Устройство подземного сооружения в условиях слабых глинистых грунтов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 627.8.035.4

А.Г. ШАШКИН, канд. техн. наук, генеральный директор ГК«Геореконструкция» (Санкт-Петербург)

Устройство подземного сооружения в условиях слабых глинистых грунтов

В статье приведен пример строительства развитого подземного сооружения в центре Санкт-Петербурга в условиях плотной городской застройки, возведенной на мощной толще слабых водонасыщенных глинистых грунтов. На объекте применены разработанные автором концепция геотехнического сопровождения и методика расчета подземных сооружений в условиях городской застройки по двум группам предельных состояний как для самого проектируемого сооружения, так и для соседней застройки, а также вязкоупруго-пластическая модель грунта, прошедшая верификацию на предмет соответствия результатам натурных исследований. Об эффективности этих разработок свидетельствует успешный результат строительства трехуровневого подземного сооружения на Почтамтской ул., где окружающие исторические здания получили дополнительную осадку, не превышающую 1 см.

Ключевые слова: подземное сооружение, безопасность окружающей застройки, геотехническое обоснование, вязкость, слабый глинистый грунт.

Строительство зданий-встроек, которое активно развернулось в Санкт-Петербурге 15 лет назад, поначалу велось по принципу: дом строим - два ломаем. При строительстве новых домов в среде плотной городской застройки соседние исторические здания часто получали значительные повреждения из-за дополнительных осадок 5 см и более. Надо признать, что такому варварскому подходу не препятствовали действующие строительные нормы. Ситуация стала меняться с выходом в 2004 г. новой редакции петербургских геотехнических норм ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге», в основу которых была положена разработанная профессором В.М. Улицким и автором настоящей статьи концепция геотехнического сопровождения [1]. Ее ключевым элементом является критерий, ограничивающий сумму дополнительных деформаций городской застройки от всех видов техногенных воздействий, связанных со строительной деятельностью, некоторым допустимым уровнем, определяемым совместным расчетом здания и основания. Сегодня при строительстве здания-встройки считается недопустимой дополнительная осадка соседней застройки, превышающая 2-3 см.

В последние 5 лет в городе стало активно развиваться строительство

подземных сооружений. Это направление строительной деятельности связано с существенно более высокими рисками для безопасности исторической застройки. В этом случае не только имеется опасность повреждения соседних зданий, но и существует реальная угроза их обрушения при подвижках ограждения котлована. Реализованные объекты подземного строительства свидетельствуют об обоснованности этого утверждения. Допущенные при их устройстве осадки соседних зданий порядка 10 см (!) воспринимаются некоторыми участниками строительного процесса чуть ли не как научно-техническое достижение. Очевидно, что такая практика может привести только к замораживанию освоения подземного пространства города.

Для цивилизованного развития подземного строительства в условиях плотной городской застройки на слабых глинистых грунтах институтом «Геореконструкция» при непосредственном участии автора статьи были организованы и проведены натурные исследования поведения массива грунта при устройстве глубоких котлованов [2]. На основании этих исследований предложено ввести следующее требование к проектированию 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. На основании расчета по второй группе предельных состояний (по деформациям) 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. Кроме того, соседняя застройка должна быть рассчитана по первой группе предельных состояний с учетом ее взаимодействия с основанием - по прочности и устойчивости при воздействиях со стороны строительства подземного сооружения, в том числе связанных с неопределенными задержками во времени строительства и нарушением природной структуры грунта. Усилия в конструкциях порождаются деформациями основания, обусловленными податливостью ограждения котлована.

Для расчетов ограждения глубоких котлованов и системы крепления по двум группам предельных состояний для окружающей застройки автором разработана вязкоупругопласти-ческая модель грунта. Основной идеей построения этой модели является независимое описание деформационного упрочнения при деформациях уплотнения и формоизменения [3].

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

Рис. 1. Ситуационное положение площадки реконструкции (пунктирной линией очерчена возможная зона риска)

№ слоя Наименование грунта Геолог. индекс Y, кН/м3 W Ip Il e

1 Насыпной грунт tg IV

2 Пески пылева-тые средней плотности ml IV 19,3 Нас. - - 0,75

2а Пески пылева-тые плотные ml IV 21 Нас. водой - - 0,55

3 Супеси пластичные ml IV 20,9 0,2 0,06 1 0,546

4 Суглинки текучие ml IV 19 0,25 0,14 1,3 0,876

5 Суглинки ленточные и слоистые текучие с прослоями текучепластич-ных lg III 18,3 0,35 0,15 1,21 1,053

6 Суглинки мягкопластичные g III 20 0,27 0,14 0,6 0,679

7 Суглинки тугопластичные g III 20,5 0,15 0,15 0,4 0,609

8 Суглинки полутвердые g III 20,5 0,09 0,16 0,22 0,6

<Р<4МЛ» JMJ-I

ДОЬИНПь

dj^1 urif.'ii Eíhvr

0J05

dl «.llAV ¿V+J-T

Mu «ЧШ »»ti ir^iitfV rji»;

f Г -С i-^í-I

íl* rVWIk IÍJ14 №t!Wi 1ЯЫ 1 fI!r"j IJPCJ

HJÍJ

iKVminu

Il-Í I V.-Í. IflH

oHüIlít.ífíM

cr-im r!-t-j fr-í eJUIb вш i-c г í til-:- iwrti

0.1

fltsurap шгеиивчй (J, » и yi'íd D.IS 0,2 02S CÜ Ü.3S

fl>

0.«

0.5

fC.06

«fe

.. ■ * \ ■ j

Г N i ц

'■"Л 4r

• ,

Л * \

ь _J * ■ >

0.16

^ffl^JJUIH tlU-r

- m .o im. fiTt-i »i^iili/ViMM

ai-újK-Íj i! 1Й rJ№i Ц1Ы TW Í.W4« fM l-í

п i ■ ü f№ti ajía-j

IV.n. tii7-l sKiriffH (»I,) ^¿urpjarti oTwH i.vn*

tue JJH.fi fíJí-J S?-d> t IHiTí №)

urrti

Рис. 2. Примеры аппроксимации графиков трехосных испытаний для слоев 6 (а) и 7(б)

Модель работы грунта при девиатор-ном нагружении близка к модели Бин-гама-Шведова, за исключением учета переменности коэффициента вязкости.

Все параметры модели, за исключением вязкости, определяются из стандартных лабораторных испытаний. Параметр начальной вязкости зависит от степени нарушения структурных связей в грунте. Для грунта природного сложения он назначается исходя из результатов обратного анализа данных натурных исследований. Это значение вязкости используется в расчете по второй группе предельных состояний. При потере природной структуры грунта или максимальной задержке сроков выполнения работ начальная вязкость стремится к нулю. Минимальное значение вязкости участвует в расчете глубоких котлованов по первой группе предельных состояний для соседней застройки. Иными словами, каждый этап производства работ предполагается бесконечно долгим или, что то же самое, на каждом этапе реализуется конечная деформация.

Рассмотрим реализацию предложенного подхода при проектировании и строительстве подземного сооружения на Почтамтской ул. в Санкт-Петербурге.

Задачи, решаемые при реконструкции. При глубокой реконструкции комплекса зданий в историческом центре Санкт-Петербурга (реконструкцию проводило ООО «Галак-си», Санкт-Петербург) предполага-

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 3. Расчетная схема здание — подземное сооружение — свайные фундаменты — основание

Рис. 4. Осадки здания и окружающей территории при длине свай 26м

лось сохранить исторические строения, расположенные по красной линии Почтамтской ул., и возвести на месте малоценной дворовой застройки деловой центр «Quattro Corti». Современное здание такого назначения требует обязательного устройства паркинга. Особенностью условий строительства и реконструкции в центре города является не только стесненность участка в плане, но и жесткое ограничение высоты здания. Для данного объекта, расположенного в квартале между Исаакиевской площадью и Почтамтским переулком, было выдвинуто требование: новые строения во дворах не должны просматриваться с окружающих улиц и площадей. Следует отметить, что архитекторы итальянской студии «Piuarch» справились с этой сложной задачей. Шестиэтажное здание, с верхнего этажа которого открывается панорамный вид на Иса-акиевский собор, остается «невидимкой», не искажая исторический облик уголка старого города.

В таких сложных градостроительных условиях совершенно естествен-

но желание разместить паркинг в подземном пространстве. Для нормальной эксплуатации здания требовалось предусмотреть 120 машино-мест. Для этого внутри освобожденного от малопривлекательной застройки контура двора требовалось устроить двухэтажный подземный объем в плотном примыкании к соседним историческим зданиям и сохраняемым строениям по Почтамтской ул. Реализация такого решения после проведенной нами серии натурных исследований вполне возможна, но сопряжена с высокой стоимостью ограждения котлована и системы его крепления, параметры которых диктуются требованиями по обеспечению безопасности окружающей застройки.

Эта застройка представляет собой разновысотные кирпичные здания постройки XIX в. на ленточных бутовых фундаментах, 2-3 категории технического состояния (рис. 1), что ограничивает допустимую дополнительную осадку значениями 2-3 см.

Более экономически эффективные и безопасные технические реше-

жШт

Рис. 5. Разрез подземной части здания (нумерация слоев соответствует таблице)

ния возможны, когда одновременно с архитектором участие в формировании концепции устройства подземной части здания принимает геотехник. На данном объекте благодаря комплексному анализу архитектурно-планировочных особенностей здания и геотехнической ситуации удалось найти оптимальный вариант компоновки подземного паркинга.

По всей площади освобожденного от строений двора был предусмотрен цокольный этаж (с заглублением на 2 м от дневной поверхности). Внутри его устраивалась встроенная механизированная подземная парковка (паркинг-сейф) с размерами 50,8X21 м глубиной 7 м. В результате глубокий подземный объем отодвигался от межевых стен сохраняемых зданий на расстояние от 6 до 14 м, что существенным образом снижало материалоемкость и стоимость конструкций ограждения котлована и системы крепления. Это позволяло оптимальным способом решить поставленную задачу - разместить 121 парковочное место в подземном пространстве, из которых 62 - в паркинг-сейфе.

Инженерно-геологические условия площадки характерны для центральной части города. В геологическом строении участка до глубины бурения 40 м принимают участие современные морские отложения: пески пы-леватые средней плотности и плотные, супеси пластичные, суглинки текучие; верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового генезиса: суглинки ленточные и слоистые текучие, с прослоями текучепластичных; ледникового генезиса: суглинки мягко-пластичные, суглинки тугопластичные и суглинки полутвердые перекрытые с поверхности техногенными образованиями (табл.1). Основные характеристики грунтов приведены в таблице.

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

Подземное строительство

Упор для передачи вертикальной нагрузки на фундамект разобранного здания

(¿ГсЬ (з) <5 (5)сб (Ь (кк)

Рис. 6. Схема усиления грунта под подошвой фундаментов окружающих зданий с помощью технологии JetGrouting: а — план; б — характерный разрез

По аппроксимации графиков трехосного сжатия образцов грунта (рис. 2) определены параметры вязкоупруго-пластической модели, характеризующие деформации формоизменения.

Расчетное обоснование концепции устройства подземного объема. В связи с непосредственным примыканием к существующей застройке, осадка которой не должна превышать 2 см для 3-й категории технического состояния, встраиваемая часть здания с размерами в плане 70,5X60,5 м возводилась на свайном фундаменте из буронабивных свай.

Расчеты системы здание - подземное сооружение - свайные фунда-

менты - основание, выполненные с использованием вязкоупругопластиче-ской модели (рис. 3), позволили определить, что при варьировании глубины заложения свай 22; 26; 30; 34 м максимальная осадка здания изменяется соответственно от 21 до 17 мм, а дополнительная осадка окружающей застройки - от 11 до 9 мм. Таким образом, в данных геотехнических условиях величина осадок незначительно зависит от длины свай. На рис. 4 приведены изолинии осадок здания и окружающей территории для принятой в проекте длины свай 26 м, опирающихся на слой тугопластичных моренных суглинков (рис. 5).

+ 3.300

Итак, составляющая дополнительной осадки прилегающей исторической застройки, обусловленная постоянным статическим воздействием веса возводимого здания, не превышает 1 см. Теперь следует оценить другую составляющую осадки, связанную с устройством подземного объема. Проектом предполагалось вскрытие котлована на глубину 2 м для устройства цокольного этажа в непосредственной близости от сохраняемых фундаментов и на глубину до 7,8 м (с учетом толщины плиты днища) в центральной части для устройства паркинг-сейфа.

В связи с тем, что средний уровень грунтовых вод находится на глубине

Прмив1>фи11ыраци11нная

по технологии ^Югоийпд

Рис. 7. Схема устройства котлована паркинг-сейфа: а — поперечный разрез котлована; б — деталь

а

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 8. Схема расположения характерных точек, для которых построены графики во времени

0,06 0,05 0,04 0,03

8

§ 0,02 о 0,01 0

-0,01 -0,02 -0,03

- Ф Точка 1 —■— Точка 2 А Точка 3 Ж Точка 4

— /

-А- -▲-

1 Ж- ж ж- 1 1 -Ж- 1 -ж- 1 1 -5 1 1

12 3 4

Рис. 9. Расчетные графики осадок во времени

2,5 м, для откопки котлована цокольного этажа не требуется устройства водонепроницаемого экрана. Однако дно котлована находится на уровне заложения подошвы фундаментов окружающих зданий, поэтому необходимо их превентивное усиление. Был принят вариант закрепления массива грунта под подошвой существующих фундаментов с использованием струйной технологии (JetGrouting), обеспечивающей увеличение глубины и ширины фундамента (рис. 6). Величина зоны закрепления грунта назначалась из условия ограничения давления по подошве усиленного фундамента величиной расчетного сопротивления грунта и выполнения условия по прочности грунта по первой группе предельных состояний. Суть закрепления состоит в замещении части грунта в основании цементным раствором, с созданием массива закрепленного цементо-грунта, по прочности соответствующего бетону класса В10.

Ограждение котлована паркинг-сейфа глубиной 7,8 м выполнялось из стального трубчатого шпунта, погружаемого на глубину 12 м от поверхно-

56 Время, годы

сти земли. Внутри шпунтового ограждения до откопки котлована было предусмотрено устройство противо-фильтрационной завесы на глубинах с 9 до 11 м, изготавливаемой по технологии JetGrouting, которая выполняла также роль горизонтальной распорки, воспринимающей давление грунта при откопке котлована. Создаваемый цементогрунтовый материал должен был обладать прочностью не менее 4,5 МПа. Раскрепление шпунта от горизонтальных смещений поверху осуществлялось с помощью железобетонной плиты ростверка цокольного этажа на отм. +1.650 (рис. 7).

Расчеты выполнялись по двум группам предельных состояний для исторической застройки: 1 - для случая нарушения природной структуры грунтов; 2 - в предположении сохранения природного сложения грунта.

Усилия в элементах ограждения котлована и в распорных конструкциях, определенные из расчета по первой группе состояний для соседней застройки, были приняты во внимание при определении сечений этих конструктивных элементов. Как показа-

Рис. 10. Демонтаж конструкций внутри-дворовых флигелей

ли расчеты, максимальный момент в ограждении составляет 230 кНм/п.м. Для восприятия такого момента достаточно использовать шпунт из металлических труб 01020 мм с толщиной стенки 9 мм. Зона развития осадок за пределами шпунта при нарушении структуры грунта по расчету составляет около 15 м. Осадка соседних зданий при этом достигает 50 мм, что не приводит их конструкции в предельное состояние, но вызывает развитие трещин в кирпичных стенах.

Расчеты по второй группе предельных состояний для исторической застройки (в предположении сохранения природной структуры грунта) выполнялись с учетом развития деформаций во времени. Согласно расчетам, выполненным с помощью вязкоупруго-пластической модели, при использовании жесткого трубчатого шпунта горизонтальные перемещения в основном обусловлены податливостью распорки из цементогрунта, перемещение которой составляло 7 мм. Максимальное перемещение шпунта при этом было равно 8 мм.

Численное моделирование с помощью вязкоупругопластической модели осуществлялось в несколько шагов:

- моделирование объемного напряженного состояния в грунтовом массиве;

- моделирование осадок зданий окружающей застройки;

- усиление основания окружающих зданий, устройство свайного основания под всем зданием, шпунтового ограждения и закрепленного слоя грунта;

- откопка котлована по всей площади здания на глубину 2 м и устройство монолитной плиты ростверка - 3 месяца;

- откопка котлована под паркинг-сейф - 3 месяца;

7

8

9

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Подземное строительство

Рис. 12. Погружение шпунтового ограждения (а) и закрепление Рис. 13. Вскрытый котлован под паркинг-сейф грунта по струйной технологии (б)

- ПО C3.04.20G9

--— По данчом на 05.03.200S

Рис. 14. Результирующие эпюры осадок сохраняемых зданий

Рис. 15. Дом на Почтамтской ул. в Санкт-Петербурге после реконструкции: а — отреставрированный фасад здания; б — вид с шестого этажа; в — первый подземный уровень; г — паркинг-сейф на минус втором и третьем этажах

- устройство монолитных конструкций нулевого цикла - 3 месяца;

- возведение надземных конструкций здания - 9 месяцев;

- окончательная отделка здания -3 месяца.

- стадия эксплуатации здания. Итого расчетный суммарный срок

строительства составлял 24 месяца (2 года).

На рис. 8 представлена расчетная схема, где показаны характерные точки, по которым построены графики роста осадок во времени (рис. 9).

Анализ графиков развития осадок во времени показывает, что основные деформации здания протекают в первые 2-3 года. При откопке котлована наблюдается поднятие поверхности в центральной части площадки до 5 см, сопровождающееся смещением вверх окружающих строений до 0,5 см. При последующем нагружении основания весом проектируемого здания происходит осадка основания. При этом суммарная осадка здания по краю составила до 0,5 см, а осадка окружающей застройки - 1,8 см.

Выполнение работ и результаты мониторинга. Все работы по реконструкции велись в сопровождении мониторинга сохранности окружающих зданий.

Работы начались с демонтажа вну-тридворовых аварийно деформиро-

ванных флигелей (рис. 10). После этого было выполнено закрепление грунта под подошвами фундаментов окружающих зданий (рис. 11).

По результатам испытаний средняя прочность на сжатие цементогрунта, созданного под подошвами фундаментов межевых стен зданий, составляла 13,3 МПа, а среднее значение модуля упругости - 854 МПа [4].

Далее выполнялось вибропогружение шпунта и закрепление слоя грунта внутри шпунтового ограждения ниже проектируемого днища (рис. 12), после чего осуществлялась откопка котлована на проектную глубину и устройство конструкций подземной части здания (рис. 13).

Закрепление грунтов для устройства плиты днища котлована выполнялось по двухкомпонентной технологии струйной цементации. Устройство jet-элементов на площадке реконструкции реализовывалось в шахматном порядке по сетке с ячейкой «0,9 м. По данным лабораторных испытаний, предел прочности при сжатии выбуренных кернов цементогрунта варьировал от 5,7 до 7,4 МПа [4].

Результаты геодезического мониторинга (рис. 14) показали, что осадки фундаментов примыкающих зданий не превысили 9 мм.

Таким образом, реализованное проектное решение обеспечило защиту ветхих окружающих зданий от опасных деформаций в сложных инженерно-геологических условиях стесненной площадки и позволило построить в центре города современное сооружение с подземным паркингом, не искажающее сложившийся архитектурный облик города (рис. 15).

Список литературы

1. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд. АСВ, 1999. 327 с.

2. Шашкин А.Г. Методологические основы расчета подземных сооружений в условиях городской застройки на слабых глинистых грунтах // Жилищное строительство. № 6. 2011. С. 39-46.

3. Шашкин А.Г. Описание деформационного поведения глинистого грунта с помощью вязкоупругопла-стической модели // Инженерная геология. 2010. № 4. С. 22-32.

4. Улицкий В.М., Богов С.Г. Строительство паркинг-сейфов в застроенной центральной части Санкт-Петербурга // Развитие городов и геотехническое строительство. 2011. №13. С. 72-79.

22

8'2011