CC BY
9Научная статья УДК 624.15
ГРНТИ 67.11.29 Основания и фундаменты, 67.13.21 Работы по устройству оснований и фундаментов. Свайные работы
ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения, 2.1.2 Основания и фундаменты,
2.1.9. Строительная механика
doi:10.51608/26867818_2023_2_32
УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЯ ОБЪЕКТА ИСТОРИЧЕСКОГО НАСЛЕДИЯ В СЛАБЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ
©Авторы 2023 ГАНДЕЛЬСМАН Игорь Анатольевич
SPIN 3768-7494 кандидат технических наук, доцент
AuthorlD: 294766 Владимирский государственный университет
Orcid: 0000-0002-5824-9066 имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
Аннот ация. В условиях плотной городской застройки при новом строительстве либо реконструкции существующих объектов в зону влияния строительных работ часто попадают существующие объекты, в том числе исторического наследия. В рассматриваемом случае реконструируемый объект культурного наследия за время эксплуатации неоднократно перестраивался, в результате чего на нем имеют место различные конструктивные решения отдельных частей здания. Дополнительную сложность придает расположение объекта на склоне, имеющем толщу насыпных грунтов различного состава, залегающих непосредственно под подошвой фундаментов, высоким уровнем грунтовых вод и длительным подтоплением подвала здания. Кроме того, при устройстве фундаментов применены различные технические решения: под частью здания - фундамент с деревянными сваями, частично утраченными за время эксплуатации, в другой - плитный фундамент. Для анализа современного состояния и определения путей реконструкции объекта составлены расчетные схемы для выполнения расчетов общей статической устойчивости, определены границы оползневой зоны склона для различных случаев и деформации основания при различных уровнях нагружения. В статье выявляются возможные риски, анализируются основные модели поведения грунтового основания с учетом негативных факторов, проводится вариантное проектирование конструктивных решений усиления основания и фундаментов - путем усиления фундаментов буроинъекционными сваями, либо проведением цементации насыпных грунтов для улучшения геотехнических свойств грунтов с низким сопротивлением. Результаты выполненных экспериментальных исследований и поверочных расчетов подчеркивают возможность обеспечения нормативной работы системы «основание-фундамент» с учетом улучшения геотехнических параметров основания. Применение результатов исследования позволяет сохранить объект исторического наследия, обеспечивает безопасность не только реконструируемого здания, но и соседних объектов, попадающих в зону влияния объекта, устойчивость склона, на котором расположен объект.
Ключевые слова:объект исторического наследия; оползневой склон; статическая устойчивость; геологическое строение; фундамент; цементация; буроинъекционные сваи
Дляцит ирования:Гандельсман И.А. Усиление основания объекта исторического наследия в слабых грунтовых условиях // Эксперт: теория и практика. 2023. № 2 (21). С. 32-37. doi:10.51608/26867818_2023_2_32.
Original article
STRENGTHENING THE FOUNDATION OF THE HISTORICAL HERITAGE SITE IN WEAK GROUND CONDITIONS
Abstract In conditions of dense urban development, structures including historical heritage sites during new construction or reconstruction often fall into the zone of influence of new construction. The paper considers that the reconstructed object of cultural heritage has been repeatedly rebuilt during operation, as a result, there are various structural solutions of individual parts of the building. Additional complexity is given by the location of the object on a slope having a thickness of bulk soils of various compositions lying directly under the sole of the foundations, a high level of groundwater and prolonged flooding of the basement of the building. In addition, various technical solutions were used in the construction of foundations: under part of
(Россия, Владимир, e-mail: igvlsu@mail.ru)
© The Author 2023
GANDELSMAN Igor Anatolievich
Candidate of Technical Science, Associate Professor
Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs
(Russia, Vladimir, e-mail:igvlsu@mail.ru)
fl
the building there is a foundation with wooden piles, partially lost during operation, in the other —a foundation plate. To analyze the current state and determine the ways of reconstruction of the object, calculation schemes were drawn up to perform calculations of general static stability, the boundaries of the slope landslide zone for various cases and deformation of the base at different load levels were determined. The article identifies possible risks, analyzes the main models of the behavior of the soil foundation taking into account negative factors, carries out variant design of structural solutions to strengthen the foundation and foundation structures—by strengthening the foundations with micropiles, or by fixing bulk soils to improve the ge-otechnical properties of soils with low resistance. The results of the conducted experimental studies and verification calculations emphasize the possibility of ensuring the regulatory operation of the base-foundation system, taking into account the improvement of the engineering and geological parameters of the foundation. The application of the research results allows preserving the object of historical heritage, ensures the safety not only of the reconstructed building, but also of neighboring objects falling into the zone of influence of the object, the stability of the slope on which the object is located.
Keywords: historical heritage site; landslide slope; static stability; geological structure; foundation; cementation; micropiles
For citation: Gandelsman I.A. Strengthening the foundation of the historical heritage site in weak ground conditions // Expert: theory and practice. 2023. № 2 (21). Pp. 32-37. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_2_32.
Введение
В настоящее время имеются многочисленные исследования, связанные с вопросами устойчивости оползневых склонов, строительстве на слабых грунтах, усилении существующих оснований и фундаментов [1-6]. При эксплуатации и реконструкции таких объектов целесообразно проводить мониторинг текущего состояния объекта, грунтового основания, выполнять динамические прогнозы надежной совместной работы системы «основание-фундамент» при изменении начальных условий их эксплуатации. Только комплексное решение указанных проблем позволяет обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию зданий и сооружений, особенно объектов исторического наследия [7].
При этом необходимо учитывать, что каждый объект имеет свои уникальные особенности, как в его конструктивном отношении, так и геологическом строении участка строительства, что вносит коррективы в расчетные схемы, а затем в конструктивные решения и технологию производства работ.
Корпус мельницы является составным элементом промышленно-производственного комплекса мельниц Башкирова и представляет собой пример производственного сооружения советского периода, характеризующийся выразительным архитектурным обликом. Исследуемый объект производственного назначения, предназначен для переработки зерна на муку (мукомольная мельница). Строительство начато в 1914 г., затем здание подвергалось неоднократной реконструкции, в результате чего оно получило два разностильных фасада, к которым добавилась бетонная встройка с южной стороны, после взрыва была демонтирована и перестроена южная стена. В настоящее время здание мельницы не эксплуатируется.
В геоморфологическом отношении участок расположен у подножия крутого правобережного оползневого склона реки Ока. Для защиты объекта от неблагоприятных воздействий с восточной нагорной стороны здания у стен организована ограждаю-
щая конструкция в виде подпорной стенки. Здание мельницы трапецеидальной формы, размерами в плане 56,99х17,32 м по наружному обмеру, шести-, семиэтажное, частично с подвалом. В части здания под первым этажом находится противопожарный водоем глубиной - 3,8м.
Рис. 1. Мукомольная мельница: а) фасад, б) шурф
Стены здания мельницы ниже отметки уровня планировки выполнены из керамического кирпича на известковом растворе, по своей высоте стены имеют ряд уступов с характерным увеличением ширины стены к низу.
В связи с длительными неблагоприятными воздействиями на объект, а также проводимой его реконструкцией возник ряд вопросов, связанных с дальнейшим использованием исторического объекта: обеспечение восприятия основанием и фундаментами нового уровня нагрузок при реконструкции, сохранение работоспособности самих фундаментов, сохранение устойчивости склона.
В статье рассмотрены вопросы текущего состояния объекта, приведены результаты расчета вариантов усиления основания и фундаментов, учитывающие недостаточную несущую способность основания и применение фундаментов разного типа. По результатам исследования предлагаются методология, конструктивное и технологическое решение для реконструкции корпуса мельницы.
Методология
Климат рассматриваемого района проектирования умеренно-континентальный с умеренно суровой и снежной зимой, и умеренно теплым летом. Ветровой режим формируется под влиянием физико-географических особенностей региона. В течение большей части года здесь преобладает циклоническая деятельность. Район относится к зоне достаточного увлажнения.
В геологическом строении исследуемая территория представлена современными техногенные отложения ^0^) в виде насыпных грунтов (мощностью 0,4-9,5м), современными аллювиальными отложениями (а0^) в виде суглинков тугопластичных, мягкопластичных (мощностью 4,2- 4,4 м), современными оползневыми отложеними (сН0^) в виде глин, с частыми прослоями суглинка, мергеля, песка (мощностью 3,4- 6,8 м), верхнепермскими отложениями татарского яруса (Р3) в виде глины твердой, полутвердой, загипсованной (мощностью 20,5- 30,6 м).
Гидрогеологические условия участка характеризуются наличием четвертичного водоносного горизонта и водоносным комплексом верхнепермских отложений. Водоносный горизонт безнапорный, во-довмещающими грунтами являются насыпные грунты, прослои песка в глинистых оползневых отложениях, аллювиальные суглинки. Водоупором являются верхнепермские глины. Река Ока является областью, как питания, так и разгрузки грунтовых вод. Водоносный горизонт имеет гидравлическую связь с р. Ока.
В ходе детального исследования р е зул ьта -тов выполнения шурфов, удалось установить существующие конструкции фундаментов под
зданием мельницы: в подвальной части здания фундамент представляет собой монолитную железобетонную плиту толщиной 1,5 м, в бесподвальной части здания фундаменты - перекрестные железобетонные ленты высотой 1,3 м по деревянным сваям длинной до 12 м. Кроме того, отмечены особенности конструктивного решения - опорная часть колонны находится в сферической монолитной железобетонной оболочке примерным радиусом 1,05 м и толщиной 50 мм. По всей видимости, оболочка является частью дренажной системы, опоясывающей здание по периметру. Так же по периметру здания вдоль наружных стен выполнены дренажные каналы треугольного сечения с размерами катетов 500 мм, а возле колонн - сферического. Дренажная система была предназначена для отвода грунтовых вод ин-фильтрующихся через наружные стены и пол, за периметр здания путем откачки из приямков.
б)
Рис. 2. Фундаменты: а) плитные, б) перекрестные ленты на сваях
ф
2023. № 2 (21)
На отметке +0,640 выполнен деревянный дренажный лоток и примерно на этом же уровне был зафиксирован уровень грунтовых вод. Предположительно, лоток служит для поддержания постоянного уровня грунтовых вод, с целью сохранения деревянных свай. На отметке -1,880 м кирпичная кладка заканчивается, далее идет монолитная железобетонная плита высотой 1,5 м.
Таким образом, на объекте применены фундаменты разного типа под разными частями здания. Актуальным является вопрос об обеспечении их совместной работы.
В результате исследования установлено, что под подошвой залегают насыпные грунты в виде раз-нозернистых кварцевых песков, местами с примесью суглинка, с включением строительного мусора, угольного шлама, местами с глиной слабозаторфо-ванной.
Результаты
Результаты поверочных расчетов показали, что давление под подошвой фундамента на отдельных участках в 1,4-8,3 раза превышает расчетное сопротивление грунта основания (80 кПа). Абсолютная осадка незначительно (на 1%) превышает допустимые расчетные значения. На остальных участках давление под подошвой фундамента не превышает расчетного сопротивления грунта основания, осадки не превышают предельно допустимых значений. абсолютная осадка незначительно (на 1%) превышает допустимые расчетные значения.
тами методом конечных элементов с использованием метода снижения прочностных характеристик. Существенным преимуществом метода снижения прочности по сравнению с методами предельного равновесия является то, что поверхность скольжения и коэффициент устойчивости определяются одновременно в процессе расчета. Из расчетов, выполненных методом SRM, следует, что устойчивость склона не обеспечивается. Необходимо предусмотреть альтернативные мероприятия по обеспечению безопасности зданий и сооружений, попадающих в оползневую зону.
Обсуждение
Выбор метода усиления грунтов основания определяется, в первую очередь, особенностями инженерно-геологических условий, расположением площадки, требованиями технического задания, а также экономическим фактором. Для устройства закрепленных массивов (усиленного основания) в рассматриваемых условиях применимы следующие методы: инъекционный, осуществляемый путем нагнетания в грунт химических или цементационных растворов с помощью инъекторов или в скважины [1517] (смолизация, силикатизация, цементация); буро-смесительный (путем разработки и перемешивания грунта с цементом или цементными растворами в скважинах); струйная технология [5, 13], заключающаяся в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора или воды с воздушным потоком для разрушения и одновременного переме-
Напряжения, МН/м2
Рис. 3. Поля напряжений в фундаментной плите от расчетного сочетания нагрузок
Полученные результаты говорят о необходимости о необходимости усиления оснований и(или) фундаментов.
Нахождение коэффициента устойчивости склона [8-14] производится как с использованием традиционных методов теории предельного равновесия (с разбиением призмы оползания на отсеки или без оного), так и упругопластическими расче-
шивания грунта с цементным раствором; усиление фундаментов буроинъекционными сваями [18-20].
Применение буросмесительной и струйной технологии в данных условиях с большим объемом усиливаемого грунта и стесненными условиями производства работ экономически нецелесообразно.
Для усиления грунтов основания фундаментов в данных инженерно- геологических и гидрогео-
логических условиях применимы преимущественно инъекционные методы усиления, либо устройство буроинъекционных свай.
Такие инъекционные методы закрепления грунтов как силикатизация, смолизация, щелочеза-ция и битумизация, малоэффективны в водонасы-щенных грунтах из-за возможного частичного разжижения реагента при нагнетании в водонасыщенные грунты, требуют значительных вложений денежных средств и, в зависимости от применяемых реагентов, экологически небезопасны. Учитывая указанные обстоятельства, для выполнения усиления наиболее приемлемым методом является цементация грунтов инъекцией в режиме гидроразрывов усиление грунтов основания сооружений путем образования локально направленных гидроразрывов, заполняемых твердеющим раствором).
Resultaat5hear(kN)
— Pile Iii Pile »7
-Plletî -Pile M
-PilE« Pile frío
Resultant Moment VI --II
— Pile
— Pile #11
—Pile #5 Pile Sil
Рис. 4. Результаты структурного анализа
При этом в грунтах основания фундаментов создается своеобразный армирующий каркас из линз и прослоев затвердевшего цементного раствора, при этом грунт, заключенный в пространственном каркасе, доуплотняется с отжимом поро-вой воды из зоны усиления, в результате чего увели-
чивается несущая способность грунтов основания. Метод не требует дорогостоящих материалов, достаточно прост в технологическом отношении и апробирован на многих объектах разных областей в условиях, аналогичных грунтовым условиям площадки расположения здания.
На основании экспериментальных данных и материалов предварительного анализа предложены параметры усиления. Рецептуры твердеющего раствора для инъектирования (3 вида) различались содержанием воды 0,6-1,0 части для получения оптимального состава для данных грунтовых условий.
Раствор в зону усиления нагнетается нисходящими зонами, отдельными заходками с шагом через 0,5...1,0 м. Водоцементное отношение в растворе для получения его необходимой подвижности устанавливается при инъектировании в зависимости от качества и состояния составляющих компонентов и уточняется при пробном (контрольном) нагнетании.
В качестве альтернативы возможно для данного объекта применение буроинъекционных свай для передачи нагрузки от здания не на насыпные грунты, а на подстилающие более прочные слои основания. Буроинъекционные сваи располагаются вертикально, не оказывают негативного разрушительного воздействия на близлежащие объекты и обеспечивают надежную эксплуатацию фундамента на долгие годы. В рассматриваемом случае, буро-инъекционные сваи имеют максимальное сопротивление сдвигу 73,3 кН, обладают максимальным моментом упругости 2,6 кНм. В результате проведенных расчетов на участке А следует выбирать сваи длиной не менее 4 м, на участке В - 7 м. Результаты расчетов подтверждены проверкой в GGU-AxPile.
Выводы
По результатам исследований объекта исторического наследия можно сделать следующие выводы:
1. Для сохранения объекта необходимо комплексное решение, включающее обеспечение устойчивости склона, организацию стока поверхностных вод, решение проблемы передачи нагрузки со здания на прочные слои фундамента, восстановления поврежденных элементов строительных конструкций.
2. Рассмотрев возможности использования различных решений для преобладающих условий объекта исторического наследия, был сделан вывод о возможности использования цементации и буро-инъекционных свай.
3. При сложившихся условиях для автора более перспективным видится применение буроинъекционных свай, для которых определены их параметры, рассчитана несущая способность, технология производства работ.
2023. № 2 (21)
Библиографический список
1. Опыт закрепления структурно-неустойчивых грунтов цементацией / А. М. Голованов, В. И. Пашков, Г. А. Рево [и др.] // Вестник МГСУ. - 2013. - № 8. - С. 59-67. -EDN RAFVJR.
2. Самарин, Е. Н. Современные инъекционные материалы и их использование для улучшения свойств грунтов / Е. Н. Самарин // Геотехника. - 2012. - № 4. - С. 4-12. - EDN PLRCTP.
3. Харченко, И. Я. Комбинированная цементация грунтов при освоении подземного пространства в условиях плотной городской застройки / И. Я. Харченко, С. В. Алексеев // Метро и тоннели. - 2013. - № 5. - С. 18-20. -EDN UDOSEZ.
4. Liu Q., Liu G.H., Chong L.H. Variation in soil bulk density and hydraulic conductivity within a quasi-circular vegetation patch and bare soil area// Journal of Soils and Sediments. -2020. -Vol. 20. -Pp. 1-12. 20
5. Ter-Martirosyan A., Angelo G., Yermoshina L. The comparative analysis of methods for determining the mechanical performance of macrofragmental soils//E3S Web of Conferences. -2022. -Vol. 363(3). -02014. 21
6. Cheng G.Z., Hong H.W. at al. Experimental investigation of consolidation properties of nano-bentonite mixed clayey soil/ / Sustainability. -2020. -Vol. 12(2). -459. 23
7. Научно- техническое сопровождение реконструкции объекта "Мавзолей В.И. Ленина на Красной площади" в части усиления грунтов основания / В. А. Ильичев, Н. С. Никифорова, И. Я. Харченко, В. В. Дмитриев // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2015. - № 1. - С. 2-7. - EDN TNJOHR.
8. Ter-Martirosyan, Z. Creep of Clayey Soil with Kinematic Shear, Taking into Account Internal Friction, Adhesion and Viscous Resistance / Z. Ter-Martirosyan, A. Ter-Mar-tirosyan, L. Ermoshina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : XXVIII R-P-S Seminar 2019, Zilina, 0913 сентября 2019 года. Vol. 661. - Zilina: Institute of Physics Publishing, 2019. - P. 012095. - DOI 10.1088/1757-899X/661/1/012095. - EDN RSBLJH.
9. Ильичев, В. А. Расчет грунтоцементного массива для снижения перемещения ограждения методом оптимального проектирования / В. А. Ильичев, Ю. А. Готман // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2011. - № 4. - С. 24-31. - EDN SKAOPR.
10. Постоев, Г. П. Особенности механизма формирования предельного состояния оползнеопасного массива и смещения оползневого блока / Г. П. Постоев // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. -2019. - № 2. - С. 13-20. - DOI 10.31857/S0869-78092019213-20. - EDN IIQPSO.
11. Bishop A.W., Morgenstern N.R. Stability coefficient for earth slopes// Geotechnique. -1960. -No. 10(4). -Pp. 129-150.
12. Morgenstern N.R., Price V.E. The analysis of stability of general slip surfaces// The institution of civil engineers. -1965. -No.15. -Pp. 79-93.
13. Hwan A.P. A Possible model of a landslide// Construction and technogenic safety. -2006. No. -15-16. -Pp. 5556.
14. Wu L.Z., Li S.H., et al. A new grey prediction model and its application to predicting land slide displacement// Applied Soft Computing. -2020.-Vol. 95. -Pp. 257-269.
15. Comina C., Mandrone G., Arato A. at al. Preliminary analyses of an innovative soil improving system by sand/gravel injections-Geotechnical and geophysical characterization of a first test site// Engineering Geology. -2021. -Vol. 293. -106278.
16. Mangushev R., Osokin A., Diakonov I., Kalach F. Constructive and technological solutions for underground space safety amidst dense historical buildings and weak foundation soils// E3S Web of Conferences. -2023. -Vol. 371, -02002
17. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. М.: Стройиздат. - 2010.
18. Ponomaryov A., Sychkina E. Effect of clay compaction around driven pile and prediction of pile settlement // E3S Web of Conferences. -2022.-Vol. 363(7).- 02016.
19. Обоснование применения анкерных микросвай как сжимаемых элементов в составе фундаментов при реконструкции и новом строительстве / М. Б. Марини-чев, П. А. Ляшенко, В. В. Денисенко [и др.] // Строительство и архитектура. - 2022. - Т. 10, № 1. - С. 11-15. - DOI 10.29039/2308-0191-2021-10-1-11-15. - EDN NNMRZR.
20. Смоленков, В. Ю. Использование микросвай при ремонте набережных / В. Ю. Смоленков // Инженерно-строительный журнал. - 2009. - № 8(10). - С. 9-11. - EDN MZJCJR.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 28.04.2023; одобрена после рецензирования 25.05.2023; принята к публикации 25.05.2023. The authors declare no conflicts of interests.
The article was submitted 28.04.2023; approved after reviewing 25.05.2023; accepted for publication 25.05.2023.
