CC BY
127-----мшпшццдь
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.1
В.Я. ШИШКИН, канд. техн. наук, эксперт Москомэкспертизы Правительства Москвы, А.П. ДОРОЖКИН, инженер, ООО «НПФ «Фундаментстройпроект» (Московская обл.)
Проектирование и строительство котлованов для подземных автостоянок в Москве
Приведен опыт строительства котлована глубиной 10 м для 2-уровневого подземного гаража монолитного 22-этажного жилого дома. Проведено сравнение расчетных усилий в распорных конструкциях с измеренными тензо- и оптоволоконными датчиками. Рядовой случай строительства котлована в стесненных условиях Москвы может быть интересен для регионов РФ.
Ключевые слова: ростверк, котлован, скважина, свая, гидрогеологические условия строительства.
Строительство глубоких котлованов в стесненных условиях городской застройки возможно только при обеспечении безопасной эксплуатации застройки, окружающей это строительство. Влияние нового строительства на прилегающие сооружения не должно превышать допустимых значений в соответствии с требованиями МГСН 2.07-01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения» и СП 50101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений».
Влияние строящегося заглубленного сооружения на окружающую застройку определяется расчетом деформаций с учетом технологии крепления котлована. На рис. 1 представлен ситуационный план с окружающей застройкой и инженерными сетями. Расчет по определению влияния на окружающую застройку был выполнен по 4 сечениям.
На расстоянии около 10 м от котлована располагается многоэтажный жилой дом по адресу: Москва, Алтуфьевское шоссе, д. 85а (сечения 1-1 и 2-2).
Под стенами и под опорами фундаменты свайного типа. На сваи опирается железобетонный ростверк, на ростверк -железобетонная панель или цокольная керамзитобетонная панель. Глубина заложения фундаментов наружных стен от поверхности земли составляет 1,4-2,2 м; от пола подвала 0,6-0,7 м. Результаты испытаний прочности образцов материалов кладки фундамента прибором «ПМ-2» показали: железобетонная панель В12,5; цокольная керамзитобетонная панель В7,5; монолитный ростверк В15; железобетонная свая В25. Состояние ростверков, свай и всех несущих конструкций исправное согласно СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений».
Под основанием ростверка вскрыта суглинистая насыпь с включением строительного мусора, влажная и водонасы-щенная, которая подстилается суглинками мягкопластич-ными и тугопластичными, опесчаненными.
На расстоянии около 12 м от котлована располагается здание по адресу Алтуфьевское шоссе, д. 87 (сечение 3-3).
Таблица 1
Наименование, ИГЭ Плотность грунта, р, кг/м3 Удельное сцепление, с, кПа Угол внутреннего трения, ф,град Модуль деформации, Е, МПа
ИГЭ-1 - насыпные грунты: преимущественно суглинки с линзами песка, перемешанные с включением строительного и бытового мусора Rc= 100 кПа
ИГЭ-2 - покровные суглинки полутвердые (рЮш) 1970* 1960/1900** 37* 32/28** 17* 16/15** 18
ИГЭ-4 - озерно-болотные суглинки тугопластичные (1, 1990* 1980/1900** 20* 15/11** 19* 17/16** 12
ИГЭ-6 - флювиогляциальные суглинки мягкопластичные 2090* 2080/2070** 17* 13/10** 14* 12/11** 15
ИГЭ-8 - моренные суглинки полутвердые(gQII) 2190* 2180/2170** 33* 24/19** 23* 21/19** 27
ИГЭ-9 - моренные пески пылеватые, средней плотности (gQII) 1810* 1790/1780** 3* 3/2** 30* 30/29** 24
ИГЭ-10 - моренные супеси пластичные (gQII) 2100* 2090/2000** 21* 16/12** 29* 28/27** 18
ИГЭ-11 - флювиогляциальные пески пылеватые, плотные (fQi.li) 2050* 2030/2000** 4* 4/3** 34* 34/33** 33
Примечание: * - нормативные значения величины, определенные в соответствии с Пособием по проектированию оснований и сооружений к СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений»; ** - перед чертой - величина для расчета по II группе предельных состояний (по деформациям); за чертой - величина для расчета по I группе предельных состояний (по прочности).
--------- ЦПШЦЫПЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
Рис. 1. Ситуационный план
Под стенами и под опорами фундаменты свайного типа, глубина заложения наружных стен от поверхности земли составляет 4-5,2 м, а от пола подвала 1-1,9 м. На сваи опирается железобетонный ростверк, на ростверк сборные железобетонные колонны, подколонники, рандбалки или бетонные блоки. Состояние конструкций исправное согласно СП 13-102-2003.
Под основанием ростверка вскрыты пески средней крупности, средней плотности, водонасыщенные, а также суглинки мягкопластичные.
На расстоянии около 20 м от котлована располагается здание по адресу: Алтуфьевское шоссе, д. 83 (сечение 4-4).
Под стенами и под опорами фундаменты свайного типа, глубина заложения наружных стен от поверхности земли составляет 4-5,4 м, от пола подвала - 1,5 м. Под основанием ростверка вскрыты суглинистая насыпь с включением строительного мусора, влажная и водонасыщенная, пески средней крупности, средней плотности, водонасыщенные, а также суглинки мягкопластичные. Состояние конструкций исправное согласно СП 13-102-2003.
Поверхность спланирована и застроена. Абсолютные отметки современной поверхности 166,65-169,4 м.
Грунты, залегающие с поверхности до глубины 9 м, обладают высокой степенью коррозионной агрессивности по отношению к стали; к свинцовой оболочке кабеля и к алюминиевой оболочке кабеля. Грунты, залегающие с поверхности до глубины 3 м, среднеагрессивны к бетону нормальной проницаемости; грунты, залегающие с глубины 3 м до глубины 12 м, неагрессивны к бетону нормальной проницаемости.
Гидрогеологические условия участка до глубины 28 м характеризуются наличием двух четвертичных водоносных горизонтов, относительным водоупором между которыми являются суглинки и супеси, залегающие в нижней части моренных отложений.
Воды первого от поверхности среднечетвертичного водоносного горизонта вскрыты всеми скважинами, приурочены к флювиагляциальным и моренным пескам и к линзам и прослоям песка в толще флювиагляциальных и моренных
Таблица 2
Сечение Здание Допустимая осадка, мм Максимальная расчетная осадка, мм Относительная разность осадок Максимальные горизонтальные перемещения, мм
1-1 Алтуфьевское шоссе, д. 85а 30 5 0,0002 6
2-2 Алтуфьевское шоссе, д. 85а 30 7 0,0003 6
3-3 Алтуфьевское шоссе, д. 87 30 10 0,0005 7
4-4 Алтуфьевское шоссе, д. 83 30 6 0,0003 4
-----мшпшццдь
СТРОИТЕЛЬСТВО
168 167 166 165 164 163 162 161 160 159 158 157 156 155 154 153 152 151 150 149 148 147
/ / / / / / / / /
9 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
-7""/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / 10 / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
11
Рис. 2. Характерный приведены в табл. 1
инженерно-геологический разрез. Характеристики ИГЭ
Рис. 3. Последовательное бурение скважины и установка трубы
суглинков, глин и супесей. Воды безнапорные, вскрывались на глубинах от 4,2 м до 10 м. Абсолютные отметки установившегося уровня 157,95-162,4 м.
Воды второго от поверхности водоносного горизонта вскрыты практически повсеместно и приурочены к толще нижнесреднечетвертичных флювиогляциальных песков. Воды напорные вскрывались на глубинах 15,5-21,6 м. Величины зафиксированных напоров составляют от 4,5-9,9 м.
Геологические условия площадки строительства на разведанную глубину 20 м показаны на характерном разрезе на рис. 2, характеристики инженерно-геологических элементов (ИГЭ) приведены в табл. 1.
Проектируемое здание - 22-этажный двухподъездный жилой дом с подземным 2-этажным паркингом.
Рис. 4. Погружение труб пнев-мопробойником СО-166
Рис. 5. Обвязочная балка первого яруса и сопряжение распорки
Конструктивная схема здания каркасная; колонны каркаса монолитные, железобетонные на фундаментной плите. Стены подземной части здания монолитные, железобетонные, толщиной 400 мм. Перекрытия здания монолитные, железобетонные.
Толщина фундаментной плиты 0,6 м в части устройства паркинга и 1,2 м в высотной части. Относительная отметка низа наиболее заглубленных участков фундамента здания составляет -10,2 м (участок устройства высотной части), что соответствует абсолютной отметке 157 м.
Котлован в плане продолговатый, имеет сложную форму с габаритными размерами в плане 80x50 м. В осях 9'- 17' глубина котлована изменяется в пределах 9,6-8,9 м; в осях Е-А 9,9-8,5 м. Проектом предусмотрено устройство ограждения котлована из стальных труб 0325x8 мм длиной до 19,2 м, погружаемых в лидерные скважины диаметром 350 мм, пробуренные до отметки дна котлована. Бурение скважин выполнялось полыми шнеками (рис. 3). Труба в скважину устанавливалась с помощью автокрана.
Погружение шпунта до проектной отметки производилось при помощи пневмопробойников (рис. 4) [1]. В связи с близким расположением жилых домов были выполнены измерения шума и вибрации от действующего оборудования. Измерения показали, что виброускорение составило 58,6 Дб, что меньше допустимого значения 74 Дб согласно нормам МГСН 2.04-97 и ГОСТ 12.1.012-90 «Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования». Шум при работе компрессора и пробойника составил 95 Дб, что превышает допустимое нормами значение 55 Дб. Однако применение шумозащитного кожуха на пневмопробойнике СО-166 и использование компрессора с низким уровнем
шума позволили снизить эту величину до предельно допустимых значений.
После погружения полость труб заполняется местным грунтом. При откопке котлована устанавливается деревянная забирка, а с отметки предполагаемого уровня грунтовых вод - забирка из металлического листа толщиной 4 мм. Для предотвращения горизонтальных перемещений ограждающей конструкции проектом предусмотрено выполнить состоящую из двух ярусов распорную систему из стальных конструкций.
Для части котлована, ограниченной осями 9-1475-10, применялись «вилочные» распорки со стойкой, состоящие из одного главного элемента (центральная распорка), упирающегося в противоположные борта котлована и примыкающих к нему двух симметрично расположенных угловых элементов (угловые распорки).
Первый ярус выполнялся из стальных труб 0630x10 (главная распорка) и 0325x8 (угловая распорка); обвязочная балка - из широкополочного двутавра 40Ш1 (рис. 5).
Второй ярус выполнялся из стальных труб 01020x10 (главная распорка) и 0530x8 (угловая распорка) (рис. 6); обвязочная балка - из широкополочного двутавра 50Ш3. Первый ярус выполнялся на отметке 167,2, второй ярус - на отметке 161,3.
Для части котлована, ограниченной осями 14'-17'/5-10, применялись подкосы с упором в пионерную фундаментную плиту (рис. 7). Подкосы первого яруса выполнялись из стальной трубы 0325x8, обвязочная балка - из широкополочного двутавра 40Ш1. Подкосы второго яруса - из стальной трубы 0426x8, обвязочная балка - из широкополочного двутавра 50Ш3. Первый ярус выполнялся на отметке 167,2, второй ярус - на отметке 161,3.
Для части котлована, ограниченной осями 1-11/Е-А, применялись подкосы с упором в пионерную фундаментную плиту. Подкосы первого яруса выполнялись из стальной трубы 0530x8, обвязочная балка - из широкополочного двутавра 40Ш1. Подкосы второго яруса выполнялись из стальной трубы 0630x8, обвязочная балка - из широкополочного двутавра 50Ш3. Первый ярус устраивался на отметке 166, второй ярус - на отметке 162. При устройстве распорной системы по периметру ограждения котлована оставлялась пригрузочная берма.
Рис. 6. «Вилочные»распорки в осях 9'—14'
Рис. 7. Распорная система в осях 14'—17/5—10 и 1—11/Е—А
Проектом предусмотрена последовательность этапов разработки грунта в котловане:
выемка грунта из котлована на проектную отметку с параллельным монтажом деревянной забирки;
■ монтаж обвязочного пояса I яруса;
■ разработка грунта из центральной части котлована для устройства пионерной фундаментной плиты. При этом по всему периметру оставлена пригрузочная грунтовая призма (рис. 8);
- устройство «пионерной» фундаментной плиты в центральной части котлована (рис. 9);
Рис. 8. Устройство пандуса, разработка грунта из центральной части котлована для устройства «пионерной» фундаментной плиты
Рис. 9. Армирование «пионерной» фундаментной плиты и монтаж крана
Рис. 10. Демонтаж распорной системы IIяруса
Таблица 3
Дата замеров Результаты замеров Расчитанные усилия, кН
22.06.2009 89 -16,36
26.06.2009 75 -13,8
02.07.2009 93 -17,1
08.07.2009 90 -16,5
16.07.2009 112 -20,1
23.07.2009 165 -30,3
31.07.2009 143 -26,3
13.08.2009 188 -34,6
21.08.2009 191 -35,12
27.08.2009 180 -33,1
05.09.2009 210 -38,6
30.09.2009 472 -86,8
15.09.2009 410 -75,4
19.11.2009 416 -76,5
17.12.2009 455 -83,7
- монтаж распорок I яруса;
- разработка части пригрузочной призмы для монтажа распорной системы II яруса;
- разработка оставшейся части пригрузочной призмы до проектной отметки дна котлована.
Демонтаж распорной системы производился в следующей последовательности:
- после устройства фундаментной плиты враспор к шпунту и набора прочности бетона не менее 70% демонтируется распорная система II яруса (рис. 10);
-демонтаж I яруса вдоль осей «1», «А», «а» и «13» производился после устройства стен и перекрытия на отм. -3.9 и набора прочности бетона не менее 70% (рис. 11);
-демонтаж I яруса по остальным осям производился после устройства стен и перекрытий на отметках -0.7 и набора прочности бетона не менее 70%.
Расчет влияния проектируемого здания на существующую застройку выполнен при помощи программного комплекса PLAXIS 8.2, сертифицированного в РФ.
Использование программного комплекса обусловлено необходимостью оценки характера и величины перемещений существующих зданий, попадающих в зону влияния проектируемого строительства 22-этажного жилого дома с подземной автостоянкой по адресу: Москва, Алтуфьевское шоссе, вл. 85.
При моделировании напряженно-деформированного состояния грунтов оснований существующих фундаментов учитывалась нагрузка от вновь возводимого здания. В расчетах учтены инженерно-геологические условия по разным инженерно-геологическим скважинам, находящимся в пределах строительства. Также учитывались гидрогеологические условия площадки и этапы монтажа и демонтажа распорной системы котлована.
При составлении расчетной схемы для учета механических свойств строительных материалов и грунтов использованы следующие математические модели материалов:
-для моделирования подземной части существующих сооружений и проектируемой подпорной стенки - модель линейного изотропного материала;
Рис. 11. Возведение конструкций нулевого цикла. Демонтирована распорная система II яруса. Монолитные работы выполнялись ЗАО «Первый строительный трест», Москва
Рис. 12. Изолинии вертикальных перемещений. Дополнительная осадка существующего дома 8 мм
Рис. 13. Места установки измерительных датчиков на элементах распорной системы: а — Iяруса; б — IIяруса; в — схема установки датчиков на элементах распорной системы
- для моделирования физико-механических свойств грунтов - модель Кулона-Мора.
Расчеты проводились с учетом технологических этапов производства работ в котловане. Результаты расчетных вертикальных перемещений по сечению 1-1 показаны на рис. 12. Расчетные и допустимые перемещения по остальным сечениям сведены в табл. 2. Расчетом не учитывались технологические осадки при производстве работ.
В результате проектируемого строительства расчетные осадки существующих зданий по Алтуфьевскому ш., д. 83, д. 85а, д. 87, попадающих в зону влияния проектируемого строительства 22-этажного жилого дома с подземной автостоянкой на Алтуфьевском ш., вл. 85, не превышают допустимых значений.
При производстве работ была организована система геотехнического мониторинга за существующими зданиями и распорной системой. В соответствии с результатами мониторинга окружающих зданий осадки практически были рав-
ны нулю. Для мониторинга усилий в распорной системе были изготовлены датчики деформаций повышенной прочности с использованием оптического кабеля. Измерения проводились авторами разработанного метода Ю.А. Ники-таевым, В.А. Яцеевым, С.И. Любинским (ООО «Оптические измерительные системы», Научный парк МГУ).
Параллельно с замерами относительных деформаций, выполняемых с помощью оптоволоконной системы, на распорке Р-12 (0630x8) был установлен тензорный датчик. До начала замеров на объекте силами ООО «НПФ «Фундаме-нтстройпроект» проведены испытания отрезка трубы с установленным датчиком на стационарном гидравлическом прессе.
На основании испытаний построены тарировочные зависимости деформаций от усилий на трубу (0325x8).
Результаты измерений усилий в распорке Р-12, выполненных с 22.06.2009 г. по 17.12.2009 г., приведены в табл. 3.
Таблица 4
Элемент Точка измерений Расчетное усилие Измеренное усилие (оптоволоконный датчик) Измеренное усилие (тензодатчик)
N кН М, кНм N кН М, кНм N кН М, кНм
Распорка Р-12 Т-8 -619 120 -246 12 -83,7 -
Распорка Р-14 Т-7 467 26 261 33,6 -
Распорка Р-15 Т-5 -447 40,8 -178 3,2 -
Распорка Р-16 Т-6 -422 2 -3,8 12,7 -
Балка Б-4 Т-12 -247 270 187 47,2 -
Балка Б-6 Т-11 -680 14 254,5 30,1 -
Рис. 14. Общий вид расчетной схемы распорной системы
Расчет усилий в элементах распорной системы выполнен в программе SCAD на основе данных, полученных из программы Wall-3. На рис. 14 приведен общий вид расчетной схемы распорной системы. Сопряжение распорок с фундаментной плитой принято жестким. Распорная система воспринимает горизонтальные нагрузки от воздействия грунтового массива. Также в расчете учитывается собственный вес распорных конструкций.
Воздействие на распорную систему рассматривалось на этапе откопки грунта из котлована на отметку -6.2 м, что соответствует измерениям относительных деформаций, выполненных 14.10.2009 г. Эпюра осевых усилий приведена на рис. 15.
Для удобства анализа результаты расчета распорной системы I яруса и значения усилий, полученные в результате измерений, сведены в общую табл. 4.
Результаты высокоточного геодезического мониторинга осадок зданий, окружающих строительство, показали практически нулевые значения, что меньше прогнозируемых 5-10 мм.
В период с августа по декабрь 2009 г. с помощью системы оптоволоконных датчиков были выполнены измерения относительных деформаций в элементах распорной системы I и II ярусов при устройстве ограждения котлована по адресу: Москва, Алтуфьевское ш., вл. 85. Измеренные усилия в распорках Р-12, Р-14, Р-15 по своим значениям в два раза меньше, чем расчетные. Измеренные усилия в остальных элементах первого яруса значительно разнятся как по векторной, так и по скалярной величине с расчетными значениями. Измеренные усилия в распорке Р-12 с помощью тензорного датчика меньше в 6-7 раз, чем рассчитанные усилия.
Анализ выполненных измерений деформаций окружающей застройки и усилий в распорных конструкциях показывает, что применяемые расчетные модели, расчетные характеристики грунта и конструкций приводят к необоснованно высоким запасам прочности. В то же время известны многочисленные случаи аварийных ситуаций при строительстве котлованов в плотной городской застройке. Следует в обязательном порядке предусматривать при возведении котлованов свыше 5 м опытно-измерительные работы на стадии «П» до начала выполнения рабочего проектирования. Такие работы имеют стоимость 1-2% от стоимости ограждения котлована, но позволят снизить расход материальных ресурсов в 2-3 раза.
Литература
1. Шишкин В.Я., Дорожкин А.П. Несущая способность буроинъекционных свай с уплотненным забоем // Сб. научн. трудов НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: НИИОСП, 2009. Вып. 99. С. 133.
Рис. 15. Эпюра осевых усилий
ВЫСТАВКА
Ваше Жилище
21-23 сентября Ярославль
16-я выставка энергоэффекгивных технологий для строительства и ЖКХ в рамках межрегиональной конференции «Строительство и ЖКК: Энергоэффективность. Инвестиции. Инновации»
(4852) 45-06-46, www.energo-resurs.ru
