проводилось, начиная с наиболее важного этапа строительства (появления нагрузок больше половины проектных). Измерение осадки фундаментной плиты как единого целого относительно поверхности недеформируемого грунта производилось гидронивелиром для каждого момента времени, путем измерения смещения точки наблюдения относительно фиксированной внешней точки.
За весь период наблюдений максимальная осадка фундаментной плиты относительно внешней неподвижной точки составила 3,85 см (рис. 8). Процесс осадки сооружения происходит равномерно, наблюдается смещение вниз всех точек фундамента практически на одну величину. В последних измерениях зарегистрирован процесс стабилизации осадок фундаментной плиты.
Расчетная величина максимальной осадки фундаментной плиты определенная с учетом моделирования основания в виде распределенного гомогенного материала - «геомассива» с приведенным модулем деформации 4,52 см,
при Е=40 МПа, что на 17% больше фактической; 4,32 см, при Е=60 МПа, что на 12% больше фактической. Хорошая сходимость теоретических и экспериментальных данных показывает адекватность применяемой теоретической модели геомассива для описания технологии улучшения физико-механических свойств грунтов.
Опыт проведенных работ на объекте показывает, что применение струйной технологии закрепления слабых водо-насыщенных грунтов позволяет успешно осваивать даже самые сложные площадки [2], надежно обеспечивать эксплуатацию здания при высоком уровне грунтовых вод и может быть использовано для дальнейшего внедрения при строительстве подземных частей комплексов жилых зданий.
Список литературы
1. Маковецкий О. А., Зуев С. С. Опыт армирования слабых грунтов в основании фундаментных плит с применением струйной геотехнологии //Труды международной конференции по геотехнике «GeoMos-2010» Москва, 7-10 июня 2010 г. С. 1801-1808.
2. Старцев Ю.Г., Пономарев А.А., Зуев С.С., Маковецкий О. А. Строительство искусственного острова в акватории камского водохранилища // Гидротехника. 2012. № 2. С. 78-83.
11я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА
HI-TECH BUILDING
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗДАНИЙ и ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
30 ОКТЯБРЯ-1 НОЯБРЯ
ЭКСПОЦЕНТР, ПАВИЛЬОН №1 \
> АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗДАНИЙ э С ИСТ ЕМ Ы Е Е 3ÜF1ACHÜC ТИ
92012
41
