CC BY
131
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №1, Том 10 / 2018, No 1, Vol 10 https://esj.today/issue-1 -2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/39SAVN118.pdf Статья поступила в редакцию 26.01.2018; опубликована 16.03.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Трушко О.В., Кутявин Д.В. Устройство котлована в условиях сильно деформируемых грунтов при строительстве многоэтажного бизнес-центра с учётом обеспечения устойчивости близстоящих зданий и сооружений // Вестник Евразийской науки, 2018 №1, https://esj.today/PDF/39SAVN118.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Trushko O.V., Kutyavin D.V. (2018). The construction of fore shaft in the conditions of highly deformable subsoils during the construction of a multi-storey business center, taking into account the stability of standing close the buildings and structures. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(10). Available at: https ://esj. today/PDF/39 SAVN 118.pdf (in Russian)
УДК 624.15
Трушко Ольга Владимировна
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет», Санкт-Петербург, Россия
Кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Кутявин Дмитрий Владимирович
ООО «Адамини», Санкт-Петербург, Россия Инженер авторского надзора E-mail: [email protected]
Устройство котлована в условиях сильно деформируемых грунтов при строительстве многоэтажного бизнес-центра с учётом обеспечения устойчивости близстоящих зданий и сооружений
Аннотация. В статье представлен расчёт сооружения котлована и возможных осадок от зданий, возводимых в условиях плотной городской застройки в г. Санкт-Петербург. Выполнен анализ наиболее эффективных видов ограждений для крепления котлованов в сложных инженерно-геологических условиях.
Геотехническая оценка ситуации на участке строительства была выполнена с помощью программного комплекса «Plaxis 3D» по модели упрочняющегося грунта («Hardering Soil»), которая позволила произвести расчёт по методике поэтапного строительства. Численный анализ позволил более точно спрогнозировать развитие осадок за счет усовершенствованных моделей грунта с учётом его нелинейной работы при действии нагрузки.
С использованием численных методов расчета было выполнено определение напряженно-деформированного состояния системы «массив грунта - шпунтовая стенка -окружающая застройка».
Расчёт осадки здания проводился в программно-вычислительном комплексе «Лира-САПР» «Грунт», который позволил установить, что несущие конструкции проектируемого здания удовлетворяют нормативным требованиям прочности и деформативности.
В результате проделанной работы был определён наиболее подходящий тип ограждения котлована для условий строительной площадки с сильно деформируемыми грунтами, рассчитаны и численно определены размеры несущих конструкций котлована.
Ключевые слова: мегаполисы; строительство; моделирование; деформируемые грунты; котлован; осадки
В связи с активным ростом мегаполисов важным является вопрос строительства зданий, предназначенных для расположения внутри них различного рода учреждений, таких как многофункциональные центры, центры обслуживания населения, офисы и т. д. Сложность строительства состоит в том, что объекты такого рода необходимо возводить в условиях плотной городской застройки, где самыми важными этапами являются: оценка геотехнической ситуации на участке строительства, устройство котлована и мониторинг за близстоящими зданиями и сооружениями, в противном случае строительство надлежащего качества не может быть осуществимо.
Таким образом, до начала строительства необходимо выполнить моделирование геотехнических ситуаций, которые могут возникнуть на всех этапах застройки с учетом влияния возводимого объекта на окружающую застройку и произвести расчет ограждения котлована.
Примером строительства многофункционального центра в условиях плотной городской застройки, может послужить объект, расположенный на территории Санкт-Петербурга (см. рисунок 1).
Рассматриваемый в статье объект находится в Приморском районе г. Санкт-Петербург вблизи станции метро Пионерская и представляет собой шестнадцатиэтажное монолитное здание. Участок строительства геоморфологически входит в пределы Приневской низины.
Рисунок 1. Общий вид объекта (разработано автором)
В геологическом строении территории в пределах глубины бурения (35-40 м) принимают участие четвертичные отложения (техногенные отложения, озерно-ледниковые отложения Балтийского ледникового озера, ледниковые отложения Лужской стадии) и отложения Котлинской свиты венда [1].
В гидрогеологическом отношении рассматриваемый участок характеризуется наличием грунтовых вод со свободной поверхностью и напорных вод.
Грунтовые воды со свободной поверхностью приурочены к насыпным грунтам и песчано-пылеватым прослоям в озерно-ледниковых суглинках. Водоупором являются ледниковые отложения.
В период производства буровых работ уровень грунтовых вод зафиксирован на глубинах 0,2-1,3 м, на абс. отметках 3,1-2,1 м.
На участке строительства залегают напластования грунтов, представленные в таблице 1.
Таблица 1
Типы грунтов на участке строительства
N n/n Грунты Мощность слоя
I Насыпные грунты ИГЭ 1, представлены песками, супесями с обломками кирпичей, со щебнем, гравием, содержат растительные остатки от 1,0 до 2,9 м
II суглинки легкие, пылеватые, выветрелые, ожелезненные, тугопластичные (по Св тугопластичные) ИГЭ 2 от 0,8 до 3,9 м
суглинки тяжелые, пылеватые, ленточные, текучепластичные (по Св мягко пластичные) ИГЭ 2а
суглинки легкие пылеватые, серые, слоистые, текучепластичные (по Св мягкопластичные) ИГЭ 3
III супеси пылеватые, пластичные (по Св мягко- и тугопластичные) - ИГЭ 4 и 5 20,6-23,4 м
супеси пылеватые, твердые (по Св полутвердые) - ИГЭ 6
IV глины пылеватые, голубовато-серые, дислоцированные, с обломками песчаника, твердые ИГЭ 8 9,5-15,7 м
глины пылеватые, слоистые, твердые ИГЭ 9
В настоящее время, на практике для крепления котлованов используют следующие виды ограждений:
• распорные крепления котлованов - крепление в укос или распор применимы в связных грунтах работая совместно с деревянными, щитовыми или металлическими инвентарными ограждающими конструкциями при ширине траншеи или выемки не более пятнадцати метров;
• барьер из свай - свайные ограждающие барьеры земляных выемок надежны, недороги, просты в исполнении и снижают стоимость нулевых работ. Их можно использовать в сложных твердых, плотных или текучих грунтах и на неровных поверхностях рельефа. Для крепления используются готовые железобетонные сваи, металлические трубы или профили, в шахматном порядке в один или два ряда. С шагом 1,5 или 0,5 метра, со свободным пространством или с заполнением. Погружаются вдавливанием, ударным или вибрационным способами с помощью навесного оборудования экскаваторов: пневматических пробойников, дизель-молотов и вибрационных механизмов. Целесообразно использовать такой вид ограждения при использовании его в дальнейшем как несущую конструкцию объекта;
Вестник Евразийской науки 2018, №1, Том 10 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2018, No 1, Vol 10 https://esi.today
• стена в грунте - используется в открытых котлованах, ограниченных условиях и для строительства подземных сооружений (подземных уровней зданий, паркингов, тоннелей, дамб). Основная особенность: глубина ограждения - до 40 метров;
• грунтовые анкера - это распорная система стен котлована против обрушения, компенсирующая момент опрокидывания грунта. Бывают инъекционные и само забуриваемые анкера. Грунтовые анкера влияют на осадочные процессы зданий, находящихся в непосредственной близости к котловану;
• сеточное ограждение фундаментов в котловане и траншеях используется в виде переносных цельнометаллических модульных секций. Изготавливается из проволоки и труб различного диаметра из высокопрочной стали, для временного крепления стенок котлована и траншей при прокладке коммуникаций, раскопках и при малых сроках производства работ. Является многоразовым, инвентарным;
• шпунтовое ограждение применяется при глубине котлована до 8 метров, где преобладают слабые, насыщенные водой грунты (например: песок, глина), где уровень подземных вод высок, целесообразно ограждать шпунтом. Шпунт служит завесой и фильтром и воспринимает боковое и гидростатическое давление грунта и подземных вод. Шпунты бывают с плоским и поперечным сечением, снабжаются по краям для фиксации друг с другом в вертикальном положении замками-захватами. Шпунты «Ларсен» наиболее распространенный вариант защиты котлована и траншей.
Для заданных глубины котлована и инженерно-геологических условий целесообразно использовать шпунтовое ограждение (шпунт «Ларсен»), так как на территории строительства находится относительно высокий уровень грунтовых вод и залегают слабые грунты (в первых двух слоях) [2-7].
1. Расчет ограждения котлована
Геотехническая оценка ситуации на участке строительства была выполнена с помощью программного комплекса «Plaxis 3D» по модели упрочняющегося грунта («Hardering Soil»). Трёхмерная модель дает чёткое представление об общей картине напряженно-деформированного состояния площадки строительства, включая 30-ти метровую зону влияния работ.
Программа «Plaxis 3D» позволяет вести расчет по методике поэтапного строительства. На начальном этапе формируется природное напряженно-деформированное состояние. После каждого этапа строительных работ формируется новое напряженно-деформированное состояние, соответствующее изменениям в расчетной модели.
Численный анализ позволяет более точно прогнозировать развитие осадок за счет усовершенствованных моделей грунта с учётом его нелинейной работы при действии нагрузки.
Характеристика объекта строительства
Пятно котлована находится на застроенной и благоустроенной части квартала. В 30-ти метровую зону влияния производства работ попадают существующие здания (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Ситуационный план объекта (разработано автором)
Согласно техническому заключению, здания относятся ко II категории технического состояния. В соответствии с СП 22.13330.2011 предельные деформации основания фундаментов зданий и сооружений окружающей застройки, расположенных в зоне влияния нового строительства для зданий II категории технического состояния, составляют 30 мм, неравномерность осадок 0.002.
Устройство крепления котлована предполагается выполнять из металлического шпунта марки УЬ-606Л.
В плане котлован представляет собой прямоугольник размером 59х55 м (см. рисунок 3). Абсолютная отметка дневной поверхности, с которой будет погружаться шпунт, составляет около +3.000. Абсолютная отметка дна котлована с учетом подготовки составляет -1.800. Таким образом, глубина котлована составляет около 4,8 м. Необходимая глубина погружения шпунта определяется наличием прочного слоя. Требуемая глубина шпунтовой стенки, обеспечивающей заделку шпунта в прочный грунт, составляет 12 м (супеси пылеватые ИГЭ-5).
Рисунок 3. Граница участка и контур котлована (разработано автором)
Поскольку по глубине шпунт прорезает слой песков гравелистых и супесей с большим процентным содержанием крупных частиц и гнезд песка, включая грунт заделки, по гидрологическому характеру работы котлован относится к несовершенному типу - возможна фильтрация воды в котлован при его откопке [9].1
Предварительные расчеты шпунтового ограждения показали необходимость введения дополнительных элементов крепления в конструкцию шпунтового ограждения, поскольку отклонение шпунтовой стенки по консольной схеме работы составит 18 см.
Углы котлована раскрепляются распорками, устанавливаемые в два пояса (труба 377х12) на расстоянии 4 м и 8 м от угла котлована. Также предусматриваются подкосы из труб 370х12 с шагом 8-9 м. Откопка котлована ведётся под защитой грунтовых берм. Разработка берм ведётся участками, при этом рекомендуется поэтапная откопка котлована с бетонированием плиты ростверка после каждого этапа откопки.
Планировка территории котлована ведется бульдозером ДЗ-42, разработка грунта под строительство здания экскаватором КОББЬСО 250ЬБ с Уков = 1,2 м3, с погрузкой грунта на автомобили КамАЗ-53215.
1 Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика. - М.: Стройиздат, 1985
- 478 с.
Технология производства работ по сооружению котлована:
• погружение шпунта на проектную отметку на предварительно спланированной территории до абсолютной отметки +3.000;
• погружение шпунта допускается вести по технологии высокочастотного вибропогружения;
• после образования замкнутого контура - выполнение свайных работ;
• начальная откопка котлована на глубину не более 2 м (до абсолютной отметки +1.000), затем устройство обвязочной балки (двутавр 40Ш1) и системы угловых и распорок на глубине 1,5 м (абсолютная отметка +1.500);
• откопка первого участка в центральной части котлована на отметку (-1.800) с последующим бетонированием плиты ростверка;
• вдоль шпунтовой стенки по контуру оставляется грунтовая берма высотой 2,8 м с уклоном склона 1:2. Ширина верхней площадки бермы - 5 м;
• поэтапная разработка захватками грунтовых берм с бетонированием плиты ростверка после каждого этапа откопки. Предварительно, в пределах захватки ведется установка подкосов;
• монтаж подкосов осуществляется в специально подготовленных траншеях без разработки основного массива грунтовой бермы. Только после включения подкосов в работу выполняются дальнейшие работы по откопке котлована.
Расчёт котлована
С использованием численных методов расчета было выполнено определение напряженно-деформированного состояния системы «массив грунта - шпунтовая стенка -окружающая застройка». Граничными условиями послужили предельное значение дополнительной осадки окружающей застройки, несущая способность элементов крепления котлована и общая устойчивость конструкции.
Программа «Plaxis 3D» позволяет вести расчет по методике поэтапного строительства, поскольку в данных инженерно-геологических условиях, после каждого этапа строительных работ, формируется новое напряженно-деформированное состояние (см. рисунок 4).
В основные стадии расчета, моделирующие последовательность работ, входили:
• определение существующих напряжений в грунтовом массиве с учетом существующих зданий;
• выполнение работ по устройству шпунтовой стенки;
• поэтапная откопка котлована на проектную отметку.
• учтено действие равномерно распределенной технологической нагрузки 3 т/м2 от строительной техники или складирования материалов, а также в зоне проездов на расстоянии 2 м от бровки котлована (см. рисунок 5). Нагрузка на фундамент существующих зданий рассчитывалась исходя из объемного веса конструкций 0,5 т/м3.
Результаты расчета представлены картинами деформаций системы «массив грунта -элементы крепления котлована - окружающая застройка», горизонтальными перемещениями, усилиями в шпунтовой стенке, подкосах и угловых распорках (см. рисунок 6-12).
Рисунок 4. Общий вид расчетной модели на начальном и завершающем этапах работ (разработано автором)
Рисунок 5. Схема приложения технологической нагрузки (разработано автором)
Total displacements uz
Maximum value = 0.03459 m (Element 162S3 at Node 16955) Minimum value = -0.02724 m (dement 2614at Node 30175)
Рисунок 6. Подготовительный этап сооружения котлована. Устройство грунтовых берм. Изополя вертикальных перемещений (разработано автором)
Total displacements ur
Maximum value = 0.03223 m (dement 9465 at Node 21671) Minimum value = -0.04141 m (Element 2614 at Node 30175)
Рисунок 7. Изополя вертикальных перемещений. Основной этап сооружения котлована. Разработка грунтовых берм по захваткам, последовательное
включение подкос (разработано автором)
Страница 9 из 16
39SAVN118
Total displacements uz
Maximum value = 0.02800 m (Element 15991 at Node 23384) Minimum value = -0.053S7m (Element 2614atNode 30175)
Рисунок 8. Заключительный этап. Изополя вертикальных перемещений (разработано автором)
Total displacements | u | (scaled up 100 times)
Maximum value = 0.04968 m {Element 168 at Node 3340)
Рисунок 9. Деформации и перемещения шпунтовой стенки на этапах сооружения котлована под защитой грунтовых берм и при работе подкосов (разработано автором)
Рисунок 10. Изополя моментов в шпунтовой стенке на этапах откопки котлована под защитой грунтовых берм и при работе подкосов (разработано автором)
Рисунок 11. Деформации распорных конструкций (разработано автором)
Axial forces N (scaled up 5.00*10 "3 times)
Maximum value = 119,8 kN (Element 48 at Node 14221) Minimum value = -1304 kN (Element 51 at Node 10219)
Рисунок 12. Усилия в распорках и подкосах (разработано автором)
В результате выполненного расчета были получены следующие значения:
Максимальное усилие в угловой распорке - 130 т, в подкосах - 70 т.
Условиям прочности и деформативности отвечает шпунт УЬ-606Л длиной 12 м с раскреплением углов котлована и устройством подкосов.
Для данных условий строительства рекомендуется раскреплять углы котлована двумя рядами угловых распорок на расстоянии 4 м и 8 м от угла котлована. Сечение угловых распорок - труба 377х12. В качестве подкосов рекомендуется использовать трубу 377х12. Шаг подкосов 8-9 м, марка стали - Ст20.
Допускается приложение дополнительной временной нагрузки по бровке котлована. Величина нагрузки из расчета 3 т/м2 на расстоянии не ближе 1 м от края котлована.
Максимальное перемещение шпунтового ограждения, полученное в расчете, составит 6 см. Максимальная дополнительная осадка существующих зданий - 0.3 см < 3 см. Крен зданий не превышает 0.002. Усилия в распорках и подкосах не превышают предела прочности материала.
Расчет осадки здания проводился в программно-вычислительном комплексе «Лира-САПР» «Грунт». Основанием для свай служат ИГЭ №6 (инженерно-геологический элемент). Исходные данные для определения осадки фундамента представлены на рисунке 13 [10].
Супеси пылеватые коричневато-серые с гравием, галькой до 20 % с валунами с гнездами песка твердые с характеристиками: Е = 300 кг/см2, ф = 28, ГЬ = -0.21, с = 47кПа.
м Высота от подошвы до уровня подсыпки т/м3 Плотность грунта выше подошвы т/м^ Среднее давление под подошвой м Длина фундамента: 0-круглый диаметра Ь м Ширина фундамента
Слой hi, м Ei, т/м2 Y, т/м3 Расчетная глубина z 2z/b а
1 19 250000 1 0 0 1,0000
2 6 3000 2,25 9,5 1 0,7982
3 3,40 2800 2,11 22 2,3158 0,4114
4 2 3500 2,13 26,7 2,8105 0,3215
5 2 3500 2,13 29,4 3,0947 0,2833
6 2 3500 2,13 31,4 3,3053 0,2578
7 2 3500 2,13 33,4 3,5158 0,2353
8 2 3500 2,13 35,4 3,7263 0,2154
9 2 3500 2,13 37,4 3,9368 0,1974
10 2 3500 2,13 39,4 4,1474 0,1820
42,4 41,4 4,3579 0,1676
Рисунок 13. Исходные данные для определения осадки фундамента
Максимальная осадка от расчетной нагрузки составила 5 см, что не превышает максимально допустимую, предельно допустимая осадка определялась согласно по таблице 72 Пособие к СП 22.13330.2011 и составила 8 см.
По результатам расчёта можно сделать вывод, что несущие конструкции проектируемого здания удовлетворяют нормативным требованиям прочности и деформативности.
Поскольку, строительство многофункционального центра велось в условиях плотной городской застройки, в сильно деформируемых грунтах, в процессе строительства производился мониторинг состояния зданий и сооружений вблизи строящегося объекта, который выполнялся в соответствии с «Рекомендациями по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции» [8].
При проведении мониторинга определяются осадки, крены и горизонтальные смещения конструкций строящегося здания и окружающих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния строительства, состояние конструкций, работа измерительных систем, а также другие характеристики площадки строительства в соответствии с табл. 4.2 ТСН 50-302-2004.
В данных условиях строительства, важным являлось определение осадок зданий, расположенных вблизи строящегося объекта. На рис. 14 указаны максимальные осадки зданий в начальный и заключительный период строительства.
pi3.]
Рисунок 14. Осадки от строительства центра обслуживания населения (разработано автором)
Таким образом, по результатам расчета можно сделать вывод, что осадка здания меньше допустимой по СНиП и составляет - 5 см, при предельно допустимой - 8 см. Также не менее важным было определение осадки существующих зданий вблизи строящегося здания, максимальная осадка по расчету 0,3 см, что в десять раз меньше допустимой по ТСН.
В результате проделанной работы был определён наиболее подходящий тип ограждения котлована для условий площадки с сильно деформируемыми грунтами, рассчитаны и численно определены размеры несущих конструкций котлована, а именно шпунт марки УЬ-606Л, распорки и подкосы из труб 377х12 из стали марки Ст20. Были определены необходимые значения осадки зданий близстоящих от строящегося здания. Значения осадки по расчету получились меньше допустимых для данного региона строительства, из этого можем сделать вывод, что здания и сооружения вблизи застройки не потеряют устойчивость и строительство здания не нарушит их эксплуатацию.
Исходя из выполненных расчетов и принятых мер по укреплению основания, можно сделать вывод, что при необходимости в условиях плотной городской застройки, в условиях сильно деформируемых грунтов возводить сооружения такого типа (высотные здания) возможно и не опасно для окружающей застройки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Р.Э. Дашко, О.Ю. Александрова, П.В. Котюков, А.В. Шидловская Развитие городов и геотехническое строительство. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, 2011.
2. Chang-Yu Ou. Deep Excavations. Theory and Practice. - London, Taylor & Francis, 2006 - 532 p.
3. Верстов В.В. Производство шпунтовых и свайных работ / Верстов В.В., Гайдо А.Н., Иванов Я.В. СПб.: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ЭБС АСВ, 2011. - 292 c.
4. Драновский А.Н., Фадеев А.Б. Подземные сооружения в промышленном и гражданском строительстве. - Издательство Казанского университета, 1993 -355 с.
5. Колыбин И.В. Подземные сооружения и котлованы в городских условиях - опыт последнего десятилетия. - М. : Российская геотехника - шаг в XXI век. Труды юбилейной конференции, посвященной 50-тилетию РОМГГиФ, 2007, на CD диске - 34 с.
6. Конюхов Д.С. Строительство городских подземных сооружений мелкого заложения. - М.: Архитектура, 2005 - 298 с.
7. Смородинов М.И., Федоров Б.С. Устройство фундаментов и конструкций способом «стена в грунте». - М.: Стройиздат, 1986 - 216 с.
8. Геотехнический мониторинг в строительстве. Учебное пособие / Е.М. Грязнова [и др.]. М.: Московский государственный строительный университет, ЭБС АСВ, 2016. - 80 c.
9. Справочник. Основания и фундаменты. Под редакцией проф. Г.И. Швецова. Москва «Высшая школа», 1991.
10. Кушнер С.Г. "Расчет осадок оснований зданий и сооружений" БУДИВЭЛЬНЫК 1990 год - 144 стр.
Trushko Olga Vladimirovna
St. Petersburg Mining university, St. Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
Kutyavin Dmitry Vladimirovich
«Adamini» LLC, St. Petersburg, Russia E-mail: [email protected]
The construction of fore shaft in the conditions of highly deformable subsoils during the construction of a multi-storey business center, taking into account the stability of standing close the buildings and structures
Abstract. In this article calculation of a construction of a fore shaft and possible a deposit from the buildings built in the conditions of dense urban development to St. Petersburg has been executed. The analysis of the most effective types of collision for fastening of fore shaft in difficult engineering-geological conditions is made.
The geotechnical evaluation of a situation on the site of construction has been executed by means of the program complex "Plaxis 3D" on model of the strengthened subsoil ("Hardering Soil") which has allowed to make calculation for a technique of stage-by-stage construction. The numerical analysis has allowed to predict more precisely development setting of ground at the expense of advanced models of subsoil taking into account his nonlinear work at action of loading.
With use of numerical methods of calculation definition of the intense deformed condition of «the massif of subsoil-a brace sheet wall-and-context area» system has been executed.
Calculation of absorbing of the building was carried out in the «Lira CAD» program computer system "Subsoil" which has allowed to establish, that the bearing structures of the designed building meet standard requirements of durability and deformability.
As a result of the done work the most suitable type of a collision of a fore shaft for conditions of the building site with strongly deformable subsoil has been defined, the sizes of the framings fore shaft designs are calculated and in number determined.
Keywords: megacities; construction; model engineering; deformable subsoil; fore shaft; setting of ground
