CC BY
44Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.131
Д.А. САПИН, инженер ([email protected])
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, 4)
Осадки фундаментов зданий соседней застройки
__с» с» С» Ф
при устройстве траншейной «стены в грунте»*
Рассмотрена возможность расчета осадок фундаментов зданий, вызванных устройством траншейной «стены в грунте». На основе данных геотехнического мониторинга продемонстрировано, что технологические осадки зданий соседней застройки при устройстве траншейной «стены в грунте» могут составлять до 70% общей осадки, вызванной новым строительством. Показана принципиальная возможность численного решения поставленной задачи с помощью МКЭ. Автором предложена эмпирическая зависимость для вычисления технологических осадок зданий при различных параметрах «стены в грунте». Приведено сравнение результатов вычислений по предложенной методике с данными геотехнического мониторинга на двух объектах, возведенных в центральных районах Санкт-Петербурга в условиях плотной городской застройки.
Ключевые слова: численное моделирование, «стена в грунте», технологическая осадка.
D.A. SAPIN, Engineer, ([email protected]) Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (4, 2-nd Krasnoarmeiskaya Street, 190005, St. Petersburg, Russian Federation)
Settlements of Foundations of Adjacent Buildings When Arranging the Trench «Slurry Wall»*
A possibility of calculating the settlement of building foundations caused by arrangement of the trench «slurry wall» is considered. On the basis of data of geotechnical monitoring, it is demonstrated that technological settlements of adjacent building when arranging the trench «slurry wall» can be up to 70% of the total settlement caused by new construction. The principal possibility of numerical solution of the set task with help of MKE is shown. The author offers an empirical dependence for calculation of technological settlements of buildings at various parameters of the «slurry wall». The comparison of results of calculation according to the proposed methodology with the data of the geotechnical monitoring at two objects constructed in central districts of St. Petersburg under restrained urban conditions is presented.
Keywords: numerical simulation, «slurry wall», technological settlement.
Современные требования к новому строительству в условиях сложившейся исторической застройки крупных городов вынуждают все больше использовать подземное пространство. Под землю уходят парковки, торговые центры, складские помещения. Это позволяет получить необходимый строительный объем здания, не выходя за рамки жесткого высотного регламента для центра Санкт-Петербурга. При организации подземных объемов в инженерно-геологических условиях мощной толщи слабых четвертич-
ных отложений центральной части Санкт-Петербурга необходимо использование технологий, обеспечивающих минимизацию влияния нового строительства на здания соседней застройки [1, 2]. Так, технология «стена в грунте» обладает значительной жесткостью и существенно превосходит по этому показателю шпунтовое ограждение или ограждение из буросекущихся свай, что позволяет разрабатывать глубокие котлованы в сложных инженерно-геологических условиях и в непосредственной близости от существующих зданий.
i 20
25
30
35
Расстояние в свету между фундаментом и стеной в грунте, м 10 20 30 40 50
60
Технологическая осадка' Общая итоговая осадка
б
10
д
н фун
20
ще 30
40
50
60
Расстояние в свету между фундаментом и стеной в грунте, м 10 20 30 40 50
60
- Технологическая осадка <• Общая итоговая осадка
т 40
Рис. 1. Результаты мониторинга осадков соседней застройки при строительстве зданий с подземным пространством с использованием технологии «стена в грунте»: а — Зоологический пер., 2—4; б — наб. р. Мойки, 74
* Научный руководитель аспиранта - д-р техн. наук, профессор Р.А. Мангушев.
* Scientific supervisor of a post graduatestudent - R.A. Mangushev, Professor, Doctor of Sciences (Engineering).
4'2015
а
0
8
Научно-технический и производственный журнал
ЖИЛИЩНОЕ
Л
Условные обозначения:
Рис. 2. Инженерно-геологическое районирование Санкт-Петербурга по Л.Г. Заварзину
Технология «стена в грунте» заключается в устройстве ограждающей конструкции путем бетонирования узких (0,4-1,2 м) и глубоких (иногда более 50 м) траншей под защитой глинистого раствора. При заполнении бетоном глинистый раствор вытесняется за счет меньшей плотности.
В сложившейся практике проектирования и строительства распространено мнение, что дополнительные осадки существующих зданий при устройстве траншейной «стены в грунте» незначительны и ими можно пренебречь. В данной работе приведено обоснование неправомерности такого допущения.
На рис. 1 представлена графическая интерпретация материалов геотехнического мониторинга, проведенного при строительстве двух объектов в условиях плотной застройки в сложных инженерно-геологических условий центра Санкт-Петербурга. В качестве ограждения котлована в обоих случаях была принята «стена в грунте» (глубина стены в грунте практически одинакова - 30 и 29 м). Для каждой геодезической марки, установленной в рамках мониторинга окружающей застройки, приводятся две точки: синяя - осадка, полученная в период устройства стены в грунте, и красная - ито-
— техногенные, насыпные грунты;
— послеледниковые образования: литориновые отложения от песков до глин с включением органики;
— позднеледниковые отложения: ленточные мягкопластичные суглинки;
— лужская морена: валунные суглинки тугопластичные;
— коренные породы: твердые глины
Рис. 3. Разрезы по инженерно-геологическим районам по Л.Г. Заварзину, дополненные по данным «Геологического атласа Санкт-Петербурга»
говая осадка после завершения строительства. Эти данные показывают, что при уменьшении расстояния между фундаментом и «стеной в грунте» технологические осадки зданий соседней застройки могут составлять до 70% общей осадки, вызванной новым строительством, что подтверждают и исследования других авторов [3].
Термин «технологические осадки» довольно широк и включает в себя также случаи осадок зданий, вызванных грубым нарушением технологии (несоблюдение требуемой плотности глинистого раствора, перебор грунта, чрезмер-
Таблица 1
Физико-механические свойства грунтов
Отложения Коренные породы Лужская морена Позднеледниковые отложения Послеледниковые образования
Характерный тип грунта Твердые глины Валунные суглинки тугопластичные Ленточные мягкопластичные суглинки От песков до глин с включением органики
Естественная влажность у, % 14±2 20±5 35 40
Объемная масса р, г/см3 2,2±0,05 2,1±0,05 1,9 1,8
Коэффициент пористости е 0,5±0,05 0,53±0,1 0,85 1,08
Модуль деформации Е, МПа 30±5 20±3 7,5 10
Угол внутреннего трения ф, о 25±3 23±4 20 18
Удельное сцепление с, кПа 45±15 40±20 15 20
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Осадки здания при устройстве вблизи него траншейной «стены в грунте» для инженерно-геологического района № 3
Расстояние до здания в свету, м
№ Параметры захватки Y , кН/м3 1 5 10
п/п Осадки под подошвами, мм
bзахв, м 4ахв. м s1 s2 s3 s1 s2 s3 s1 s2 s3
1 12,5 18 13 7 10 10 4 5 7 3
2 3,3 11,7 22 16 8 12 12 5 7 8 4
3 11 26 19 9 14 14 6 8 10 4
4 12,5 15 11 5 8 8 3 4 5 2
5 1,2 2,6 11,7 17 12 6 9 10 4 5 7 3
6 11 20 15 7 11 11 5 7 8 3
7 12,5 12 8 4 6 7 3 4 5 2
8 2 11,7 14 11 5 8 8 3 5 6 2
9 11 16 12 6 10 10 4 5 7 3
10 12,5 17 13 6 9 9 4 5 7 3
11 3,3 11,7 21 16 7 11 11 5 7 8 3
12 11 24 19 9 14 14 6 8 10 4
13 12,5 14 11 5 7 7 3 4 5 2
14 1 2,6 11,7 17 12 6 9 9 4 5 6 2
15 11 20 15 7 11 11 5 6 7 3
16 12,5 11 8 4 6 6 2 3 5 2
17 2 11,7 13 10 4 7 8 3 4 6 2
18 11 15 12 6 9 9 4 5 7 2
19 12,5 17 12 5 9 9 4 5 6 2
20 3,3 11,7 20 14 7 11 11 4 6 8 3
21 11 24 17 8 13 13 6 7 9 3
22 12,5 14 10 5 7 7 3 4 5 2
23 0,8 2,6 11,7 17 12 5 8 8 3 5 6 2
24 11 19 15 6 10 10 5 5 7 2
25 12,5 10 8 3 5 6 2 3 4 2
26 2 11,7 12 10 4 7 7 3 4 5 2
27 11 14 11 5 8 8 3 4 6 2
ное динамическое воздействие на тиксотропные грунты при проходке валунов и т. д.), - такие случаи в данной работе не рассматриваются.
В качестве исходных данных для численного моделирования задачи оценки влияния устройства траншейной стены в грунте вблизи существующих зданий было принято разделение территории города на несколько типовых районов с характерными геологическими разрезами. На основе имеющихся материалов по инженерно-геологическому строению Санкт-Петербурга Л.Г. Заварзиным (Заварзин Л.Г. Разработка методики инженерно-геологического картирования применительно к Ленинграду: Отчет по научно-иссл. госбюджетной теме (Н-13)/18 / ЛИСИ. Л., 1975; Мора-рескул Н.Н., Заварзин Л.Г. Опыт типизации оснований и фундаментов в районах массовой застройки: научное издание. Л.: ЛДНТП, 1984. 32 с.) был предложен вариант районирования, представленный на рис. 2 и принятый автором за основу.
Л.Г. Заварзиным изучалось строение толщи четвертичных отложений до кровли лужской морены. Этих данных оказалось недостаточно для решения поставленной задачи. «Геологический атлас Санкт-Петербурга» (Геоло-
iol —
гический атлас Санкт-Петербурга. СПб.: Комильфо, 2009. 57 с.) позволил дополнить геологические разрезы районов, предложенных Л.Г. Заварзиным, до кровли коренных пород (рис. 3).
Исследование физико-механических характеристик грунтов Санкт-Петербурга проводилось Трестом ГРИИ под руководством В.М. Фурсы и приведено в «Отчете по составлению обобщенной карты инженерно-геологического районирования территории Ленинграда и Лесопарковой зоны (для подземного строительства)» (Отчет по составлению обобщенной карты инженерно-геологического районирования территории Ленинграда и Лесопарковой зоны (для подземного строительства): Шифр 378-78(33) / Трест ГРИИ; рук. Фурса В.М. Л., 1978. Исполн.: Мальцев И.Т., Коршунов Б.М., Майорова А.В.). Эти значения представлены в табл. 1.
Конструктивные параметры зданий при составлении расчетной схемы принимались на основе материалов кафедры Геотехники СПбГАСУ по результатам многочисленных обследований застройки Санкт-Петербурга, проводившихся в разные годы. Большинство зданий дореволюционной постройки выполнены бескаркасными, кирпичными,
^^^^^^^^^^^^^ 42015
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Таблица 3
Осадки здания при устройстве вблизи него траншейной «стены в грунте» для инженерно-геологического района № 6
Расстояние до здания в свету, м
№ Параметры захватки Y , кН/м3 1 5 10
п/п Осадки под подошвами, мм
Ьзахв> м 'заш» м s1 s2 s3 s1 s2 s3 s1 s2 s3
1 12,5 18 13 5 9 9 3 6 7 2
2 3,3 11,7 22 15 7 12 12 5 7 8 3
3 11 25 18 9 14 13 5 8 10 4
4 12,5 15 10 5 8 8 3 4 5 2
5 1,2 2,6 11,7 17 13 6 9 9 4 5 6 3
6 11 20 15 7 10 10 4 6 7 3
7 12,5 12 8 4 6 6 2 4 5 2
8 2 11,7 14 11 6 8 8 3 5 6 2
9 11 16 13 6 9 9 4 5 7 3
10 12,5 18 12 5 9 9 3 5 6 2
11 3,3 11,7 21 15 7 11 11 4 7 8 3
12 11 25 17 8 13 13 5 8 9 4
13 12,5 14 10 5 7 7 3 4 5 2
14 1 2,6 11,7 17 13 5 9 9 4 5 6 3
15 11 20 15 7 10 10 4 6 7 3
16 12,5 11 8 4 6 6 2 3 5 2
17 2 11,7 13 10 4 7 7 3 4 5 2
18 11 15 11 5 8 8 3 5 7 2
19 12,5 17 12 5 8 8 3 5 6 2
20 3,3 11,7 20 14 7 10 10 4 7 7 3
21 11 24 17 8 12 12 5 8 8 4
22 12,5 14 10 5 7 7 3 4 5 2
23 0,8 2,6 11,7 17 12 5 8 8 3 4 6 2
24 11 19 13 6 10 10 4 6 7 3
25 12,5 10 7 3 5 5 2 3 4 2
26 2 11,7 12 9 4 7 7 3 4 5 2
27 11 14 11 5 8 8 3 4 6 2
с тремя несущими продольными стенами; фундаменты из бутовой кладки, глубина заложения фундаментов обычно составляет 2-3 м; ширина фундаментов 1-2 м; пролеты здания 5-6 м; нагрузка, передаваемая фундаментами на грунт, обычно находится в пределах 200-250 кПа.
В качестве варьируемых параметров расчетной модели рассматривались следующие: длина захватки траншейной «стены в грунте»; ширина захватки; удельный вес глинистого раствора; расстояние от захватки «стены в грунте» до ближайшего фундамента здания.
Глубина стены в грунте при численном моделировании принята с учетом требований норм проектирования (в частности, СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений»): «...10.8 При проектировании подпорных стен котлованов в водонасыщенных грунтах глубину заложения стены следует назначать с учетом возможности ее заделки в водоупорный слой с целью производства экскавации грунта без применения мероприятий по водопонижению...». В соответствии с п. 5.6.40 СП 22.13330.2011 водоупорным может считаться слой с /¿<0,25 и £ф<10-5 м/сут. Данным требованиям в Санкт-Петербурге отвечают только дочетвертичные отложения, представленные вендскими и кембрийскими глина-
ми, залегающими в центральных районах города на глубине от 25 м.
Решение поставленной задачи возможно с применением численных методов в пространственной постановке при моделировании «стены в грунте» объемными элементами. В данной работе использовался программный комплекс Plaxis 3D Foundation.
Для расчета технологической осадки было необходимо смоделировать основные шаги операций, выполняющихся при устройстве «стены в грунте» на строительной площадке. К таким операциям можно отнести следующие:
- разработка траншеи под глинистым раствором;
- заполнение траншеи литым бетоном с вытеснением глинистого раствора;
- готовый участок стены в грунте.
Моделирование воздействия глинистого раствора и литого бетона выполнялось с помощью назначения соответствующего гидростатического давления на стенки захватки траншеи. Затвердевший бетон моделировался линейно-упругим материалом с модулем упругости E=30000 МПа.
Для численного эксперимента были выбраны два геологических района в центральной части города (№ 3 и 6 по классификации Л.Г. Заварзина, см. рис. 2). В этих районах
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Расстояние от стены в грунте в свету, м 5 10 15 20
25
я = 10,14е-0'° ___
« ■
и • • V ■ и и • и ы и в _> ^, — и
■ м м • и и V у V в »/ — м в
0 • г в я = 27,89 е-0 ,01L
• / ■ / и /
и
ен 10
® 15 е о н
I 20
Расстояние от стены в грунте в свету, м 5 10 15 20
Рис. 4. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояния до «стены в грунте» для геологического района № 3 по Л.Г. За-варзину (Петроградский остров)
25 30
Рис. 5. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояния до «стены в грунте» для геологического района № 6 по Л.Г. За-варзину (наб. р. Мойки)
Расстояние между фундаментом и «стеной в грунте», м 10 20 30 40 50
60
,мм 0 в,
нтов 5 е м
а д
ун 10 ф
я и н е
3 15 е м е
I 20
е н
§ 25
и рт
е
ш 30
Рис. 6. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий по Зоологическому пер. и предлагаемое решение (Зоологический пер., 2—4)
Расстояние между фундаментом и «стеной в грунте», м 10 20 30 40 50
60
10
е
3е 15
20
25
30
Рис. 7. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий по наб. р. Мойки и предлагаемое решение (наб. р. Мойки, 74)
0
5
построены здания, имеющие подземные этажи, в которых в качестве ограждений котлованов использовалась технология «стена в грунте». На всех этапах строительства проводился регулярный геодезический мониторинг за вертикальными перемещениями соседней застройки.
Результаты расчетов осадок зданий, вызванных устройством «стены в грунте», в зависимости от различных параметров для геологического района № 3 по Л.Г. Заварзину приведены в табл. 2 (где через 51, s2 и s3 обозначены осадки соответственно ближнего, среднего и дальнего от «стены в грунте» фундаментов). По этим данным построен график зависимости осадок от расстояния до здания (рис. 4) и нанесены экспоненциальные линии тренда для минимального и максимального влияния процесса устройства «стены в грунте» на фундаменты существующего здания.
Аналогичным образом представлены результаты для геологического района № 6 по классификации Л.Г. Завар-зина (табл. 3, рис. 5).
Полученные результаты демонстрируют хорошую сходимость, несмотря на некоторое различие инженерно-геологических условий двух центральных районов Санкт-Петербурга.
На основе проведенного анализа развития осадок фундаментов зданий при устройстве траншейной «стены в грун-
12| -
те» предложена следующая формула для расчета дополнительной осадки здания при устройстве около него траншейной «стены в грунте»:
s = аЛе-ВЬ, (1)
где s - осадка фундамента, мм; Л и В - коэффициенты, зависящие от геометрических и технологических (плотность глинистого раствора) параметров захватки «стены в грунте», а также грунтовых условий; е - постоянная Эйлера, равная 2,71; Ь - расстояние от фундамента до «стены в грунте», м. Вследствие того, что коэффициенты Л и В определены путем статистической обработки данных расчетов, для вычисления максимальной осадки предлагается вводить коэффициент надежности а=1,3.
В табл. 4 на основе проведенных расчетов приведены коэффициенты А и В для геологических условий центральной части Санкт-Петербурга при различных параметрах «стены в грунте».
Для проверки корректности предлагаемого способа расчета технологической осадки выполнено сопоставление результатов вычисления по предлагаемой зависимости с данными наблюдений за соседней застройкой на двух объектах, возведенных в геологических районах № 3 и 6
^^^^^^^^^^^^^ 42015
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 4
Значение коэффициентов А и В
№ Параметры захватки Y , кН/м3 ! т. р-ра' А B
п/п ¿W м 'зга« М
1 12,5 19 -0,07
2 3,3 11,7 23 -0,07
3 11 28 -0,08
4 12,5 17 -0,08
5 1,2 2,6 11,7 17 -0,07
6 11 22 -0,08
7 12,5 12 -0,07
8 2 11,7 16 -0,08
9 11 18 -0,07
10 12,5 17 -0,07
11 3,3 11,7 23 -0,08
12 11 27 -0,07
13 12,5 15 -0,08
14 1 2,6 11,7 19 -0,08
15 11 22 -0,08
16 12,5 11 -0,07
17 2 11,7 14 -0,07
18 11 18 -0,08
19 12,5 19 -0,08
20 3,3 11,7 22 -0,08
21 11 27 -0,08
22 12,5 15 -0,08
23 0,8 2,6 11,7 19 -0,09
24 11 22 -0,08
25 12,5 10 -0,07
26 2 11,7 14 -0,07
27 11 16 -0,08
по классификации Л.Г. Заварзина: Зоологический пер. и
наб. р. Мойки (оба здания были спроектированы и построены компанией «Геоизол»). Оба рассмотренных здания име-
Список литературы
1. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга: Монография. М.: АСВ, 2010. 264 с.
2. Осокин А.И., Денисова О.О., Шахтарина Т.Н. Технологическое обеспечение подземного строительства в условиях городской застройки // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 16-24.
3. Конюхов Д.С., Свиридов А.И. Расчет технологических деформаций существующих зданий в процессе изготовления ограждающих конструкций котлованов // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 99-103.
4. Мангушев Р.А., Веселов А.А., Конюшков В.В., Са-пин Д.А. Численное моделирование технологической осадки соседних зданий при устройстве траншейной «стены в грунте» // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 5 (34). С. 87-98.
5. Шашкин А.Г., Богов С.Г. Апробация технологии «стена в грунте» в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 11. С. 20-22.
42015 ^^^^^^^^^^^^^
ют подземный паркинг, а ограждение котлована выполнено методом траншейной «стены в грунте», которая выполнялась захватками длиной 3,3 м. Ширина захваток составляет
0.8.м на Зоологическом переулке и 1 м на наб. р. Мойки. На объекте по Зоологическому пер. перед производством работ проводились научно-технические работы по исследованию работы «стены в грунте» в условиях слабых глинистых грунтов [4, 5].
Результаты наблюдений за осадками фундаментов во время устройства «стены в грунте» представлены в виде графиков. На графике, приведенном на рис. 6, точками отмечены осадки зданий соседней застройки, полученные за время устройства «стены в грунте» на Зоологическом переулке, в сопоставлении с экспоненциальной кривой зависимости, предлагаемой автором. Для объекта на наб. р. Мойки аналогичный график представлен на рис. 7.
Результаты сопоставления предлагаемого решения для оценки технологических осадок с данными инструментального геотехнического мониторинга показывают приемлемую для инженерных расчетов сходимость, что позволяет рассматривать его для практического применения при оценке дополнительной осадки соседних зданий при устройстве около них траншейной «стены в грунте».
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы.
Фундаменты зданий при устройстве вблизи них траншейной стены в грунте получают дополнительные осадки, значения которых могут достигать нескольких сантиметров и составлять до 70% от суммарных дополнительных осадок соседних зданий за весь период строительства.
Осадками таких величин пренебрегать недопустимо и при проектировании конструкций с использованием метода траншейной «стены в грунте» в стесненных условиях сложившейся застройки необходимо учитывать и оценивать развитие технологических осадок соседних зданий.
При оценке величины технологической осадки возможно использование предложенной формулы, обеспечивающей приемлемую сходимость с результатами наблюдений на реальных объектах, построенных в инженерно-геологических условиях центра Санкт-Петербурга.
References
1. Mangushev R.A., Osokin A.I. Geotekhnika Sankt-Peterburga [Geotechnology of St. Petersburg]. Moscow: ASV, 2010. 264 p.
2. Osokin A.I., Denisova O.O., Shakhtarina T.N. Technology support of underground construction under conditions of urban development // Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 16-24. (In Russian).
3. Konyukhov D.S., Sviridov A.I. Deformation process's calculation of the existing buildings during shoring of excavation. Vestnik MGSU. 2011. No. 5, pp. 99-103. (In Russian).
4. Mangushev R.A., Veselov A.A., Konyushkov V.V., Sapin D.A. Numerical simulation of adjoining developments technology settlement in process of trench slurry wall construction. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2012. No. 5 (34), pp. 87-98. (In Russian).
5. Shashkin A.G., Bogov S.G. Approbation of diaphragm wall technology under geological engineering conditions of St. Petersburg. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2012. No. 11, pp. 20-22. (In Russian).
- 13
