CC BY
15Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624
Н.С. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, директор (forstnpf@mail.ru), С.Н. СОКОЛОВ, инженер, зам. директора по науке, А.Н. СОКОЛОВ, инженер, зам. директора по производству
ООО НПФ «ФОРСТ» (428000, Чебоксары, ул. Калинина, 109а)
Опыт использования буроинъекционных свай ЭРТ при ликвидации аварийной ситуации общественного здания
Рассмотрен случай необдуманного строительства двухэтажного кирпичного здания в зоне геотехнического влияния эксплуатируемого здания, приведшего его в аварийное состояние. Своевременно принятые противоаварийные мероприятия, включающие усиление основания с помощью буроинъекционных свай ЭРТ и страховочных мероприятий, таких как устройство предварительно напряженных затяжек из восьми рядов высокопрочной арматуры, ограждающей подпорной стены из двух рядов буроинъекционных свай ЭРТ 0350 мм, изготовленных по электроразрядной технологии со стороны алтаря, позволили сохранить памятник архитектуры федерального значения от обрушения.
Ключевые слова: деформационные трещины, скорость деформаций, буроинъекционная свая, электроразрядная технология, чрезвычайная комиссия.
N.S. SOKOLOV, Candidate of Sciences (Engineering), Director (forstnpf@mail.ru), S.N. SOKOLOV, Engineer, Deputy Director for Science, A.N. SOKOLOV, Engineer, Deputy Director for Production (forstnpf@mail.ru), OOO NPF «FORST» (109a, Kalinina Street, 428000, Cheboksary, Chuvash Republic, Russian Federation)
Experience in the Use of Bored-Injection Piles ERT When Eliminating Emergency Situation of a Public Building
The case of ill-judged construction of the two-storey brick building in the zone of geotechnical influence of the operated building that brought it into the critical situation is considered. Well timed taken emergency prevention measures, which include the strengthening of foundation with the help of bored-injection piles ERT and such safety measures as the arrangement of pre-stressed ties of eight high-tensile reinforcement rows, enclosing retaining wall of two rows of 0350 bored-injection piles ERT produced according to the electric-discharge technology from the side of the altar, made it possible to keep the architectural monument of the federal building from collapsing.
Keywords: strain cracks, strain rate, bored-injection piles, electric-discharge technology, extraordinary commission.
Любое предполагаемое строительство [1-4] в зоне геотехнического влияния требует особого рассмотрения как на этапе принятия проектного решения, так и на этапе возведения. Должны быть проанализированы все возможные строительные риски. В настоящей статье приводится наглядно демонстрирующий пример пренебрежения законами механики грунтов, геотехники и технологии возведения зданий и сооружений, в результате чего возникла аварийная ситуация.
Так, в апреле 2004 г. на наружных стенах здания Введенского кафедрального собора в Чебоксарах появились вертикальные трещины (рис. 1) деформационного характера. Первые дефекты появились на уровне чердака на стенах северной и южной частей собора, таким образом, здание храма раскололось на две части. Скорость раскрытия трещин достигла 10-15 мм/сут. Создалась аварийная ситуация, приведшая к возможному его обрушению. Оперативно созданная чрезвычайная комиссия констатировала, что причиной аварийных деформаций собора стало влияние строительства здания резиденции владыки Чебоксарской и Чувашской епархий со стороны алтаря на близком расстоянии от храма. Возведение двухэтажного кирпичного здания на ленточных фундаментах со сборными многопустотными плитами перекрытий было начато осенью 2003 г.
122016 ^^^^^^^^^^^^^
В апреле 2004 г. оно имело только фундаменты без перекрытия цокольного этажа, т. е. его основание на протяжении всего зимнего периода 2003-2004 гг. находилось в промороженном состоянии. Таким образом, деформация собора началась как раз на период оттаивания основания.
Комиссия установила, что скорее всего здание собора пришло в движение в результате процесса выдавливания грунтов из-под подошвы фундаментов.
Оперативно были организованы следующие мероприятия: геотехнический мониторинг за развитием трещин (рис. 2); обследование технического состояния аварийного здания с целью выявления остаточной несущей способности, а также инженерно-геологические изыскания.
Сооружение Введенского кафедрального собора (1651 г.) представляет собой кирпичное здание с размерами в плане 37,4x35,3 м (рис. 1). Оно состоит из основной части - храма высотой 13 м с апсидой высотой до 4,5 м, трех приделов с апсидами. Высоты приделов 4,2-4,5 м. Апсида представляет собой полукруглые в плане выступы, перекрытые сводом и ориентированные на восток.
Фундаменты собора мелкого заложения - ленточные бутовые на известковом растворе. Глубина заложения 2-2,4 м.
Одним из пунктов осуществления противоаварийных мероприятий стала разработка рабочего проекта усиления основания фундаментов.
- 31
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Трещина над оконным проемом храма (северный фасад)
Рис. 2. График раскрытия деформационной трещины на уровне карниза стены северного фасада (маяк 1)
По результатам изысканий, выполненных ГУП «Чуваш-ГИИЗ» в 2004 г., на территории Введенского собора залегают следующие инженерно-геологические элементы (ИГЭ): ИГЭ 1 - насыпной грунт (tQw), залегающий до глубины 0,8-1,8 м. Распространен повсеместно вокруг здания вне основания фундамента; ИГЭ 2 - лессовый суглинок (prQш), обладающий просадочными свойствами на всю глубину, в основном тугопластичной консистенции (с числом пластичности 1=9%). Распространен по всей площадке до глубины 4-6,5 м. Величина его относительной просадочности е, изменяется от 0,01 до 0,032 при замачивании под нагрузкой 0,2 МПа, а начальное просадочное давление Рх, - от 0,055 до 0,2 МПа. Тип грунтовых условий по просадочности - первый; ИГЭ 2а - лессовый суглинок (prQш) мягкотекучепла-стичной консистенции, в целом непросадочный (е,,=0,0072), сохраняющий слабые просадочные свойства в редких малых объемах грунта. Распространен преимущественно в восточной части площадки; ИГЭ 3 - пролювиально-делюви-альный суглинок (pdQIII) от полутвердой до тугопластичной консистенции, в восточной части - мягкопластичной консистенции. Залегает повсеместно, увеличиваясь по мощности до 4,5 м в северной части площадки; ИГЭ 4 - дресва и щебень (pdQш) с песчанисто-суглинистым заполнителем; ИГЭ 5 - глинистый алеврит (Р2^. Вскрыт в южной части. Имеет мощность около 1 м; ИГЭ 6 - пылеватый песок (Р2^ с прослойками мелкого песка.
В таблице приведены физико-механические характеристики грунтов, слагающих исследуемую площадку, а на рис. 3 - инженерно-геологический разрез.
Анализируя результаты инженерно-геологических изысканий, можно сделать вывод об ухудшении физико-механических свойств грунтов основания. Особо следует обратить внимание на низкое значение модуля общей деформации Е0=2,1 МПа, для слоя 2а - суглинка лессового мягкотекучепластичной консистенции prQш).
Решением чрезвычайной комиссии по разработке про-тивоаварийных мероприятий НПФ «ФОРСТ» поручена раз-
Рис. 3. Инженерно-геологический разрез
работка проекта усиления основания фундаментов здания собора, включая приделы и алтарь. Рассматривались два типа буроинъекционных свай: буроинъекционные сваи, изготавливаемые без уплотнения стенок скважины, и буро-инъекционные сваи с уплотнением грунта стенок скважины - сваи ЭРТ. Определяющим фактором принятия решения по выбору типа буроинъекционной сваи явилась их несущая способность. Так, несущая способность буроинъекционной сваи ЭРТ по грунту превышает ориентировочно на 65% несущую способность буроинъекционной сваи без уплотнения стенок скважины. Известно, что при проведении работ по реконструкции или при необходимости устройства буро-инъекционной сваи усиления вследствие недостаточности
Научно-технический и производственный журнал
Фрагмент 4
Подпорная стена ограждения
Рис. 4. Схема расположения буроинъекционных свай при усилении основания и фундаментов Введенского собора. Условные обозначения: точки красного и черного цветов — буроинъекционные сваи усиления основания и фундамента; точки зеленого цвета — буроинъекционные сваи подпорной стенки с восточной стороны храма: а — план свай ЭРТ; б, в — фрагменты с сечениями 1—1, 2—2
122016
33
а
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
/00р№¡Щ\Ш}ЩЩ 1000 , 1000
Сеченые 3—3 1100
Фрагмент 4
А
С»-2(1- 11.Д и)
Рис. 4. Схема расположения буроинъекционных свай при усилении основания и фундаментов Введенского собора. Условные обозначения: точки красного и черного цветов — буроинъек-ционные сваи усиления основания и фундамента; точки зеленого цвета — буроинъекционные сваи подпорной стенки с восточной стороны храма: г, д — фрагменты с сечениями 3—3, 4—4
д
№ ИГЭ Наименование ИГЭ Д>, кПа Нормативные характеристики Расчетные характеристики при а = 0,85/0,95
р, г/см3 С, кПа ф,град Е, МПа р, г/см3 С, кПа ф, град Е, МПа
1 Насыпной грунт (tQw) 100 - - - - - - - -
2 Суглинок лессовый тугопластичный просадочный (prQIII1) - 1,9 16 12 20 15 5,8 1,89 1,87 12 / 10 10 / 9 19 / 18 14 / 13 5,8
2а Суглинок лессовый мягко-текучепластичный (prQш) - 1,9 10 14 2,1 1,86 1,83 8 7 13 12 2,1
3 Суглинок пролювиалъно-делювиалъный - 1,96 44 19 14 1,93 1,91 36 31 17 16 14
4 Дресва и щебень (pdQIII) 400 - - - - - - - -
5 Алеврит глинистый (Р^) - 1,91 51 24 17 - - 17
6 Песок пылеватый (Р20 1,73 7 32 27 1,71 1,7 0|0 30 29 27
* Д - условное расчетное сопротивление грунта по СНиП 2.02.01.01-83*; р - плотность; С - удельное сцепление; ф - угол внутреннего трения; Е - модуль деформации; в числителе приведены значения при естественной влажности, в знаменателе - значения для водонасыщенного состояния.
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
2
i
Север -1
hhih < fftii itittltitUltUUl*-. »■ ■ " " " *" V " " """
Запад
Зона выдавливания /грунтов из-под подошвы фундаментов
Ж
Рис. 5. Зона цементационного закрепления основания
несущей способности основания руководствуются следующим алгоритмом: 1) проверяется удовлетворение условию Р1Ы1 < R, где Р11т1 - среднее давление под подошвой фундамента; R (СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов») - расчетное сопротивление несущего слоя основания; 2) при неудовлетворении условию в п. 1 определяется внешняя нагрузка на уровне центра тяжести подошвы фундамента, необходимая для передачи
на буроинъекционные сваи М=РД0П-А = ( —)Д где А - площадь подошвы для столбчатых фундаментов А = I• Ь, а для ленточных А=Ь • 1.
Исходя из вышесказанного количество свай без уплотнения в 1,6 раза больше буроинъекционных свай ЭРТ. Учитывая, что стоимость одного погонного метра вышеназван-
122016 ^^^^^^^^^^^^^
ных свай ненамного отличается друг от друга, стоимость работ по усилению основания возросла бы в 1,6 раза.
Таким образом, в качестве варианта усиления принята буроинъекционная свая ЭРТ длиной 11 м (с учетом заделки в коренные грунты и прохождения колонковым бурением тела фундамента глубиной 2,5 м 0180 мм). При этом количество свай в пределах площади собора различное, например: под апсидой 2 сваи/м; под стенами храма - 4 сваи/м; под стенами сводов - 16 свай. Всего запроектировано более 800 буроинъекционных свай ЭРТ (рис. 4).
Гипотеза, предложенная авторами о том, что деформация собора произошла в результате выдавливания грунта из-под подошвы фундаментов, подтвердилась в процессе производства работ по усилению основания. Она оказалась справедливой для участка плана собора от стены иконоста-
- 35
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
са до алтаря включительно (рис. 3) (в сторону пристроя резиденции владыки). Вероятность выдавливания оказалась высокой вследствие наличия под подошвой фундаментов собора суглинка мягкотекучепластичной консистенции с модулем общей деформации Е0=2,1 МПа.
При устройстве буроинъекционных свай ЭРТ [5] вдоль стены иконостаса обнаружены сверхнормативные расходы мелкозернистого бетона. Так, например, при геометрическом объеме сваи «0,3 м3 расход бетона доходил до 5 м3. Следует отметить на отсутствие убывания уровней в скважинах, заполненных бетоном до электрогидравлической обработки. При электрогидравлической обработке на уровне подошвы фундаментов обнаружено резкое понижение уровней, что подтверждает наличие пустот под подошвой, тем самым происходит заполнение пустот мелкозернистым бетоном. В результате произведенных работ по устройству буроинъекционных свай ЭРТ одновременно произошло цементационное закрепление основания фундаментов стены иконостаса и алтаря (рис. 5).
Одновременно (опять же из предпосылки выдавливания грунта из-под подошвы фундаментов) разработан проект ограждения грунта из двух рядов буроинъекционных свай с шагом 0,5 м между ними, 0350 мм, с устройством обвязочным поясом по верху свай (рис. 4, а), а также выполнено усиление здания с помощью предварительно напряженных затяжек из восьми рядов на уровне карниза.
Выводы.
1. Рассмотренная аварийная ситуация возникла в результате строительства здания резиденции владыки Чебоксарской и Чувашской епархий в зоне геотехнического влияния, следствием этого в апреле 2004 г. на наружных
Список литературы
1. Соколов Н.С., Петров М.В., Иванов В.А. Проблемы расчета буроинъекционных свай, изготовленных с использованием разрядно-импульсной технологии // Материалы 8-й Всероссийской (2-й Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (НАСКР-2014). Чебоксары. 2014. С. 415-420.
2. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай ЭРТ // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 2. С. 10-13.
3. Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: АСВ, 1999. 327 с.
4. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уши-рениями // Геотехника. 2016. № 3. С. 4-8.
5. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными ушире-ниями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28-32.
6. Соколов Н.С., Викторова С.С., Федорова Т.Г. Сваи повышенной несущей способности // Материалы 8-й Всероссийской (2-й Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (НАСКР-2014). Чебоксары. 2014. С. 411-415.
3б| —
поверхностях стен здания Введенского кафедрального собора в Чебоксарах появились вертикальные трещины деформационного характера. Возникшие дефекты на уровне чердачных перекрытий и развившиеся далее на северных и южных фасадах дефекты раскололи здание на две части в направлении запад-восток. Таким образом, возникла угроза обрушения здания Введенского кафедрального собора.
2. Скорость развития трещин установилась в интервале 10-15 мм/сут. Срочно созданная чрезвычайная комиссия по разработке противоаварийных мероприятий по спасению памятника истории и культуры федерального значения установила, что причиной деформации собора явилось влияние строительства здания резиденции владыки Чебоксарской и Чувашской епархий рядом с храмом. Срочно были произведены работы: 1) инженерно-геологические изыскания; 2) обследовано техническое состояние здания собора; 3) разработаны противоаварийные мероприятия, включающие усиление основания фундаментов, усиление здания с помощью предварительно напряженных затяжек из восьми рядов высокопрочной винтовой арматуры по наружному периметру на уровне карниза.
В результате проведенных инженерно-геологических изысканий и результатов технического обследования выявлено наличие полостей под подошвой фундаментов восточных частей здания (стена с царскими вратами, стены алтаря).
3. Осуществление разработанных противоаварийных мероприятий позволило предотвратить предаварийную ситуацию. При достижении раскрытия максимальной трещины до 357 мм деформации собора прекратились. Собор эксплуатируется до настоящего времени безаварийно.
References
1. Sokolov N.S., Petrov M.V., Ivanov V.A. Calculation problems the buroinjektsionnykh of the piles made with use of digit and pulse technology. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstruction» conference (NASKR-2014). Cheboksary. 2014, pp. 415-420. (In Russian).
2. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About one method of calculation of the bearing capability the buroinjektsi-onnykh svay-ERT. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2015. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
3. Ulitskiy V.M. Geotekhnicheskoe soprovozhdenie rekonst-ruktsii gorodov [Geotechnical support of urban renewal]. Moscow: ASV, 1999. 327 p. (In Russian).
4. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. Features of the device and calculation the buroinjektsionnykh of piles with manyplaced broadenings. Geotechnica. 2016. No. 3, pp. 4-8. (In Russian).
5. Sokolov N.S., Ryabinov V. M. About efficiency of the device the buroinjektsionnykh of piles with multi-seater broadenings with use of electro-digit technology. Geotechnica. 2016. No. 2, pp. 28-32. (In Russian).
6. Sokolov N.S., Viktorovа S.S., Fedorovа T.G. Piles of the raised bearing capability. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstruction» conference (NASKR-2014). Cheboksary. 2014, pp. 411-415.
^^^^^^^^^^^^^ |l2'2016
