CC BY
46Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
УДК 621.6.072
В.С. ПОСПЕХОВ, инженер НИИОСПим. Н.М. Герсеванова (Москва)
Расчеты конструкции ограждения котлована для подземной части общественно-делового центра «Охта» в Санкт-Петербурге
Проведен сравнительный анализ результатов расчетов конструкции ограждения котлована для предполагаемого строительства подземной части общественно-делового центра «Охта», выполненных по разным методикам.
Ключевые слова: котлован, конструкция ограждения котлована, распорная система, математическое моделирование, модель грунта.
В 2009 г. велось проектирование общественного делового центра (ОДЦ) «Охта» в черте Санкт-Петербурга. Участок предполагаемого строительства располагался в Красновардейском административном районе по адресу: Красногвардейская пл., д. 2. Площадка строительства находилась на освобождаемой территории бывшего завода «Ленинградский Петрозавод». Схема расположения площадки проектируемого строительства ОДЦ «Охта» представлена на рис. 1.
В геоморфологическом отношении исследуемая площадка приурочена к литориновой аккумулятивной террасе Приневской низменности, тесно связанной с историей существования древнего Литоринового моря. Рельеф участка неровный. Абсолютные отметки земной поверхности по данным привязки устьев скважин составляют от 4,7 до 6,5 м.
Гидрографическая сеть района относится к бассейну Балтийского моря. В пределах рассматриваемой территории она представлена реками Нева и Большая Охта.
В геолого-литологическом строении участка в пределах глубины бурения (170 м) принимают участие четвертичные отложения различного генезиса (техногенные отложения t IV, озерно-морские отложения т, I IV, озерно-ледниковые отложения Балтийского ледникового озера 1д III Ь, озерно-ледниковые отложения Лужской стадии оледенения 1д III ледниковые отложения Лужской стадии оледенения 1д III \т, межморенные водно-ледниковые отложения московского комплекса 1д II т^, ледниковые отложения Московской стадии оледенения (1д II)) и коренные породы Венда (котлинский горизонт V М2). Схематический инженерно-геологический разрез площадки строительства представлен на рис. 2. Физико-механические характеристики грунтов приведены в табл. 1.
В гидрогеологическом отношении рассматриваемый участок характеризуется наличием безнапорных и напорных грунтовых вод.
Безнапорные грунтовые воды встречены на глубинах 3-4 м от поверхности земли, на абс. отметках 1,7-1,2 м. Нижним водоупором служат озерно-ледниковые суглинки, вскрытые на глубинах от 8 до 14 м.
Второй от поверхности водоносный горизонт грунтовых вод напорный, приуроченный к озерно-ледниковым пыле-ватым пескам и супесям с прослоями этих песков. Верхним
водоупором служат ленточные глины и суглинки озерно-ледниковых отложений. Его кровля фиксируется на глубинах 17-26 м, подошва - 23-30 м от поверхности земли. Установившийся уровень на отметках 0,7-1,1 м.
Близкое расположение уровней во всех горизонтах свидетельствует об их относительной взаимосвязи.
Общая разгрузка водоносного горизонта осуществляется в сторону рек Невы и Охты и сдерживается наличием набережных.
Инженерно-геологические условия данной площадки относятся к III категории сложности (сложная), геотехническая категория объекта - 3 (сложная).
ОДЦ «Охта» состоит из высотного здания и нескольких 5-14-этажных блоков, объединенных общей 2-3-уровне-вой подземной частью. Общий вид плана подземного этажа представлен на рис. 3.
Высотное здание ОДЦ «Охта» представляет собой 81-этажное офисное здание высотой 396 м, шириной в
Рис. 1. Схема расположения площадки проектируемого строительства ОДЦ «Охта»: 1 — Красногвардейская пл., д. 4; 2 — Большеохтинский пр-т, дом 1/1; 3 — здания завода «Штурманский прибор»; 4 — Большеохтинский пр-т, д. 3; 5 — Большеохтинский мост и прилегающий к нему путепровод; 6 — Комаров-ский мост; 7 — Малоохтинский мост; 8 — канализационный коллектор вдоль Якорной ул.; 9 — канализационный коллектор вдоль Свердловской наб.; 10 — водопровод вдоль Якорной ул. и Свердловской наб.; 11 — ОДЦ «Охта»
9'2011
27
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Таблица 1
Наименование отложений Геолог. индекс p, г/см3 Нормативные Расчетные
Е, МПа ф, 0 С, кПа а=0,85 а =0,95
Ф., 0 Сг кПа Фи 0 С,, кПа
Техногенные отложения tVI Ro<0,1Mna
Озерно-морские отложения m,l IV 1,98 6-31 12-33 1-14 11-31 1-12 10-29 0-10
Озерно-ледниковые отложения lg III b 1,81-2,11 4-30 8-34 1-15 7-32 0-14 6-30 0-12
Ледниковые отложения g III, II 2,08-2,23 10-28 21-30 34-60 19-28 30-57 17-26 28-54
Дислоцированные вендские глины vikt;; 2,14 16 17 140 15 135 14 130
Вендские глины vikt;; 2,22 83** 26 380 24 375 22 370
основании 58 м. Высотная башня в плане имеет форму вписанной в окружность пятиугольной звезды с пятью квадратными объемами, исходящими от центрального круглого ядра.
Верхнее строение опирается на трехэтажную железобетонную подземную часть, представляющую собой развитый в плане правильный пятиугольник, площадь основания которого составляет « 6000 м2.
Подземная автостоянка комплекса располагается за пределами габаритов подземной части башни, занимая практически всю площадь участка, отведенного под строительство.
Основными несущими конструкциями подземной автостоянки являются монолитные железобетонные колонны и стены.
Заглубление фундамента высотного здания относительно поверхности участка составит около 12-15 м (абсолютная отметка « -9,2 м).
О®. (хв
слв
СКВ. 1-1 fi?
СКВ. Мб?
сад. 1M6S
СКВ.
УПЗ О
-10 »20 -30
■на
■50 -60
-ВО -90
■ too -110 -т -но
■ но
Рис. 2. Схематический инженерно-геологический разрез площадки строительства
| Тинивнныс атпождмя Щ
\ in, 1IV дМрни-лц |циши*? иjJirmemu i:j 1 II |
1 ГНПйХЙНИМ Ц II -
4»СЛ6ЩЧрсШ1Нйй вищспи глими Vi kl |
11 Ii inn1'JIPMHH« ннн|;:.к№ i.'iMHN VI И j II
боннски глины Vi H"l
Ващскив rmiwVl lflJ, порадвиваициесяспвсчанимж 1
Абсолютная отметка дна котлована под подземную автостоянку составляет -7,2 м.
Строительство нулевого цикла планировалось вести из котлована, разрабатываемого методом сверху вниз (semi top-down), для чего по контуру подземной части комплекса и выполняемого с опережением высотного здания предполагается устройство водонепроницаемой монолитной железобетонной стены в грунте толщиной 1200 мм и 1500 мм и противофильтрационной завесы (ПФЗ) толщиной 600 мм. Заглубление проектируемой стены в грунте ниже дна котлована составляет 15,3-18,3 м. Абсолютная отметка низа противофильтрационной завесы в самой заглубленной части составляет -46 м.
В качестве конструкций, обеспечивающих прочность и устойчивость стены в грунте, при разработке котлована и в период строительства автостоянки предусматривалось устройство монолитных железобетонных дисков перекрытий на отметках +6,85 м, +2,35 и -1,65 м подземного пространства автостоянки. Для увеличения жесткости распорной конструкции между перекрытиями на отметках +2,35 и -1,65 м предусмотрены связи из металлопроката. Устойчивость перекрытий в вертикальной плоскости обеспечивается за счет буронабивных свай-колонн, выполненных с отметок планировки строительной площадки до начала разработки котлована. Характерные разрезы по конструкции ограждения котлована представлены на рис. 4.
Разработку котлована планировалось осуществлять в следующей последовательности.
На первом этапе по всему периметру котлована выполняется противофильтрационная завеса толщиной 600 мм. Затем также по всему периметру котлована устраивается монолитная железобетонная стена в грунте толщиной 1500 и 1200 мм и выполняются сваи-колонны, служащие временными опорами для дисков перекрытий. После этого производится последовательная экскавация грунта из котлована с устройством железобетонных дисков перекрытий толщиной 350 мм на отметках: +6,85, +2,35 и -1,65 м. После экскавации грунта до проектной отметки -7,2 м по всей площади котлована выполняется бетонная подготовка, гидроизоляция и фундаментная плита.
В отечественной и мировой практике проектирования наиболее распространенными методами расчета ограждений котлованов являются аналитические решения, основанные на теории предельного равновесия. В основу большинства таких решений положена некая нелинейная зависимость между усилиями, возникающими в конструкциях, и перемещениями. Данная зависимость, как правило, представляет собой коэффициент, называемый коэффициентом жесткости или постели. Все аналитические методы, в осно-
Научно-технический и производственный журнал
ЖИЛИЩНОЕ
Л
Подземное строительство
Рис. 3. Схема подземной части ОДЦ«Охта»
ве которых лежит описанный выше принцип, иначе называют контактными моделями расчета. В настоящее время при проектировании и строительстве на территории Московского региона наиболее апробирована контактная модель, реализованная в программе Wall-3, которая была разработана совместно НИИОСП им. Н.М. Герсеванова и ООО «ИКЦ ПФ» (Московская обл.). Программа Wall-3 разработана в соответствии с действующими на территории России нормами и требованиями к расчетам ограждающих конструкций.
Однако территория строительства ОДЦ «Охта» находится в чрезвычайно сложных в геотехническом смысле условиях, для которых отечественные нормы рекомендуют выполнение расчетов с применением нескольких расчетных методик. Учитывая это, для расчета ограждающей конструкции решено было применить два метода. Ограждение котлована рассчитывалось аналитически, по методу контактной модели с использованием программы Wall-3, а также при помощи решения численной задачи, основанной
+4.500^
+2.350
■22.500] (-25.5001/
Ж/6 свая фундамента
■ Ж/б стена в грунте 1=1200 мм
на методе конечных элементов. В отличие от аналитических методов метод конечных элементов позволяет не разделять усилия и деформации, а получать их одновременно. Для реализации численного расчета выбран программный комплекс Plaxis v.8, который, так же как и Wall-3, хорошо зарекомендовал себя при проектировании и строительстве в России и за рубежом.
В процессе расчетного обоснования ограждения котлована ОДЦ «Охта» нельзя не упомянуть о работе, в которой специалисты НИИОСП принимали участие в 2008 г. при строительстве подземной части для второй сцены Мари-инского театра в Санкт-Петербурге [1]. На этой площадке грунтовые условия схожи с грунтовыми условиями площадки строительства ОДЦ «Охта», поэтому результаты выполненных расчетов представляли повышенный интерес. На объекте был устроен 7-метровый котлован в ограждении, выполненном частично по методу стена в грунте. В процессе производства работ проводились измерения смещений и усилий в ограждении котлована, а также измерялись усилия в распорной системе. По результатам мониторинга в НИИОСП были выполнены обратные расчеты аналитическим методом, с использованием контактной модели в программе Wall-3, а также при помощи решения численной задачи, основанной на методе конечных элементов. В результате анализа расчетов авторы сделали несколько интересных выводов. Поведение массива грунта в процессе устройства котлована было характерно для среды, которая ввиду избыточных поровых давлений проявляет свойства тяжелой вязкой жидкости, либо для среды, полностью перешедшей в пластичное состояние. В таких условиях, если прочность грунта описывать исходя из эффективных сопротивлений сдвигу (характеристиками с и ф), можно серьезно завысить прочность рассматриваемых грунтов. Напротив, определение недренированной прочности (си) грунтов в таких условиях может показать значительно меньшие +7.500\
7.500
+6.850
■25,500
Рис. 4. Характерные разрезы конструкции ограждения котлована
Ж/б стена в грунте 1=1500 мм
92011
29
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. Схема расположения ИГЭ-2в, 3а, 3б, 4, 4а в составе инженерно-геологического разреза
ее значения. Определить параметры прочности рассматриваемых грунтов в природном состоянии практически невозможно, так как трудно отобрать образцы ненарушенной структуры из очень пластичного массива грунта. Следует обратить внимание на то, что в подобных случаях российский и зарубежный опыт проектирования подземных сооружений [2] требует выполнять как дренированный, так и недренированный расчет основания, взаимодействующего с ограждением котлована, а величины расчетных усилий в конструкциях принимать по наиболее неблагоприятному варианту.
При проектировании ограждения подземной части ОДЦ «Охта» было принято решение выполнить расчеты для случаев, когда прочностные характеристики грунтов определяются как по неконсолидированно-недренированной схеме (НН), так и по консолидированно-дренированной схеме (КД). В подобных случаях российские строительные нормы требуют принимать величины расчетных усилий в конструкциях по наиболее неблагоприятному варианту расчетов.
Как было указано выше, недренированная прочность грунтов, расположенных на площадке ОДЦ «Охта», может оказаться наиболее низкой, поэтому в процессе аналитических расчетов в программе Wall-3 использовались значения прочности по КД (с и ф) и недренированной прочности (си).
Для определения недренированной прочности (си) нормально уплотненных глин Скемптон [3] предложил эмпирическое выражение, связывающее ее с индексом пластичности в виде:
с /о' .=0,11+0,00371 . (1)
и ^ ' ' р 4 '
По результатам анализа, проведенного авторами [1], около десяти строительных площадок Санкт-Петербурга,
Рис. 6. Схема расположения расчетных сечений
на которых имелись данные статического зондирования и результаты трехосных испытаний, выявлена зависимость между лобовым сопротивлением погружению конуса зонда и удельным сцеплением, проявляющимся в трехосных испытаниях. Данную зависимость было предложено аппроксимировать простым линейным уравнением:
^/19. (2)
В соответствии с данными зависимостями вычислены значения удельного сцепления си, характеризующего не-дренированную прочность. Данные значения для некоторых инженерно-геологических элементов (ИГЭ) сведены в табл. 2. Схема расположения данных ИГЭ в составе разреза представлена на рис. 5.
Характеристики, полученные по формулам 1 и 2, близки к данным трехосных испытаний, за исключением слоев 4 и 4а. Расхождение указанных значений, вероятно, связано с тем, что стабилометрические испытания для данных грунтов проводились на образцах нарушенной структуры.
Кроме того, дополнительно были выполнены расчеты в программе Plaxis. Моделью поведения грунта, использовав-
Таблица 2
№ ИГЭ (см. рис. 5) Удельное сцепление, вычисленное по формуле 1, кПа Удельное сцепление, вычисленное по формуле 2, кПа Удельное сцепление по данным трехосных испытаний, кПа
2в 13 129 77
3а 20 49 33
3б 26 44 36
4 32 41 0
4а 36 81 13
Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
Таблица 3
№№ сечения Конструкция ограждения WALL-3 Plaxis (версия 8) Модель упрочняющего грунта (HS)
Консолидированно-дренированные (КД) Неконсолидированно-недренированные (НН)
Расчетный изгибающий момент, кНм Максимальные перемещения конструкции ограждения, см Расчетный изгибающий момент, кНм Максимальные перемещения конструкции ограждения, см Расчетный изгибающий момент, кНм Максимальные перемещения конструкции ограждения, см
2 3 4 5 6 7 8 9
1-1 Ж/б стена в грунте толщиной 1,2 м 2542 1,9 4390 6,9 4060 11,8
2-2 Ж/б стена в грунте толщиной 1,2 м 1900 4,8 2893 4,5 3190 11,2
3-3 Ж/б стена в грунте толщиной 1,5 м 2782 1,2 4996 3,3 5970 15,8
4-4 Ж/б стена в грунте толщиной 1,2 м 1813 1,4 2734 3,1 3450 7,7
шейся в расчетах по Plaxis, была модель упрочняющегося грунта (Hardening Soil (HS)).
Расчеты ограждения котлована проводились по четырем характерным сечениям (рис. 6), с учетом этапов экскавации грунта из котлована и устройства распорных конструкций. Результаты расчетов по сечениям приведены в табл. 3.
Следует отметить, что перемещения конструкции ограждения котлована, полученные при расчетах в программном комплексе Plaxis, выше перемещений, полученных в программе Wall-3. Это можно объяснить тем, что, как отмечалось ранее, Plaxis и Wall-3 принципиально разные программы. Для определения перемещений Wall-3 использует вычисленные усилия и контактные коэффициенты, тогда как Plaxis определяет деформации и усилия одновременно из решения системы уравнений. Кроме того, в Wall-3 отображаются деформации оси стены от ее начального положения без учета перемещений окружающего массива грунта.
Выполненные расчеты показали, что значения изгибающих моментов в конструкции ограждения котлована, полученные с неконсолидированно-недренированными характеристиками грунта, больше, чем с консолидированно-дренированными. При этом максимальные усилия, изгибающие моменты и деформации получены в результате расчетов в программе Plaxis с использованием модели упрочняющегося грунта (HS).
Таким образом, для определения внутренних усилий и изгибающих моментов на стадии проектирования необходимо проводить расчеты основания с прочностными характеристиками, полученными из испытаний, проведенных по схемам НН и КД. Более полное представление о перемещениях массива грунта и ограждения котлована можно получить при расчетах численными методами, например в программе Plaxis с применением модели упрочняющегося грунта (HS).
Учитывая сложность инженерно-геологических условий данной площадки, для подтверждения результатов расчетов и правильности выбора расчетной модели и параметров грунтового массива было предложено выполнить экспериментальную площадку на безопасном удалении от существующих объектов с выполнением геотехнического мониторинга в процессе ее устройства.
Как известно, в настоящее время реализация проекта строительства общественно-делового центра на данной площадке приостановлена в связи с переносом в другую часть города. Все наработки по методам расчета конструк-
ции ограждения котлована могут быть использованы при проектировании на новой площадке.
Список литературы
1. Лучнин М.А., Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Расчет осадок зданий и сооружений на слабых глинистых грунтах с учетом деформаций сдвига во времени // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007. № 2. С. 13-17.
2. Deep excavation. Theory and Practice / Chang-Yu OU / Taylor & Francis. 2006.
3. Geotechnical Engineering. Principles and factors of soil mechanics and foundation. Engineering / V.N.S. Murthy vol. 8.27. Р. 304.
9'2011
31
