CC BY
70Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.1
А.Г. ШАШКИН, д-р геол.-минер. наук, генеральный директор, координатор Санкт-Петербургской комиссии по основаниям, фундаментам и подземным сооружениям, К.Г. ШАШКИН, канд. техн. наук, зам. директора, член ТК-207 «Взаимодействие сооружений и оснований» ISSMGE
ООО «ПИ «Геореконструкция» (190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4, оф. 414)
Подземное строительство в Санкт-Петербурге:
о ^ с»
кратким обзор технических решении
Приведен краткий обзор технических решений по устройству подземных сооружений в условиях плотной застройки на слабых грунтах, характерных для территории Санкт-Петербурга. Приведены особенности поведения водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации (слабых грунтов) в условиях квазистатического нагружения и разгрузки. Сформулированы принципы проектирования подземных сооружений на застроенной территории. Изложены особенности конструирования ограждений глубоких котлованов и системы их крепления. Рассмотрены различные технологии устройства глубоких котлованов. Предложен наиболее безопасный для существующей застройки способ устройства подземного сооружения с помощью «жесткого контура».
Ключевые слова: подземное сооружение, безопасность окружающей застройки, геотехническое обоснование, слабый глинистый грунт.
A.G. SHASHKIN, Doctor of Sciences (Geology and Mineralogy), General Director, Coordinator of Saint-Petersburg Commission on Bases, Foundations and Underground Facilities, K.G. SHASHKIN, Candidate of Sciences (Engineering), Deputy Director, Member of TC-207 "Soil-Structure Interaction and Retaining Walls, ISSMGE" OOO «ISP Georeconstruction» (4, of. 414, Izmaylovsky Avenue, 190005 Saint Petersburg, Russian Federation)
Underground Construction in Saint-Petersburg: a Brief Review of Technical Solutions
A brief review of technical solutions on construction of underground facilities under conditions of dense development on soft soils characteristic for Saint-Petersburg area is presented. Features of behavior of water saturated clay soils of a small and medium degrees of lithification (soft soils) under conditions of quasi-static loading and unloading are also presented. Principles of designing of underground facilities on the developed territories are formulated. Features of the design of deep excavation shoring and the system of their bracing are shown. Various techniques of construction of deep excavations are considered. A method for construction of an underground facility with the help of "rigid contour", as the most safety for the existing development, is proposed.
Keywords: underground facility, safety of surrounding development, geotechnical substantiation, soft clay soil.
Исторический город не может жить и развиваться без освоения подземного пространства. Под землю уходят инженерная инфраструктура, транспортные коммуникации, парковки, торговые и складские помещения: даже вестибюли музеев, например в Лувре, размещают ниже поверхности земли. Единственный способ сохранить нетронутым видимое пространство исторического центра - спрятать все новое, необходимое современному человеку, под землю. Особенно актуален вопрос освоения подземного пространства для Санкт-Петербурга. Его оберегаемый ЮНЕСКО исторический центр сам по себе уже является мегаполисом, занимающим территорию в границах столицы Российской империи рубежа XIX и XX вв., в которой проживало более миллиона жителей. Очевидно, что музеефицировать или, попросту говоря, «заморозить» развитие такого колоссального центра невозможно. Единственно возможным вектором современного развития исторического города является направление вниз, позволяющее создать новую инфраструктуру, не искажающую исторического облика. Именно поэтому особого внимания заслуживают усилия петербургских геотехников по освоению подземного пространства города, построенного, как известно, на многометровой толще водонасыщенных глинистых пород малой и средней степени литификации, которые для краткости именуют слабыми грунтами.
Объем статьи явно маловат для подробного освещения подземного строительства в Санкт-Петербурге, однако некоторые итоги последнего десятилетия все же попробуем подвести. Это десятилетие весьма показательно. До 2006 г. подземное строительство в Санкт-Петербурге исчерпывалось строительством сооружений метрополитена и канализационных коллекторов. Говорить о каком-либо заметном строительстве подземных сооружений тогда не приходилось. Не были созданы расчетные модели, адекватные особенностям работы петербургских грунтов в условиях откопки котлованов. Не были апробированы и адаптированы для инженерно-геологических условий центра города такие технологии, как «стена в грунте», «струйная цементация», без которых невозможно представить себе современное подземное строительство в аналогичных грунтовых условиях на Западе. Не были получены данные натурных исследований, мониторинга за поведением массива грунта при устройстве глубоких котлованов.
В настоящее время мы утверждаем, что знаем, как строить подземные сооружения в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, обеспечивая при этом безопасность окружающей застройки. Здесь есть свои секреты, с которыми авторы статьи готовы поделиться с читателями.
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
Особенности поведения слабых глинистых грунтов
Эти особенности сводятся к способности слабых глинистых грунтов изменять свое поведение при нарушении природного сложения. Нарушение природной структуры грунта отражается не столько на их нелинейных механических характеристиках, сколько на реологическом поведении. Оказывается, что все происходящее на строительной площадке следует оценивать в аспекте нарушения структурных связей в глинистом грунте. Нарушение структурных связей может происходить при динамических воздействиях, при вытеснении грунта из объема скважины при устройстве свай по технологии «Fundex», «Atlas», DDS и т. п., при избыточном извлечении грунта из объема выработки при изготовлении буровой сваи, стены в грунте и пр. [1]. В результате нарушения структурных связей грунт превращается из квазитвердого тела в жидкообразную среду, что отражается преимущественно на скоростях развития деформаций при идентичных воздействиях.
Заметим, что котлован является временным состоянием объекта и поэтому его расчет не может строиться без учета фактора времени, т. е. без учета реологических свойств. Определять «конечные» деформации массива грунта не имеет смысла, поскольку они происходят в течение весьма длительного времени. Исследования В.А. Васенина, который обобщил данные об осадках более 5 тыс. зданий на территории Санкт-Петербурга, показали, что стабилизации осадок зданий исторической застройки не наблюдается на протяжении последних полутора столетий, в течение которых проводились измерения, а активная фаза развития деформаций занимает несколько десятилетий [2].
Очевидно, что говорить о «конечных» деформациях массива грунта при устройстве котлована, срок существования которого занимает порядка одного года, не приходится. Здесь-то и кроется главная проблема: откуда взять реологические характеристики для определения развития деформаций во времени, если даже такое воздействие, как отбор образца грунта, оказывает пагубное влияние на его природную структуру?
Трехосные испытания, проводимые в лаборатории, показывают, что достижение относительной деформации, равной 15%, происходит в течение нескольких часов. В реальности же здания получают на порядок меньшие деформации за время, превышающее срок лабораторных испытаний на несколько порядков (десятилетия). Причиной такой «нестыковки» лабораторного эксперимента и реальности является весьма значительное нарушение структурных связей у образца.
Единственной возможностью оценить параметры грунта, ответственные за скорость развития деформаций, являются натурные исследования. Обратный пересчет результатов мониторинга напряженно-деформированного состояния массива грунта, вмещающего котлован, позволяет определить эти параметры. Причем оказывается, что они при прочих равных условиях могут существенно различаться на «тихих» площадках, свободных от техногенных воздействий, и на «активных» площадках, где одновременно с устройством котлована проводились, например, работы по устройству свай.
В качестве итога многолетних натурных исследований автором этой статьи предложена вязкопластическая модель грунта, описывающая поведение водонасыщенных
1б| -
глинистых грунтов малой и средней степени литификации при квазистатическом нагружении и разгрузке [3], реализованная в программном комплексе FEM models еще в 2002 г. и его новом варианте IEE Cloud. Основной идеей построения этой феноменологической модели поведения грунта является независимое описание деформационного упрочнения при уплотнении и формоизменении. Параметры объемного сжатия определяются по аппроксимации кривой трехосных консолидированно-дренированных испытаний или из компрессионных опытов. Параметры поведения грунта при сдвиге назначаются из стандартных трехосных испытаний по неконсолидированно-недрениро-ванной схеме, в которых для полностью водонасыщенно-го грунта объемная деформация практически отсутствует и имеют место деформации формоизменения. Одним из параметров этой модели является вязкость грунта. Этот параметр на «тихой» площадке может быть на два порядка большим, чем на «активной». Иными словами, достаточно нарушить структуру грунта, и деформации ускорятся в сто раз!
Техногенные воздействия, сопровождающие строительную деятельность, провоцируют нарушение структурных связей в этих грунтах, в результате чего они теряют свойства квазитвердого тела и приобретают качества жидко-образной среды. Надо сказать, что это весьма тяжелая жидкость, ее плотность равна примерно 2 т/м3, т. е. она вдвое тяжелее воды. Эффект нарушения структурных связей выражается прежде всего в увеличении подвижности грунтовой среды: ее вязкость падает до минимального значения, а следовательно, скорость развития деформаций формоизменения резко возрастает. Это явление было выявлено на целой серии опытных полигонов, где устраивались глубокие котлованы [3]. Если в грунте природного сложения боковое давление грунта равно примерно половине от вертикального, то при нарушении структурных связей оно возрастает до значения вертикального давления, как и полагается в жидкообразной среде.
Принцип проектирования подземных сооружений
в условиях плотной застройки на слабых грунтах
В связи с изложенным возникает вопрос, какой путь следует предпочесть при проектировании подземного сооружения. Первый заключается в максимальной «эксплуатации» свойств грунтов ненарушенной структуры. В этом случае затраты на распорные и ограждающие конструкции оказываются минимальными. При этом высок риск утраты природной структуры грунта вследствие нарушения технологии, техногенных воздействий на площадке и вокруг нее. Могут быть нарушены и установленные проектом сроки производства работ. Все эти риски вполне реальны и могут привести к негативным последствиям вплоть до разрушения соседней застройки.
Второй путь заключается в том, что изначально предполагается неизбежность нарушения природной структуры грунта либо возможность неопределенной задержки сроков производства работ по устройству котлована. В этом случае грунт работает как «тяжелая жидкость», и мероприятия, обеспечивающие допустимые деформации соседней застройки, оказываются за гранью экономической целесообразности. Очевидно, что и первый, и второй путь сами
^^^^^^^^^^^^^ |9'2016
Научно-технический и производственный журнал
по себе ведут в тупик: первый не обеспечивает надежности соседней застройки, второй закрывает всякие перспективы подземного строительства. Возможен ли выход из этого тупика?
На наш взгляд, поиска третьего пути здесь не требуется, достаточно увязать между собой первый и второй пути решения проблемы.
Очевидной причиной противоречия является то, что к «оптимистическим» расчетам (в предположении сохранения природной структуры грунта) и к «пессимистическим» расчетам (в предположении полного нарушения структуры) методологически некорректно применять один и тот же критерий допустимых деформаций соседней застройки.
Для разрешения данного противоречия нами предложен следующий принцип проектирования глубоких котлованов: расчеты подземных сооружений в условиях городской застройки необходимо проводить по двум группам предельных состояний, как для самого проектируемого сооружения, так и для соседней застройки [4].
Расчет по второй группе предельных состояний (по деформациям) должен выполняться исходя из удовлетворения нормативным требованиям [5] по допустимым дополнительным деформациям соседней застройки от всей суммы воздействий, связанной со строительством объекта. Количественным выражением меры риска для существующей застройки при строительстве в примыкании к ней новых зданий и сооружений может служить эвристический критерий, ограничивающий дополнительные осадки городской застройки некоторым допустимым уровнем: сумма дополнительных деформаций (осадок, относительной неравномерности осадок) объекта реконструкции и/или соседних зданий (сооружений) не должна превышать предельно допустимого значения:
б
2 ^ -
(=0
где Ба^и - величина предельно допустимой дополнительной деформации прилегающих к строительной площадке зданий, определяемая совместным расчетом здания и основания; Б^ - прогнозируемый прирост незавершенных деформаций от воздействий, имевших место в прошлом (для случая нестабилизированного состояния основания); Б^ - величина дополнительной деформации объекта реконструкции и/или соседних зданий вследствие воздействия г-й группы факторов, связанных со статическим нагружени-ем (разгрузкой) основания, изменением режима подземных вод, с технологией ведения работ, которые могут быть постоянными и временными. Это требование стало основополагающим в петербургских ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений. Санкт-Петербург», а позже и в общефедеральном СП 22.13330.2011 «Свод правил. Основания зданий и сооружений».
Исходя из этого условия выбирается конструкция ограждения котлована и система его крепления, обеспечивающая допустимые деформации соседней застройки при принятой последовательности и скорости производства работ с соблюдением штатных технологических режимов. В этом случае очень важно точно прогнозировать скорость развития деформаций основания во времени, принимая адекватные реологические модели. Здесь возникает необходимость четкой увязки решений, полученных расчетчиком-геотехником, с графиком подрядчика по предельно допустимым
срокам производства каждого этапа работ, значимого для безопасности соседней застройки. Эти сроки должны быть согласованы еще на стадии формирования геотехнической концепции. Очевидно, что наиболее экономичное решение ограждающих и распорных конструкций можно получить, если обеспечить сохранность природной структуры грунта. Для реализации проектных решений, в основу которых положен принцип сохранения природной структуры грунта, необходимо:
1. Ограничить техногенные воздействия в период устройства котлована (не допускать динамических воздействий как внутри котлована, так и вокруг него, не выполнять работы по устройству свай, погружению шпунта и т. п., ограничить движение транспорта вокруг котлована).
2. Не допускать нарушений последовательности ведения работ и щадящих технологических режимов.
3. Строго соблюдать проектные сроки каждого этапа работ по устройству котлована.
Очевидно, существуют высокие риски нарушения этих условий по объективным и субъективным причинам (задержка финансирования объекта, ошибки строителей и пр.). Проект, основанный исключительно на предположении о сохранности природной структуры грунта и не имеющий инструментов по противодействию аварийному сценарию развития событий, по нашему глубокому убеждению, не имеет права на существование. Ошибка в производстве работ или задержка сроков их выполнения не должны приводить к катастрофическому разрушению соседней застройки. Поэтому в практику геотехнических расчетов нами введено понятие расчета соседней застройки по первой группе предельных состояний [4]. Соседняя застройка должна быть рассчитана по прочности и устойчивости при воздействиях со стороны строительства подземного сооружения, связанных с неопределенными задержками во времени строительства и нарушением природной структуры грунта. Другими словами, нарушение щадящих технологических режимов и сроков производства работ не должно приводить к разрушению соседней застройки. Расчеты по первой группе предельных состояний для соседней застройки следует выполнять из условий обеспечения прочности и устойчивости несущих конструкций, исходя из их совместного расчета с основанием. Усилия в конструкциях порождаются деформациями основания, обусловленными податливостью ограждения котлована. Деформации основания и ограждения котлована определяются расчетом для каждого предусмотренного проектом этапа работ по устройству котлована с учетом предельного нарушения структуры грунтов и максимальной задержки сроков производства работ. Каждый этап производства работ предполагается бесконечно долгим, или (что тоже самое) на каждом этапе реализуется конечная деформация.
Исходя из расчетов по первой группе предельных состояний для соседней застройки, с учетом совместной работы конструкций соседних зданий и основания определяются предельные осадки зданий, соответствующие предельным усилиям в их конструкциях. Эти предельные деформации в большинстве практических случаев будут выше допустимых деформаций, установленных действующими нормами для расчетов по второй группе предельных состояний. Это не означает, что такие деформации допустимы. Параметры ограждения должны быть выбраны таким образом, чтобы
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Опытная площадка для апробации и адаптации технологии «стена в грунте» в условиях плотной застройки на слабых грунтах (Санкт-Петербург, Зоологический пер., д. 2-4): а — работа в непосредственном примыкании к расселенному зданию; б — вид «стены в грунте» с контрфорсами
удовлетворить требованиям по двум группам предельных состояний.
В техническом отношении превышение допустимых осадок (эта величина ограничивается, например, действующими федеральными, а также петербургскими и московскими региональными нормами) означает частичную или полную потерю эксплуатационной пригодности здания. Превышение предельных осадок по первой группе предельных состояний для соседней застройки означает угрозу катастрофического обрушения. В юридическом отношении превышение допустимых осадок означает возникновение имущественной ответственности виновной стороны, а превышение предельных осадок может быть связано с уголовной ответственностью.
Изложенная методология проектирования подземных сооружений была успешно апробирована на нескольких десятках объектов в Санкт-Петербурге.
Особенности конструирования ограждения глубокого котлована
Очевидно, что котлован без ограждения в условиях Санкт-Петербурга едва ли может быть глубже 1,5-2 м: забираться ниже обычно не позволяют грунтовая вода и фундаменты соседних зданий. «Консольное» ограждение, т. е. не имеющее креплений от горизонтальных смещений, при глубине котлована более 3 м чаще всего перестает справляться с ролью защиты соседних зданий от дополнительных осадок.
Бытует мнение, что ограждение котлована можно сделать настолько жестким, что оно самостоятельно в состоянии будет воспрепятствовать развитию горизонтальных смещений. Это заблуждение, которое рассеивается расчетами. Безраспорная ограждающая конструкция претерпевает не только изгиб, но и вращение как жесткое тело. В таких условиях увеличение ее жесткости оказывается малоэффективным. При устройстве котлована, скажем, глубиной 8 м только стена в грунте с трехметровыми контрфорсами (рис. 1, б) способна справиться с разви-
18| -
тием недопустимых дополнительных осадок окружающих строений.
Таким образом, при устройстве глубоких котлованов в условиях плотной застройки на слабых грунтах требуется устройство специальных распорных креплений. В качестве таковых в мировой геотехнической практике применяют грунтовые пригрузы (бермы внутри котлована), анкеры и распорные системы.
Наименее надежным способом крепления служит грунтовая берма. Ее удается применить в котлованах сравнительно небольшой глубины (около 5 м). В условиях Петербурга нужно особо акцентировать внимание на изучении устойчивости этой бермы. Поверхностные слои песков подстилаются слабыми глинистыми отложениями, которые могут провоцировать потерю устойчивости бермы, особенно при нарушении структурных связей в слабых грунтах. Визуально берма может восприниматься надежной, слагающие ее грунты при определенной связности могут обеспечивать почти отвесный откос. На деле же она может находиться в предельном напряженном состоянии по подстилающим ее слабым грунтам и не оказывать существенной помощи в удержании ограждения котлована от горизонтальных смещений. Именно такая ситуация сложилась в 2015 г. на Петроградской стороне, когда пришлось экстренно усиливать примыкающий к котловану соседний жилой дом. Кроме того, берма весьма уязвима: при ведении работ на площадке часто происходит ее подработка, замачивание, промерзание и оттаивание, что резко снижает ее полезный эффект.
Анкерное крепление ограждения котлована в условиях Петербурга встречается редко. Объясняется это просто: для того чтобы анкером достать до надежного грунта, его длина должна быть 40-60 м. Анкер такой длины имеет упругую деформацию, которая превышает допустимое горизонтальное смещение ограждения, определяемое из условия обеспечения безопасности соседней застройки (она не должна получить осадку более 2-4 см). Анкер, который до надежного грунта не достает, - пустая трата средств. Кроме того, в рыночных условиях выясняется, что соседи отнюдь не приветствуют проникновение чужих анкеров на их терри-
^^^^^^^^^^^^^ |9'2016
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Рис. 2. Тенденция формирования круглоцилиндрических поверхностей при устройстве большого в плане котлована, по которым выстраиваются векторы главных перемещений (подписаны величины максимальных перемещений в мм)
торию. Расположение корней анкеров под существующими зданиями может негативно сказаться на деформациях последних.
Поэтому при устройстве глубоких котлованов в Санкт-Петербурге следует использовать распорные системы. Общий принцип их работы заключается в том, чтобы передать боковое давление грунта на ограждение с одной стороны котлована на другую. Таким образом, противодействует боковому давлению грунта сам же грунт, а распорная система только транспортирует усилие. Этот принцип важен, поскольку в случае несовершенной распорной системы (когда боковое давление грунта воспринимает конструкция, выполненная только на части котлована) необходимо учесть опасность сдвига плиты днища, перекрытий. Это может сопровождаться разрушением голов свай, колонн, которые не в состоянии воспринимать перерезывающие усилия, возникающие от горизонтального давления грунта (например, для котлована глубиной 8-10 м горизонтальное усилие на 1 м длины ограждения может достигать 800 кН на глубине 4 м).
Распорные системы делают из металлических элементов или в виде железобетонных дисков, используемых далее в качестве перекрытий. Применение металлических распорок для ограничения податливости ограждения является рациональным при сравнительно небольшой ширине котлована (примерно до 20 м). При больших размерах котлованов распорная система превращается в пространственную ферму со значительными сечениями распорок и небольшим их шагом, что затрудняет разработку грунта и последующее изготовление конструкций. В этом случае металлическая конструкция может обладать недопустимой податливостью.
В Китае получили распространение временные монолитные железобетонные распорные конструкции, демонтируемые после устройства постоянных перекрытий. Их недостатком является чрезвычайная громоздкость, а также проблематичность демонтажа.
Более экономичной является концепция строительства «сверху вниз» (top-down). В этом случае роль распорок играют диски перекрытий, изготавливаемые последовательно по мере откопки котлована. Недостатком концепции «сверху вниз» является технологическая сложность разработки грунта под перекрытием, особенно в условиях слабых
глинистых грунтов, склонных к разжижению при динамических воздействиях от работы техники [6].
Кроме того, устройство больших по площади котлованов в условиях Санкт-Петербурга сталкивается еще с одной проблемой. Эффект разгрузки на обширной территории приводит в действие тенденцию формирования круглоци-линдрических поверхностей, по которым выстраиваются векторы главных перемещений (рис. 2). Бороться с этой тенденцией и порождаемыми ею сверхнормативными деформациями можно только одним способом - системой «сдержек и противовесов». Никакая, даже циклопическая подпорная конструкция с этим эффектом справиться не в состоянии. Большой котлован следует разделить на несколько малых, устраиваемых поочередно. Противовесом для развития деформаций служит либо грунт в пределах соседнего участка, либо конструкция подземной части.
Весьма эффективным для строительства больших котлованов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга является способ устройства «жесткого контура», прежде чем рассказать о котором, необходимо остановиться на кратком обзоре технологий устройства ограждения котлована.
Особенности применения технологий устройства ограждения котлована
Эта тема достойна отдельного подробного обзора. Мы же остановимся лишь на нескольких ключевых тезисах.
Теоретически ограждение котлована может быть изготовлено из металлического шпунта, монолитной стены в грунте, секущихся или касательных свай. Последние не в состоянии конкурировать с первыми двумя по жесткости. В самом деле, в круглом сечении, скажем, диаметром 800 мм только несколько пар арматурных стержней можно расставить так, чтобы они наилучшим образом воспринимали изгибающий момент. В монолитной стене толщиной 800 мм каждую арматурную пару можно расставить на то же расстояние. Нечего и говорить о сплошности стены из свай, о ее способности быть противофильтрационным экраном.
Монолитная стена в грунте, выполняемая грейфером под защитой бентонитового раствора, справедливо считается на Западе одной из наиболее надежных, технически и
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
и е
I_ш
ж 3
ш ш
а
Рис. 3. Последовательность устройства котлована по методу «жесткого контура»: а — схема устройства траншей «жесткого контура»; б — погружение шпунтового ограждения по границам «жесткого контура», устройство буронабивных свай; создание грунтобетонного распорного диска ниже дна будущего котлована по технологии струйной цементации в пределах «жесткого контура» (толщиной 2 м); в, г — откопка траншей с установкой распорок; д — возведение железобетонных конструкций в пределах «жесткого контура»; е — разработка грунта «островов»; ж — извлечение внутреннего контура шпунтового ограждения; з — изготовление монолитных конструкций подземных этажей в «островах»
экономически эффективных технологий устройства ограждений глубоких котлованов. Специалисты института «Геореконструкция» приложили немало усилий, для того чтобы эта технология прошла апробацию и адаптацию в инженерно-геологических условиях Петербурга (рис. 1) [1].Только после успешных натурных экспериментов на трех опытных площадках специалисты института «Геореконструкция» посчитали возможным использовать эту технологию в своих проектных решениях. И... получили неприятный сюрприз! Любая современная геотехнология требует высокого интеллекта, безупречного соблюдения стандартных процедур. В руках местных подрядчиков технология «стена в грунте», по меткому выражению профессора Е.М. Перлея, превратилась в технологию «грунт в стене». Нарушение рецептуры бентонитового раствора, отсутствие его регенерации, нарушение сроков бетонирования захватки привели к известным неудачам на нескольких строительных площадках
города. Причем последствия этих неудач представляли собой угрозу самой реализации подземного сооружения на данной площадке.
Суть проблемы можно пояснить следующим образом. Реализация технологии «стена в грунте» может быть успешной только в том случае, если удается обеспечить устойчивость стенок проходки в грунте. При сохранении природных структурных связей водонасыщенные глинистые грунты ведут себя подобно твердому телу. При устройстве выемки связность грунта уменьшает горизонтальное давление. В результате стандартно применяемые бентонитовые растворы с плотностью 1,05-1,15 т/м3 способны удерживать в равновесии стенки проходки. Смысл применения этих растворов состоит не только в их способности быстро образовывать структурную сетку, но и в том обстоятельстве, что, обладая вязкостью, существенно превышающей вязкость воды, они (в отличие от воды) не будут фильтроваться в слои несвязного грунта. Заметим, что увеличение плотности раствора чревато вероятностью перемешивания бетона с раствором, что никак не способствует сплошности стены.
В том случае, если по каким-либо причинам допущено нарушение природных структурных связей, грунт превращается в жидкообразную среду. В этом случае горизонтальное давление равно вертикальному, что свойственно жидкостям. Такому давлению никак не может противостоять давление бентонитового раствора с плотностью 1,05-1,15 т/м3. В результате возможна потеря устойчивости стенок выработки, ее оплывание [6]. Можно утверждать, что успешное выполнение проходки под стандартным бентонитовым раствором возможно только в том случае, если обеспечена сохранность природного сложения грунта.
Роковым образом отразилась на экономике стены в грунте и неспособность подрядчиков сделать из нее финишную поверхность, обеспечивающую гидроизоляцию подземного сооружения. Ее приходится дублировать дополнительной гидроизоляцией и ограждающей железобетонной стенкой. В итоге следует признать: в арсенале петербургских подрядчиков в области гражданского строительства в настоящее время нет такой технологии, как «стена в грунте». Остается только надеяться, что технология будет реабилитирована метростроевцами или иными новыми подрядчиками, для которых вопросы качества и репутации не пустой звук.
Что же остается? Пожалуй, только шпунтовое ограждение. Вдали от существующих зданий его можно погружать высокочастотной вибрацией (при обязательном контроле параметров колебаний), вблизи - вдавливать. Шпунт, погруженный в водоупор, на несколько порядков снижает водоприток в котлован. Можно подобрать шпунт, эквивалентный по жесткости монолитной стене в грунте толщиной 1 м. От извлечения шпунта в примыканиях к существующим зданиям придется отказаться, чтобы не нанести им ущерба. Длина шпунта, как и любого другого ограждения котлована, определяется расчетом на активное давление и пассивный отпор грунта. Для котлована глубиной 8 м ограждение котлована в условиях Санкт-Петербурга едва ли получится по расчету менее 24 м. При погружении шпунта такой длины провоцируются дополнительные осадки окружающей застройки (порядка 5-10 мм), что нельзя не учитывать при создании концепции устройства подземного сооружения.
Научно-технический и производственный журнал
Правда, можно использовать один хитрый прием, позволяющий резко сократить длину шпунта, а вместе с ней и осадки соседних зданий. Остановимся на нем особо.
Устройство котлована с помощью «жесткого контура»
Метод заключается в устройстве траншей шириной 1015 м под защитой шпунта и системы распорных креплений, образующих замкнутый контур по периферии подземного объема, в которых выполняются железобетонные конструкции будущего сооружения. Эти конструкции служат далее жестким контуром, воспринимающим давление от окружающего массива грунта и соседних зданий, под защитой которого выполняется разработка грунта внутренней части котлована - так называемого «острова».
Как показывают исследования [7], в условиях распространения слабых глинистых грунтов наибольшие перемещения ограждения котлована часто происходят ниже дна котлована, т. е. ниже того уровня, на котором мы имеем возможность установить распорку. Следовательно, необходимо найти способ создания некоей распорки до откопки котлована. Такую возможность предоставляет технология струйной цементации (jet grouting). Она позволяет устроить распорную конструкцию на требуемой глубине из плотно смыкающихся цилиндрических грунтобетонных элементов. Как показывает опыт реализации технологии на ряде объектов в Санкт-Петербурге, с ее помощью удается создавать в массиве грунта естественного сложения грунтобетон с прочностью на одноосное сжатие порядка 5-10 МПа и модулем деформации порядка 500-1000 МПа. Такая конструкция может эффективно работать на сжатие.
Заметим, что не следует применять технологию струйной цементации для создания в основании конструкций, работающих на растяжение и изгиб, поскольку грунтобе-тонный массив состоит из отдельных цилиндрических элементов, между которыми имеются швы, аналогичные швам при бетонировании. Такой массив не в состоянии сопротивляться растягивающим или изгибным усилиям.
Обратим особое внимание на важную технологическую деталь: при устройстве грунтобетонных элементов следует обеспечивать свободное изливание пульпы грунта, разрушенного струей, на поверхность. Для этого необходимо следить за наличием зазора между грунтом и штангой бурового инструмента, не допускать сокращения зазора. В противном случае не сформируется грунтобетонный элемент, а произойдет гидроразрыв пласта с паразитическим уходом цемента в стороны.
С помощью технологии струйной цементации становится возможным весьма простой способ устройства «жесткого контура»: ограждение траншей выполняется из короткого шпунта, который погружается всего на 3-4 м ниже проектной отметки дна котлована, а между двумя рядами шпунта ниже той же отметки устраивается слой грунтобетона толщиной порядка 2 м.
Отметим, что при большом расстоянии между рядами шпунта работа слоя закрепленного грунта в качестве распорки может оказаться неэффективной из-за деформа-тивности этого слоя. Например, при расстоянии 40 м податливость двухметрового слоя по горизонтали по расчету составит порядка 2-3 см, т. е. достигнет значений предель-
Рис. 4. Устройство подземного объема на Загородном пр. по методу «жесткого контура»
но допустимых смещений. Об этом же свидетельствуют и результаты натурных наблюдений на реальных объектах, где слой закрепленного грунта оказался неэффективным при большой ширине котлована [7].
Успешный пример устройства подземного сооружения методом «жесткого контура» на Загородном пр. в Санкт-Петербурге подробно изложен в № 9 журнала «Жилищное строительство», 2014 г. [8]. Схема его реализации представлена на рис. 3.
Как показали результаты мониторинга, развитие осадок окружающей застройки при устройстве котлована соответствовало расчетным ожиданиям и не превысило 10-20 мм.
Метод устройства подземного сооружения под защитой «жесткого контура» (рис. 4) оказался весьма эффективным в условиях плотной застройки на слабых грунтах. Он надежно обеспечил безопасность соседней застройки и оказался вполне конкурентоспособным в экономическом отношении. Стоимость 1 м2 подземного сооружения оказалась сопоставимой с аналогичным параметром для наземной части здания.
Заключение
Сочетание компетенций института «Геореконструкция» в трех областях: первая - разработка собственного программного обеспечения и моделей работы грунта, что позволило создавать необходимые для работы расчетные инструменты; вторая - расчеты и проектирование, научившие специалистов совершенствовать эти инструменты, а также третья - натурные исследования поведения грунта и мониторинг, давшие материал для обратного анализа проектных прогнозов и для верификации расчетных моделей и программ, - позволили получить синергетический эффект - создать методологию проектирования подземных сооружений в условиях плотной застройки на слабых грунтах Санкт-Петербурга. Эта методология нашла отражение в петербургских и федеральных нормативных документах. Опыт института однозначно свидетельствует о возможности развития подземного пространства Северной столицы по пути, безопасному для исторических зданий и памятников архитектуры. Для этого есть только одно условие: подземным строительством должен заниматься высококвалифицированный специалист-геотехник.
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
Список литературы
1. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Стройиз- 2. дат Северо-Запад, Геореконструкция, 2010. 551 с.
2. Васенин В.А. Оценка развития осадок исторической застройки Санкт-Петербурга по результатам наблюдений с конца XIX века // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2013. № 4. С. 2-7. 3.
3. Шашкин А.Г. Проектирование зданий и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. М.: Академическая книга - Геомаркетинг, 2014. 352 с.
4. Шашкин А.Г. Основы расчета подземных сооружений в условиях городской застройки на слабых глинистых грун- 4. тах // Жилищное строительство. 2011. № 6. С. 39-46.
5. Шашкин А.Г. Модификация метода TOP-DOWN для условий реставрации и реконструкции исторического здания // Жилищное строительство. 2009. № 2. С. 25-31. 5.
6. 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. 6.
7. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Устройство подземного объема второй сцены Мариинского театра в условиях слабых глинистых грунтов // Жилищное строительство. 2011. № 10. С. 24-31. 7.
8. Шашкин А.Г., Богов С.Г. Использование технологии jet grouting при устройстве подземного объема в условиях слабых глинистых грунтов // Жилищное строительство. 2014. № 9. С. 27-33.
8.
References
1. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Geotekhni-cheskoe soprovozhdenie razvitiya gorodov [Geotechnical
maintenance of development of the cities]. SPb: Stroyizdat Severo-Zapad, Georekonstruktion. 2010. 551 p. (In Russian).
Vasenin V.A. Development evaluation a deposit of historical building of St. Petersburg by results of supervision since the end of the 19th century. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2013. No. 4, pp. 2-7. (In Russian).
Shashkin A.G. Proektirovanie zdanii i podzemnykh sooruzhenii v slozhnykh inzhenerno-geologicheskikh usloviyakh Sankt-Peterburga [Building designing and underground constructions in difficult engineering-geological conditions of St. Petersburg]. Moscow: Academicheskaya kniga - Geomarketing. 2014. 352 p. (In Russian). Shashkin A.G. Bases of calculation of underground constructions in the conditions of urban development on weak clay soil. Zhilizhchnoe Stroitel'stvo [Housing construction].
2011. No. 6, pp. 39-46. (In Russian).
Shashkin A.G. Modification of the TOP-DOWN method for conditions of restoration and reconstruction of the historical building. Zhilizhchnoe Stroitel'stvo [Housing construction]. 2009. No. 2, pp. 25-31. (In Russian). Shashkin A.G., S.G. Gods. Approbation of the «wall in soil» technology in engineering-geological conditions of St. Petersburg. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo.
2012. No. 11, pp. 20-22. (In Russian).
Ulitsky V.M., Shashkin A.G. Ustroystvo of underground amount of the second scene of the Maryinsky Theater in the conditions of weak clay soil. Zhilizhchnoe Stroitel'stvo [Housing construction]. 2011. No. 10, pp. 24-31. (In Russian).
Shashkin A.G., S.G. Gods. Use of the jet grouting technology in case of the device of underground amount in the conditions of weak clay soil. Zhilizhchnoe Stroitel'stvo [Housing construction]. 2014. No. 9, pp. 2733. (In Russian).
24-27 января 2017| Красноярск
ПРИГЛАШАЕМ ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ В XXV СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ВЫСТАВКЕ
АРХИТЕКТУРА
ВЕДУЩАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ И ИНТЕРЬЕРНАЯ ВЫСТАВКА СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
Одновременно пройдет выставка строительной и складской техники и оборудования «Тех Строй Экспо. Дороги»
В ПРОГРАММЕ:
VI Архитектурно-строительный форум Сибири Сибирский фестиваль архитектуры
МВДЦ «Сибирь», ул, Авиаторов, 1 9 тел : <391) 2 2-88-405. 2 2-88-61 1 bu ild@k га sfa iir. ru. www. kra sf a i r. г и
■M
_ i-KiSiipr. «fi
