Влияние последовательности возведения близкорасположенных высотных зданий на осадки и крен фундаментных плит Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

1/2006

ВЛИЯНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВОЗВЕДЕНИЯ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА ОСАДКИ И КРЕН ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ

Зарецкий Ю. К. Карабаев М.И.

Международный институт геомеханики и гидросооружений (МИГГ)

азрабатываемая совместно научно-исследовательским Институтом Оснований и Подземных Сооружений им. Герсеванова (НИИ-ОСП) и Международным институтом геомеханики и гидросооружений (МИГГ) общая математическая модель территории Московского международного делового центра (ММДЦ) «Москва-Сити» включает в себя центральное ядро, все расположенные вокруг него здания и сооружения (участки №№ 2-3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15) и весь грунтовый массив, находящийся выше абсо-

лютной нулевой отметки. Длина и ширина общей модели в плане составляют 815x641 м (рис. 1). В настоящее время разработаны модели центрального ядра, участков застройки №№ 2-3, 4,9, 10, 12,13 и окружающего их грунтового массива.

Целями выполнения настоящей работы являются:

- создание постоянно-действующей математической модели системы «грунтовое основание - здания ММДЦ «Москва-Сити»;

- проведение расчетных исследований напряженно-деформиро-

Рис. 1. Твердотельная модель сооружений и оснований ММДЦ "Москва-Сити"

ванного состояния (НДС) основания высотных зданий на участках № 2-3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15, оценка взаимного влияния застроек и прогноз дополнительных осадок фундаментной плиты центрального ядра с учетом упруго-пластического деформирования грунтов и последовательности строительства зданий.

В работе приводятся результаты расчетных исследований НДС центрального ядра и участков застройки №4 и №9.

Расчеты проводились с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и с учетом упруго-пластического деформирования грунтов. При этом для описания нелинейного поведения грунтов использовалась математическая модель, разработанная в рамках теории пластического течения [1], [2] и реализованная в вычислительной программе «ОЕО-МЮО» [3]. Параметры этой модели определялись из «паспортов» трехосных испытаний грунтов, выполненных МИГГ. «Паспорта» трехосных испытаний грунтов раз-

Высотное здание №2

работаны в НИС Гидропроекта и включены в ГОСТ.

Для проведения численных исследований взаимовлияния центрального ядра, зданий и сооружений, возводимых на участках №4 и №9, была выделена, в качестве расчетной области, часть грунтового основания глубиной 126 м и размерами в плане 435х735 м (рис. 2). Последующее развитие модели будет происходить путем включения в расчетную область зданий и сооружений, расположенных на других участках ММДЦ «Москва-Сити» и расширением границы расчетной области.

В расчетную область входят следующие сооружения (рис. 2):

- здания гостиницы и аквапар-ка (4-участок);

- высотные здания №1 и №2 и подземная стоянка автомашин (9-участок);

- здание центрального ядра ММДЦ «Москва-Сити»

- ограждающие стены в грунте, построенные ранее

Высотное здание №1

Ограждающие стены

Центральное ядро

Рис. 2. Общий вид конечно-элементной модели расчетной области

Разработка математической модели производилась на основе геомеханической модели участка, составленной по данным инженерно-геологических изысканий.

На основе анализа информации о геологическом строении грунтового основания строительства, в рассматриваемой области было выделено 16 инженерно-геологических элементов (ИГЭ), которые составили 8 расчетных слоев грунта (при этом ИГЭ с 1 по 8, залегающие выше подошвы фундамента, были условно объединены в один расчетный слой), простирание которых в расчетной области было принято горизонтальным (рис. 2).

Аппроксимация расчетной области основания была выполнена пространственными 4-х узловыми конечными элементами (тетраэдрами) с учетом характера простирания инженерно-геологических эле-

Плитный фундамент 9-ого участка

ментов, конфигурации фундаментов центрального ядра и зданий, возводимых на участках №4 и №9, а также ограждающих стен в грунте. При этом общее количество конечных элементов и узлов сетки разбивки расчетной области составило: 449702 и 81528 соответственно (рис. 2).

В качестве фундамента центрального ядра служит сплошная железобетонная плита. Абсолютная отметка низа плиты 101.15 м, отметка верха - 103.35 м (рис. 3).

Фундаментная плита под гостиницей на 4-м участке представляет собой коробчатую железобетонную конструкцию с пустотами, которая в расчетах моделируется как сплошное тело с приведенными деформационными характеристиками. Абсолютные отметки низа и верха фундаментной плиты на участке №4 составляют 108.45 м и 116.55 м соответственно (рис. 3).

П'

1. Гостиница

2. Аквапарк

3. Подземная автостоянка

4. Высотное здание №1

5. Высотное здание №2

q=0,6 МПа Я=0,25 МПа q=0,04 МПа ,06 МПа q=0,97 МПа

6. Общая плита под высотные здания q=0,11 МПа

9-ого участка

4-ого участка

Рис. 3. Нагрузки на фундаментные плиты и расположение характерных точек

для построения эпюр осадок

Здание аквапарка (участок №4) также опирается на фундаментную плиту переменной толщины (отметка низа фундамента меняется от 114.1 м до 115.6 м, тогда как верх плиты имеет постоянную отметку 116.55 м). Между фундаментными плитами гостиницы и аквапарка предусмотрен деформационный шов, ширина которого составляет

20 см (рис. 3).

Сплошная монолитная фундаментная плита под высотными зданиями №1 и №2 на 9-участке имеет толщину 5 м (между отметками 108.1 м и 113.1 м). Толщина фундаментной плиты подземной автостоянки составляет 1.5 м (отметки низа и верха плиты 108.1 м и 109.6 м соответственно). Между этими фундаментными плитами также предусмотрен деформационный шов шириной 20 см (рис. 3).

Собственный вес зданий и сооружений, расположенных на рассматриваемых участках, в расчетах передается на соответствующую площадь фундаментных плит как равномерно распределенная нагрузка. Собственный вес фундаментных плит вычисляется как объемная сила в процессе формирования основного уравнения МКЭ программным путем. На рисунке 3 также приведены схема приложения нагрузок и их значения. В расчетах действие ветровой нагрузки на высотные здания учитывался путем приложения соответствующей дополнительной равномерно-распределенной нагрузки на фундаментные плиты.

В работе была принята следующая последовательность расчетных этапов:

1 . Природное НДС грунтового массива от собственного веса грунтов с учетом его переуплотнения;

2. Разработка котлована центрального ядра;

3. Возведение здания центрального ядра,

Дальнейшее развитие строительства зданий и сооружений рассматривались в трех вариантах:

Вариант I

4. - Разработка котлована на участке №4;

5. - Возведение зданий на участке №4;

6. - Разработка котлована на участке №9;

7. - Возведение высотных зданий и подземной автостоянки

на участке №9.

Вариант II

4. - Разработка котлована на участке №9;

5. - Возведение зданий на участке №9;

6. -.Разработка котлована на участке №4;

7. - Возведение высотных зданий и подземной автостоянки

на участке №4.

Вариант III

4. - Одновременная разработка котлованов на участках №4 и №9;

5. - Одновременное возведение зданий и сооружений, на участках №4 и №9;

Для каждого варианта последовательности строительства зданий и сооружений выполнялись два прогноза:

а) пессимистический прогноз,

с использованием в расчетах для подстилающих фундаментные плиты воскресенских глин «паспорта» трехосных испытаний образца грунта №1, характеризующегося большей деформируемостью.

ff t

б) оптимистический прогноз, с

использованием в расчетах для подстилающих фундаментные плиты воскресенских глин «паспорта» трехосных испытаний образца грунта №4, характеризующегося меньшей деформируемостью.

Более подробно рассмотрим результаты расчетов по варианту 1а.

При разработке котлована под зданиями участка №4 наблюдается подъем дна котлована, максимальная величина которого достигает 15 мм. Подъем ближайшего к 4-му участку края фундаментной плиты ранее построенного центрального ядра при этом не превышает 3 мм

Строительство зданий гостиницы и аквапарка вызывает неравномерную осадку фундаментной плиты участка №4 и дополнительные осадки фундаментной плиты центрального ядра. Застройка 4-го участка оказывает незначительное влияние на фундаментные плиты центрального ядра. Ближайший к 4-му участку край фундаментной плиты центрального ядра дополнительно оседает на 4 мм.

При строительстве высотных зданий №1, №2 и подземной автостоянки наблюдается дальнейшее развитие неравномерных осадок фундаментных плит. При этом максимальные вертикальные перемещения порядка 54 и 44 мм наблюдаются под высотными зданиями №1 и №2 соответственно. Максимальные вертикальные перемещения менее загруженной части фундаментной плиты, (под подземной автостоянкой) не превышает 16 мм. При этом минимальные вертикальные перемещения, порядка 2 мм, наблюдаются вблизи ограждающей стены в грунте.

Строительство зданий участка №9 также вызывает дополнительные деформации фундаментов цен-

трального ядра и зданий, расположенных на участке №.4. Дополнительная осадка фундаментной плиты на участке №4 при этом достигает 8 мм.

На рисунке 4 приведены, в качестве иллюстрации, изолинии суммарных осадок фундаментов после возведения зданий и сооружений на участках №4 и №9 по варианту 1а.

Деформированное состояние фундаментных плит, построенное в масштабе 1:500, приведено на рисунке 5.

Результаты оптимистического прогноза (вариант 1б) показали, что осадки фундаментных плит в этом случае уменьшаются, по сравнению с результатами пессимистического прогноза, на 6-8 мм. Разница осадок для этих двух случаев составляет менее 14 %.

С целью выявления влияния последовательности строительства были рассмотрены еще два варианта. Согласно варианту II сначала будут построены здания, расположенные на участке №9, а затем, на участке №4. Для этого варианта также рассматривались пессимистический (вариант 11а) и оптимистический (вариант 11б) прогнозы.

В варианте III рассматривалось одновременное строительство зданий и сооружений, расположенных на участках №4 и №9. При этом также были выполнены пессимистический (вариант Ша) и оптимистический (вариант III б) прогнозы.

Для сравнения результатов расчетов по рассмотренным вариантам были построены графики осадок фундаментных плит высотных зданий, расположенных на участках №4 и №9. Графики были построены по осадкам характерных точек, указанных на рисунке 3.

Рис. 4. Изолинии осадок фундаментных плит после завершения строительства

на участках №4 и №9.

На первом графике, представленном на рисунке 6, приведены эпюры осадок фундаментных плит построенных для вариантов 1а, 11а и 111а (пессимистические прогнозы). В самом наихудшем из рассмотренных вариантов случае (вариант 1а) разность осадок фундаментных плит на двух соседних участках составляет 27 мм, тогда как по варианту 11а эта разность невелика, всего 1 мм. Однако нужно отметить, что по второму варианту крен фундаментной плиты участка №9 больше, чем во втором варианте. При этом осадки крайних точек 1 и 7 практически не зависят от последовательности строительства.

На втором графике, представленном на рисунке 7, приведены эпюры осадок для вариантов 1б, 11б и 11б (оптимистические прогнозы). В

данном случае характер деформирования, по сравнению с предыдущим графиком, не меняется. Максимальная разность осадок фундаментных плит в наихудшем случае (вариант 1б) составляет 24 мм.

Как видно из рисунков 6 и 7 (кривые 111а и 111б), одновременное строительство зданий на двух участках приводит к уменьшению разности осадок их фундаментов.

Значения осадок характерных точек для двух вариантов прогноза даны в таблице 1. В таблице 2 приведены разности осадок характерных точек.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. Разработана постоянно-действующая математическая модель грунтового основания зданий и сооружений ММДЦ «Москва-Сити»,

включающая в себя: -центральное ядро; - здания и сооружения, расположенные на участках №4 и ; - №9 и окружающий грунтовый массив. При этом дальнейшее развитие разработанной математической модели будет осуществляться путем включения новых участков застройки и расширения границ расчетной области.

2. Расчетным путем смоделированы 3 варианта последовательности застройки участков №4 и 9.

3. Проведены расчетные исследования НДС грунтового основания и их изменение в процессе строительства, которые показали:

- Максимальные вертикальные перемещения фундаментной плиты гостиницы (4-участок), после застройки рассмотренных участков, достигает, согласно наихудшему (пессимистическому) прогнозу, 61 мм, что меньше допустимой величины осадок [4, 5],

- Максимальные вертикальные перемещения фундаментной плиты высотных зданий №1 и №2 (участок №9), после застройки рассмотренных участков, достигает, согласно наихудшему (пессимистическому) прогнозу, 59 мм, что также меньше допустимой величины осадок [4, 5],

- Горизонтальные перемещения фундаментных плит незначительны, не превышает 8 мм.

- Строительство высотных зданий участка №4 и участка №9 оказывает незначительное влияние на построенное ранее центральное ядро ММДЦ «Москва-Сити», максимальная дополнительная осадка

фундаментной плиты при этом не

превышает 6 мм

- Последовательность строительства зданий и сооружений на участках №4 и №9 влияет на величину осадок фундаментных плит. Строительство здания вызывает дополнительную осадку фундамента ранее построенного здания и, как следствие, его крен в свою сторону.

- Максимальная величина разности осадок фундаментов при наихудшем случае (вариант 1а) составляет 27 мм, что существенно меньше допустимой величины [5].

- Из всех рассмотренных наихудшим является вариант 1а, т.к. в этом случае развиваются наибольшие деформации грунтового основания, и наблюдается наибольшая разность осадок фундаментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зарецкий Ю. К., Ломбардо В. Н. Статика и динамика грунтовых плотин Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.

2. Zaretskiy Yu, K. Soil viscoplasticity and design of structures. Rotterdam. Geotechnika 4. A. A. Balkema, 1993

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №0217 - 01.1.0 RUS., серия Б, от 24.01. 2001 г. - Реферативный сборник «Российские программы для ЭВМ», вып. 5, 2003 г.

4. СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений», М. 1985 г.

5. МГСН 2.07-01 «ОСНОВАНИЯ, ФУНДАМЕНТЫ И ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, М. 2003 г.