Усиление существующей застройки при строительстве здания с котлованом 18-20 м Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК

В.Я. ШИШКИН, канд. техн. наук ([email protected]), эксперт Москомэкспертизы Правительства Москвы; А.Е. ПОГОРЕЛОВ, инженер ([email protected]), ООО «НПФ «Фундаментстройпроект» (Московская обл.); В.А. МАКЕЕВ, инженер ([email protected]), НИИОСПим. Н.М. Герсеванова (Москва)

Усиление существующей застройки при строительстве здания с котлованом 18—20 м

Приведены два объекта с укреплением грунтов методами струйной геотехнологии и закреплением смолиза-цией в сочетании с геотехническим барьером из буроинъекционных свай в условиях строительства глубокого котлована с распорными конструкциями из перекрытий. Грунт разрабатывался из-под перекрытий, а нулевой цикл был построен методом «сверху вниз». В процессе геодезических высокоточных измерений были определены технологические деформации при различных способах усиления грунтов основания. Приведено сравнение общих осадок после завершения строительства высотной части здания с расчетными значениями в плоской постановке по программному комплексу PLAXIS 8.0.

Ключевые слова: струйная геотехнология, закрепление грунта смолизацией, наклонный геотехнический экран, буроинъекционные сваи.

В связи с малой изученностью и недостаточным опытом строительства котлованов с применением стены в грунте преувеличиваются возможности такого ограждения для сохранения окружающей застройки, расположенной на некотором удалении от котлована. Между тем для глубоких (свыше 10 м) котлованов иногда требуется укрепление зданий, расположенных на расстоянии 10 м и более. Это обусловлено значительными перемещениями конструкции стена в грунте.

В [1] представлены результаты геотехнического мониторинга при строительстве уникальных объектов с глубиной котлованов свыше 10 м в Москве. Авторами проведен анализ полученных значений горизонтальных и вертикальных перемещений ограждений котлованов в виде стена в грунте и осадки фундаментов прилегающей застройки: при глубине котлована 21 м и распорной системе из стального проката перемещения стены в грунте строящегося в Москве

t

7»- Й—.

ул. Краснопролетарская, д. 7

. L L ______ст

1-я очередь строительства здания по адресу: Оружейный пер., вл.41-45

Проектируемая 2-я очередь

строительства здания по адресу: Оружейный пер., вл.41-45

ч

L I I I I I L . I L I I L I I L I I ■LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL

L[_Ll_l_l_L[_LL[_LLLl_l_[_LLLl_L

lt_LLLLLLLLLLLLLLI_L

■

- Строящееся здание

- Усиленные здания

Оружейный пер., д. 42

Рис. 1. Ситуационный план

океанариума составляли 89 мм; при глубине котлована 10,5 м и преждевременно снятой распорке на котловане жилого комплекса «Академ-Палас» (Москва) стена в грунте переместилась на 263 мм. Значительно меньше значения перемещений стен в грунте в котлованах, распорными конструкциями в которых являются перекрытия: при глубине котлована 11,8-21 м на строительстве жилого комплекса «Неглинная Плаза» в Москве методом semi-top-down перемещения стены в грунте составили 40 мм, что несколько больше расчетного значения 27 мм; при воссоздании гостиницы «Москва» был устроен котлован методом semi-top-down, где максимальные отклонения стены в грунте составили 49 мм при расчетном значении 71 мм.

Цель работы - сравнить расчетные и замеренные значения деформаций зданий, находящихся в зоне влияния строительства. Оценить технологические деформации при различных способах укрепления грунтов на примере строительства многофункционального административно-торгового комплекса в Центральном административном округе Москвы в районе с плотной городской застройкой. Стройплощадка с юга ограничена Оружейным пер., с востока - Краснопролетарской ул., с запада - Долгоруковской ул., с севера - существующей застройкой. На расстоянии 16 м от нового строительства расположен 14-этажный жилой дом № 2 по Долгоруковской ул., на 14 м отстоит 10-18-этажный жилой дом № 7 по Краснопролетарской ул. (рис. 1). Первая очередь строящегося здания находится на расстоянии 10 м от 8-этажного административного здания (д. 43 по Оружейному пер.). Вторая очередь строительства приближается к этому дому еще с двух сторон. Вблизи стройплощадки расположено большое количество подземных коммуникаций.

Рельеф территории строительства характеризуется абс. отм. 157-159 м. С поверхности до глубины 2,6-5 м находятся слежавшиеся насыпные грунты, представленные

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

Подземное строительство

'//////////////////////////////////////Ж

Рис. 2. Разрез многофункционального административно-торгового комплекса

песчаными и глинистыми отложениями с включением строительного мусора, остатками старых фундаментов. Местами насыпь заторфована. Под насыпными грунтами залегают полутвердые и тугопластичные суглинки с содержанием дресвы и щебня до 5-10% мощностью 1-2,4 м. Ниже лежат отложения морены, представленные суглинками от твердых до тугопластичных и опесчаненными пластичными супесями с линзами песков с включением дресвы и щебня до 1015% толщиной 0,8-4,6 м. Под мореной залегают флювио-гляциальные отложения, состоящие из песков от средних до гравелистых, подстилаемые в подошве слоя гравийно-галечниковыми отложениями, средней плотности и плотными, местами рыхлыми, водонасыщенными, мощностью 6,810,4 м. Под четвертичными породами вскрыты волжский и оксфордский ярусы эрских отложений. Волжский ярус представлен пластичными и текучими супесями, суглинками и глинами от твердых до текучепластичных, а также водона-сыщенными пылеватыми песками, от рыхлых до плотных, мощностью 6,4-9,2 м. Оксфордский ярус представлен твердыми и полутвердыми глинами мощностью 8,3-9,5 м.

Первый от поверхности надъюрский горизонт подземных вод встречен на глубине 6-9,5 м (абс. отм. 147,25152,9). Горизонт местами имеет напор высотой 0,5-2 м.

Рис. 5. Главный фасад д. 2 по Долгоруковской ул. (слева) и новое строительство (справа)

Водовмещающими породами являются флювиогляциаль-ные пески и галечники, водоупором - верхнеюрские отложения. Второй напорный горизонт подземных вод встречен на глубине 21,4-24,4 м (абс. отм. 133,15-137,6). Водовмещающими породами являются верхнеюрские пески и супеси, водоупором - оксфордские глины. Величина напора 3,1-10,5 м, установившийся УПВ соответствует глубинам 13,5-19,6 м (абс. отм. 137,45-146,3 м).

Подземные воды обоих горизонтов слабоагрессивны по отношению к бетону нормальной плотности. Местами на кровле моренных и надморенных глинистых грунтов встречается верховодка. Участок проектируемого строительства в соответствии с картой инженерно-геологического районирования Мосгоргеотреста относится к безопасному в карстово-суффозионном отношении.

Строящийся комплекс представляет собой 6-14-этажное монолитное железобетонное здание (рис. 2, 4) с центральным высотным 31-этажным блоком. Под зданием предусмотрена 4-этажная подземная автостоянка. В подземной части шаг колонн 9x9 м. Высота первого подземного этажа 6,2 м, а остальных 3,6 м. В основании комплекса запроектирована фундаментная плита с подошвой на отметке 139,1 м и толщиной 1500 мм.

1'2011

33

Рис. 6. Схема установки осадочных марок на наружных стенах д. 2 по Долгоруковской ул. Под номерами марок приведены: в числителе — осадка марки с 31.07.2007г. по 16.09.2010г., мм; в знаменателе — осадка марки за время наблюдения с 14.05.2007г., мм

Рис. 7. Устройство скважин для смолиза-ции грунта в острие существующих свайных фундаментов д. 2 по ул. Долгоруковской (июнь 2007г.)

Для устройства подземной части комплекса разрабатывался котлован глубиной 18-20 м (рис. 3). Ограждающие конструкции котлована выполнялись способом стена в грунте толщиной 600 мм из бетона В30, W8. Стена в грунте заглублена в оксфордских глинах ниже дна котлована на 6 м. На стыках захваток стены в грунте предусмотрены ограничители бетонирования Stopsol и гидроизолирующие прокладки Waterstop.

Возведение подземной части комплекса производилось по схеме «полу-сверху вниз» (semi-top-down) с распором дисками перекрытий толщиной 300 мм начиная с нулевого уровня. В период разработки котлована перекрытия работали как балки-стенки и устраивались с большими проемами в центре котлована (метод semi-top-down). В период откопки котлована перекрытия опирали на временные буронабивные сваи, выполняемые в обсадных металлических трубах 0530 мм. Сваи устраивались в местах установки колонн, впоследствии усиливались обоймой из железобетона и включались в работу колонны. Гидроизоляция подземной части запроектирована из 2 слоев техноэласта.

Одной из основных задач при возведении комплекса являлось усиление существующих зданий. Здание по ул. Долгоруковской, д. 2 жилое, 11 -этажное с подвалом, построено в 1978 г. (рис. 5). Фундаментами здания являются кусты свай длиной около 6 м. В торце здания в осях 22-23 расположена арка высотой 4,4 м, шириной 6 м (рис. 6). Верх арки является перекрытием первого этажа. Одна сторона арки по оси 22 является несущей стеной, выполненной из колонн сечением 0,4x0,4 м, между которыми в подвальной части установлены железобетонные диафрагмы жесткости. На консоли колонн опираются балки, по которым уложены плиты перекрытия. Стены выполнены из керамзитобетонных самонесущих стеновых панелей, опирающихся на несущую цокольную панель, уложенную на ростверки. Отметка низа ростверка от поверхности земли 3,5 м (абс. отм. 154,7). Абс. отм. асфальта проезжей части у въезда в арку 158,2 м. Другая сторона арки по оси 23 является торцевой несущей стеной существу-

ющего здания в месте проектируемого сопряжения с другим, не построенным аналогичным зданием. Стена выполнена из колонн сечением 0,4x0,4 м, которые несут нагрузку от плит перекрытия и нагрузку от стеновых керамзитобе-тонных панелей и кирпичной кладки по обе стороны колонн оси 23. Наиболее опасным местом в конструкциях арки является отдельно стоящая колонна в осях 23А. Техническое состояние здания в начале строительства характеризовалось как удовлетворительное. Предельные дополнительные деформации оснований фундаментов согласно МГСН 2.07-01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения» равны; максимальная осадка 30 мм, относительная разность осадок 0,001. Сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова А.Б. Мещанским, В.Г. Пекшевым, К.И. Бакировым предла-

0 .

1

В.-

В>

Б" В

______L____Ы

91

Ч

t*

II . '

_тг:г~п

—i—I-------f--

IU

roTikri

9 9 9|9 9[?9 -£| liffij

П '"f'tj---"Л"

0 & 6 С

r-r

1 ( ^ i ^ i^l ■

29000

$$$$$$$$$$$$$ $ $ Ф $ ф S Ф $ $

\

$ $ $ $ §

Наклонный геотехнический экран Стена в грунте

'ШШЖЖШШШШЖШШЖШШЯк

Строящееся здание по адресу: пер. Оружейный, вл. 41-45

'■■ - Скважины усиления смолизацией на глубину до 8 м

■н- - Геотехнический экран из буроинъекционных свай 0350 мм, длиной 33,4 м

Рис. 8. План усиления д. 2 по Долгоруковской ул.

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

х10-3 м

Я 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50

140 30 20

-10

Рис. 10. Деформации массива грунта д. 2 по Долгоруковской ул. при откопке котлована до отметки 135,9 м

Рис. 9. Разрез 1-1. Выполнение смолизации и геотехнического экрана для д. 2 по Долгоруковской ул.

Рис. 11. Главный фасад стр. 43 по Оружейному пер. и новое строительство

галось укрепление фундаментов с помощью буронабивных свай 0300 мм, длиной 25 м, погружаемых с шагом 1 м и объединенных ростверком для каждого пролета. Расчетная максимальная дополнительная осадка здания составляла 18 мм (без технологической составляющей осадок), а относительная разность осадок равна допустимому значению 0,001. В связи со стесненными условиями подвала в здании такие сваи невозможно выполнить, поэтому застройщиком холдингом «Дон-Строй» было принято решение о необходимости усиления оснований фундаментов смолизацией и защитой с помощью геотехнического экрана. ООО «НПФ «Фундаментстройпроект» запроектировано и выполнено усиление грунтов основания путем их закрепления методом смолизации (рис. 7-9) на глубину 8 м с последующим устройством геотехнического экрана длиной 29 м со стороны проектируемого ограждения котлована.

Для смолизации грунтов применялся крепитель М2 плотностью 1,11-1,12 г/см3 и отвердитель - раствор щавелевой кислоты плотностью 1,023 г/см3. Отвердитель и крепитель смешивались в соотношении ~ 1:10. Инъекцию раствора проводили при давлении не более 0,2 МПа с расходом 5-10 л/мин. Общий расход раствора 470 л/интервал. Геотехнический экран выполняли в виде стенки из буроинъекцион-ных свай диаметром 350 мм с шагом 1 м, наклоненной к вертикали под углом 10о в сторону строящегося здания.

Расчеты на программном комплексе PLAXIS 8.0 (выполнены канд. техн. наук Д.Н. Конюховым) с учетом смо-лизации основания и устройством геотехнического экрана (рис. 10) показали, что максимальная и минимальная

дополнительные осадки здания соответственно 15,4 мм и 14 мм, относительная разность осадок 0,00006.

Фактически по данным высокоточных геодезических наблюдений замеренное значение дополнительных осадок здания составило от 24,1 мм по оси 23 до 3,3 мм в наиболее отдаленной части здания. Технологическая составляющая перемещений (деформации в период устройства укрепления грунта) от 0,2 мм в марке № 1 до 5,1 мм в марке № 8 (рис. 6). Относительная разность дополнительных осадок в среднем 0,0005, что значительно больше расчетного значения, но меньше допустимого.

Здание по Оружейному пер., д. 43 - восьмиэтажное кирпичное, построенное из глиняного кирпича 100 лет назад, подверглось реконструкции в 1994 г. (рис. 11).

В конструктивную схему кирпичного здания введен внутренний стальной каркас, состоящий из колонн и балок, которые частично опираются на внутренние и наружные стены. По результатам визуально-инструментального обследования, проведенного специалистами ФГУП «КТБ ЖБ», определено, что несущие конструкции стен находятся в нормальном состоянии. Кладка наружных стен толщиной 1150 мм практически не имеет трещин, хотя расчетная прочность кладки по СНиП 11-22-81* «Каменные и армока-менные конструкции» невысокая - 0,9 МПа. Внутренняя стена толщиной 600 мм выложена из бетонных блоков заводского изготовления ФБС М150. Фундамент под кирпичные стены выполнен из бутового камня, находится в удовлетворительном состоянии. Глубина заложения подошвы фундамента под наружные стены составляет 4,07 м; внутрен-

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

в

сс

со I ф

___ 11

4-и

Дом № 43

29 м

1— 1- -Г

|и||| >11 м]3

м и м

К7 ил 10.8

Оружейный переулок

Рис. 12. Схема установки осадочных марок на наружных стенах д. 43 по Оружейному пер. Под номерами марок приведены: в числителе — осадка марки с 31.07.2007г. по 16.09.2010 г., мм; в знаменателе — осадка марки за время наблюдения с 2.05.2007г., мм

Рис. 13. Цементация фундаментов по оси 3 д. 43 по Оружейному пер. и устройство армированных jet-свай 0500мм (2007г.)

них стен - 3,23 м. Отметка подошвы фундамента под наружные стены составляет 153,26 м; под внутренние стены - 153,92 м. Отметка пола подвала переменная в пределах 153,87-154,22 м. Техническое состояние здания удовлетворительное. Предельные дополнительные деформации: максимальная осадка 30 мм, относительная разность осадок 0,001. Специалистами НИИОСП им. Н.М. Герсеванова рассматривалось укрепление фундаментов с помощью буро-набивных свай 0300 мм, длиной 25 м, погружаемых с обеих сторон с шагом 0,5 м в шахматном порядке. Расчетная максимальная дополнительная осадка здания составляла 25 мм (без технологической составляющей осадок), а относительная разность осадок равна допустимому значению 0,001. В связи со стесненными условиями подвала в здании такие сваи невозможно было выполнить. К тому же общие осадки с учетом технологического воздействия при усилении превысили допустимое значение (рис. 12).

Специалисты ООО «НПФ «Фундаментстройпроект» запроектировали и выполнили усиление основания и фундаментов здания путем цементации материала фундаментов и контакта «фундамент-грунт»; устройства буроинъекцион-ных свай 0250 мм по наружному периметру здания (за исключением оси 5) и 0200 мм по оси 3 (рис. 13, 14). Сваи объединили монолитным железобетонным ростверком. Для предотвращения осадок фундаментов внутренних стен здания снаружи между буроинъекционными сваями выполнили закрепление грунта по струйной геотехнологии 0500 мм на глубину 29 м ниже подошвы фундамента. Закрепляемые колонны из цементогрунта армировали металлической тру-

У///Ш

Стена в грунте

Б+

Б

~10000

А

I в Л в в в в в

О 0 0] * Л [■> ¿1 А Л ф

¿ТвУаа а »а" ' ~

«у»» » » * МгхвАасаскщ'П г? о А

*га п "

? ^ "ГЛ

ввввввввввввввввя!ввввввбв авва

1400 1- 2

11600

2

4300 , 6200

в в в В в

7500

3 3+4

- Скважины цементации

- Трубобетонные сваи 0250 мм

„ - Цементогрунтовые колонны 0500 мм, армированные трубой 0159 мм

Рис. 14. План усиления д. 43 по Оружейному пер.

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

Таблица 1

№ марки на гл. фасаде (ул. Долгоруковская, д. 2) 8 9 3 2 1 13 16

Технологические осадки (2007 г.), мм 5,1 1,8 2,6 0,6 0,2 3,9 1

Общие осадки (2010 г.), мм 25,7 17,5 12,9 5,6 3,3 23,5 20,1

Разница между общими и технологическими осадками (влияние строительства здания), мм 20,6 15,7 10,3 5 3,1 19,6 19,1

Расстояние между марками, м 5,6 6 7,7 7,7 6,7

Относительные деформации 0,00088 0,0009 0,00069 0,00025 0,00007

№ марки на дворовом фасаде 13 16 17 21 18 19 23

Технологические осадки (2007 г.), мм 3,9 1 0,9 0 0,2 0,1 0

Общие осадки (2010 г.), мм 23,5 20,1 13,2 9,7 13,5 8,2 6,6

Разница между общими и технологическими осадками (влияние строительства здания), мм 19,6 19,1 12,3 9,7 13,3 8,1 6,6

Расстояние между марками, м 6,7 10,6 5,1 9 6,34

Относительные деформации 0,00007 0,00064 0,00051 0,00058 0,00024

Таблица 2

Расчетные максимальные значения для д. 2 по ул. Долгоруковской (Plaxis 8.0) Осадка, мм Относит. разность осадок

15,4 14 0,00006

Замеренные осадки на 34% больше расчетных значений, обусловлены слабой жесткостью здания с аркой

Замеренные относительные деформации в 15 раз больше расчетных значений, но меньше допустимого значения 0,001

Таблица 3

№ марки на гл. фасаде (Оружейный пер., д. 43) 10 11 12 13 14 15

Технологические осадки (2007 г.), мм 4,1 4,2 4,3 4 2,3 0

Общие осадки (2010 г.), мм 16 14,7 13 10,8 6,2 0

Разница между общими и технологическими осадками (влияние строительства здания), мм 11,9 10,5 8,7 6,8 3,9 0

Расстояние между марками, м 3,61 3,73 4,3 7 8,78

Относительные деформации 0,00039 0,00048 0,00044 0,00041 0,00044

№ марки на дворовом фасаде 9 5 1 22 21 20

Технологические осадки (2007 г.), мм 4,7 4,7 2,4 0 0 0,2

Общие осадки (2010 г.), мм 18,2 14,3 6,2 5,2 1,8 0,8

Разница между общими и технологическими осадками (влияние строительства здания), мм 13,5 9,6 3,8 5,2 1,8 0,6

Расстояние между марками, м 7,68 3,87 3,8 8,12

Относительные деформации 0,00051 0,00036 0,00089 0,00015

Таблица 4

Расчетные максимальные значения для д. 43 по Оружейному пер. (Plaxis 8.0) Осадка, мм Относит. разность осадок

16,3 14,7 0,00008

Замеренные осадки на 17% больше расчетных значений

Замеренные относительные деформации в 11 раз больше расчетных значений, но меньше допустимого значения 0,001

бой 0159x6 мм. Данные работы выполнялись с участием специалистов из Перми.

Расчетами на программном комплексе PLAXIS 8.0 (выполнены канд. техн. наук Д.Н. Конюховым) с учетом усиления фундаментов здания (рис. 15) было установлено, что максимальная дополнительная осадка здания составит 16,3 мм, минимальная дополнительная осадка здания составит 14,7 мм, относительная разность осадок 0,00008.

В табл. 1-4 приведены дополнительные общие (за весь период наблюдений) и технологические (от производства работ по усилению) осадки, замеренные 31.07.2007 г. по-

сле выполнения работ по усилению оснований и фундаментов. Разница между общими и технологическими осадками равна дополнительным осадкам от влияния строительства здания с подземным пространством. Сравнивая замеренные значения с расчетными и осадками, рассчитанными на программном комплексе PLAXIS 8.0, получили неплохую сходимость результатов: -17 - +34%. Однако расчетные значения осадок д. 2 по ул. Долгоруковской примерно на 30% меньше замеренных. Такой результат можно объяснить наличием арки в этом доме, что ухудшает изгибную жесткость здания и не учитывалось при рассмотрении плоской задачи.

1'2011

37

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

х10-3 м

Рис. 15. Деформации массива грунта д. 43 по Оружейному пер. при откопке котлована до отметки 135,9 м

Кроме того, такие осадки могли быть спровоцированы утечками подземных вод и аварийным вывалом грунта из-под стены в грунте при откопке котлована.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- фактически замеренное значение дополнительных осадок д. 2 по Долгоруковской ул. от 25,7 до 0 мм, из них максимальное значение технологической осадки 5,1 мм. Относительная разность дополнительных осадок в среднем 0,0005, что значительно больше расчетного значения, но меньше допустимого. Фактически замеренное значение дополнительных осадок д. 43 по Оружейному пер. от 18,2 до 0 мм, из них максимальное значение технологической осадки 4,7 мм. Относительная разность дополнительных осадок

в среднем 0,00045, что также значительно больше расчетного значения, но меньше допустимого;

- устройство геотехнического экрана по Долгоруковской ул. сопровождалось дополнительными технологическими деформациями здания. Практически экран не позволил снизить деформации здания, хотя рассчитанные с помощью PLAXIS 8.0 перемещения здания под защитой наклонного под 10о экрана значительно уменьшались. В дальнейшем в расчетах следует учитывать пространственную работу конструкций фундаментов и зданий;

- замеренные перемещения 5,1 мм при устройстве химического закрепления с геотехническим экраном практически равны осадке 4,7 мм здания при устройстве бу-роинъекционных свай и закреплению грунта по струйной геотехнологии. Таким образом, выполненные комплексные укрепления грунта основания при строгом соблюдении технологии не сопровождаются значительными осадками усиливаемых зданий;

- для уникальных сооружений с глубиной котлованов свыше 10 м необходимо учитывать перемещения конструкций стен в грунте, которые значительно влияют на окружающую застройку, расположенную на расстоянии в пределах глубины котлована.

Литература

1. Никифорова Н.С., Коновалов П.А., Зехниев Ф.Ф.

Геотехнические проблемы при строительстве уникальных объектов в Москве // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010. № 5. С. 2-8.