искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 105 , авторов - 329 ,
всего информационных продуктов - 3121 , из них
статей журнала - 647 , статей базы знаний - 85 , новостей - 2213 , конференций - 4 ,
блогов - 8 , постов и видео - 128 , технических решений - 4

© 2016-2019 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Геотехника 

Метод вычисления осадок окружающей застройки при строительстве траншейных «стен в грунте»

Мангушев Рашид Александрович и др.
3 октября 2018 года

В статье демонстрируется, что в результате устройства траншейной «стены в грунте» вокруг будущего котлована осадки находящихся поблизости зданий могут доходить до 70% от общих осадок, вызванных новым строительством. Показывается возможность их расчета с помощью метода конечных элементов. Предлагается эмпирическая зависимость для вычисления технологических осадок окружающей застройки при различных параметрах «стены в грунте». Сравниваются результаты вычислений по предложенной методике (формуле) с фактическими данными, полученными в процессе геотехнического мониторинга на двух объектах, возведенных в центральной части Санкт-Петербурга в условиях плотной городской застройки.

Мангушев Рашид АлександровичЗаведующий кафедрой геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН
Сапин Дмитрий Александрович Доцент кафедры геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, кандидат технических наук

В настоящее время в условиях плотной городской застройки все больше приходится использовать подземное пространство. В исторической части Санкт-Петербурга это в том числе позволяет получать необходимые суммарные площади внутренних помещений зданий без нарушения строгого высотного регламента центра города. При этом в инженерно-геологических условиях Северной столицы, где под культурным слоем залегает мощная толща слабых четвертичных грунтов, необходимо использовать такие технологии, которые обеспечат минимальное влияние нового строительства на окружающую застройку.

Так, ограждение котлована, созданное по методу «стена в грунте», обладает значительно большей жесткостью, чем шпунтовая подпорная стенка или стена из буросекущих свай, и поэтому позволяет строить глубокие котлованы в сложных инженерно-геологических условиях Питера и в непосредственной близости от существующих зданий.

Этот метод заключается в устройстве ограждения путем бетонирования узких (обычно шириной 0,4–1,2 м) и глубоких (иногда более 50 м) траншей под защитой глинистого раствора (при заполнении траншеи бетоном глинистый раствор вытесняется за счет его меньшей плотности).

В сложившейся практике распространено мнение, что дополнительные осадки окружающих строительную площадку зданий при создании траншейной «стены в грунте» незначительны и ими можно пренебречь. Однако с точки зрения авторов такое допущение неправомерно.

Например, на рисунке 1 представлена графическая интерпретация результатов геотехнического мониторинга, выполнявшегося при строительстве двух объектов в условиях плотной застройки в центре Санкт-Петербурга. В обоих случаях вокруг будущего котлована строили «стену в грунте» (глубиной 30 и 29 м). Эти данные показывают, что при уменьшении расстояния между фундаментом соседнего здания и «стеной в грунте» технологические осадки окружающей застройки могут достигать 70% от общей осадки, вызванной новым строительством.

 

Рис. 1. Результаты мониторинга осадок окружающей застройки при строительстве зданий, подземное пространство которых создавалось с использованием технологии «стена в грунте». Для каждой геодезической марки приведены две точки: синяя – осадка в период устройства «стены в грунте»; красная – итоговая осадка построенного здания Рис. 1. Результаты мониторинга осадок окружающей застройки при строительстве зданий, подземное пространство которых создавалось с использованием технологии «стена в грунте». Для каждой геодезической марки приведены две точки: синяя – осадка в период устройства «стены в грунте»; красная – итоговая осадка построенного здания

 

Отметим, что термин «технологические осадки» довольно широк и включает в себя в том числе осадки зданий, вызванные грубым нарушением технологий строительства (например, несоблюдением требуемой плотности глинистого раствора, перебором грунта, чрезмерным динамическим воздействием на тиксотропные грунты при проходке валунов и т.д.), но в данной статье такие случаи не рассматриваются.

С целью оценки влияния устройства траншейной «стены в грунте» на существующие здания поблизости было выполнено численное моделирование. Для этого территорию города предварительно разделили на несколько типовых районов с характерными геологическими разрезами с использованием в качестве основы районирования, предложенного Л. Г. Заварзиным (рис. 2) [2, 5]. Им изучалось строение толщи четвертичных отложений до кровли лужской морены. Но в нашем случае этих данных оказалось недостаточно. Поэтому геологические разрезы районов, предложенные Заварзиным, были дополнены до кровли коренных пород с помощью материалов из «Геологического атласа Санкт-Петербурга» [1] (рис. 3).

 

Рис. 2. Разделение территории Санкт-Петербурга на районы по типам геологических разрезов, предложенное Л.Г. Заварзиным [2, 5] Рис. 2. Разделение территории Санкт-Петербурга на районы по типам геологических разрезов, предложенное Л.Г. Заварзиным [2, 5]

 

Рис. 3. Разрезы для инженерно-геологических районов, предложенных Л.Г. Заварзиным [2, 5] (см. рис. 2), дополненные по данным «Геологического атласа Санкт-Петербурга» [1] Рис. 3. Разрезы для инженерно-геологических районов, предложенных Л.Г. Заварзиным [2, 5] (см. рис. 2), дополненные по данным «Геологического атласа Санкт-Петербурга» [1]

 

Сотрудниками «Треста ГРИИ» было выполнено исследование физико-механических характеристик грунтов Санкт-Петербурга, результаты которого приведены в составленном ими отчете [8]. Обобщение полученных ими данных приведено в таблице 1.

 

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов Санкт-Петербурга (по [8])

Характеристика

Характерный тип грунта, геол. индекс

Твердые

глины,Vkt

Валунные

суглинки

тугопластичные,

g III

Ленточные

мягкопластичные

суглинки,

lg III

От песков

до глин

с включением

органики,

ml IV

Естественная влажность w, %

14±2

20±5

35

40

Объемная масса (плотность) ρ, г/см3

2,20±0,05

2,10±0,05

1,9

1,8

Коэф. пористости е’, безразм.

0,50±0,05

0,53±0,10

0,85

1,08

Модуль деформации E, МПа

30±5

20±3

7,5

10,0

Угол внутреннего трения φ, град.

25±3

23±4

20

18

Удельное сцепление с, кПа

45±15

40±20

15

20

 

При составлении расчетной схемы значения конструктивных параметров зданий принимались на основе фактических материалов, полученных сотрудниками кафедры геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПбГАСУ) в разные годы при обследованиях городской застройки.

Большинство питерских зданий дореволюционной постройки являются бескаркасными, кирпичными, с тремя несущими продольными стенами. Их фундаменты состоят из бутовой кладки толщиой 1–2 м с глубиной заложения 2–3 м. Пролеты этих зданий имеют величину от 5 до 6 м. Нагрузка передаваемая фундаментами на грунт, обычно составляет от 200 до 250 кПа.

В качестве варьируемых параметров расчетной модели рассматривались: длина захватки траншейной «стены в грунте»; ширина захватки; удельный вес глинистого раствора; расстояние от захватки «стены в грунте» до ближайшего фундамента окружающей застройки.

Глубина «стены в грунте» при численном моделировании была принята с учетом требований норм проектирования, в частности СП 50-101-2004 (п. 10.8): «…при проектировании подпорных стен котлованов в водонасыщенных грунтах глубину заложения стены следует назначать с учетом возможности ее заделки в водоупорный слой с целью производства экскавации грунта без применения мероприятий по водопонижению…».

В соответствии с п. 5.6.40 СП 22.13330.2011 водоупорным может считаться слой с индексом текучести IL < 0,25 и коэффициентом фильтрации kф < 10-5 м/сут. Этим требованиям в Санкт-Петербурге отвечают только вендские и кембрийские глины, залегающие под четвертичными отложениями (на глубине от 25 м) в центральных районах города.

Решение поставленной задачи возможно с применением численных методов в пространственной постановке при моделировании «стены в грунте» объемными элементами (с использованием метода конечных элементов – МКЭ). В данной работе применялся программный комплекс Plaxis 3DF.

Для расчета технологической осадки было необходимо смоделировать основные этапы устройства «стены в грунте»:

  • разработку траншеи под глинистым раствором;
  • заполнение траншеи литым бетоном с вытеснением глинистого раствора;
  • готовый участок стены в грунте после затвердевания бетона.

Воздействие глинистого раствора и литого бетона моделировалось с помощью назначения соответствующего гидростатического давления на стенки захватки траншеи. Затвердевший бетон моделировался как линейно-упругий материал с модулем упругости Е = 30 000 МПа.

Для выполнения численного эксперимента были выбраны два геологических района в центральной части Санкт-Петербурга – № 3 и 6 (см. рис. 2). В этих районах были построены здания, имеющие подземные этажи. Для ограждения их котлованов использовалась технология «траншейная стена в грунте». На всех этапах строительства проводился регулярный геодезический мониторинг вертикальных перемещений окружающей застройки.

Результаты расчетов осадок зданий, вызванных устройством «стен в грунте», в зависимости от различных параметров для геологического района № 3 (см. рис. 2) приведены в таблице 2 и на рисунке 4.

 

Рис.&nbsp;4. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояний до &#171;стены в грунте&#187; для геологического района №&nbsp;3 (см&nbsp;рис.&nbsp;2). Точки показывают фактические данные. Красная и зеленая кривые&nbsp;– экспоненциальные линии трендов для минимального и максимального влияния устройства &#171;стены в грунте&#187; соответственно. Буквенные обозначения: s&nbsp;– осадка существующего здания вблизи строительной площадки; l&nbsp;– расстояние между зданием и &#171;стеной в грунте&#187; на уровне дневной поверхности; e&nbsp;– основание натурального логарифма (число &#171;e&#187;, или постоянная Эйлера) Рис. 4. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояний до «стены в грунте» для геологического района № 3 (см рис. 2). Точки показывают фактические данные. Красная и зеленая кривые – экспоненциальные линии трендов для минимального и максимального влияния устройства «стены в грунте» соответственно. Буквенные обозначения: s – осадка существующего здания вблизи строительной площадки; l – расстояние между зданием и «стеной в грунте» на уровне дневной поверхности; e – основание натурального логарифма (число «e», или постоянная Эйлера)

 

Рис. 5. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояний до &#171;стены в грунте&#187; для геологического района №&nbsp;6 (см&nbsp;рис.&nbsp;2). Точки показывают фактические данные. Красная и зеленая кривые&nbsp;– экспоненциальные линии трендов для минимального и максимального влияния устройства &#171;стены в грунте&#187; соответственно. Буквенные обозначения: s&nbsp;– осадка существующего здания вблизи строительной площадки; l&nbsp;– расстояние между зданием и &#171;стеной в грунте&#187; на уровне дневной поверхности; e&nbsp;– основание натурального логарифма (число &#171;e&#187;, или постоянная Эйлера) Рис. 5. Осадки существующих зданий в зависимости от расстояний до «стены в грунте» для геологического района № 6 (см рис. 2). Точки показывают фактические данные. Красная и зеленая кривые – экспоненциальные линии трендов для минимального и максимального влияния устройства «стены в грунте» соответственно. Буквенные обозначения: s – осадка существующего здания вблизи строительной площадки; l – расстояние между зданием и «стеной в грунте» на уровне дневной поверхности; e – основание натурального логарифма (число «e», или постоянная Эйлера)

 

Таблица 2

Осадки здания при устройстве вблизи него траншейной «стены в грунте» для инженерно-геологического района № 3 (см. рис. 2)

 

Параметры

захватки, м

Удельн. вес

глинист. р-ра

γ,

кН/м3

Расстояние от «стены в грунте» до здания на уровне дневной поверхности, м

1

5

10

Осадки под подошвами фундаментов, мм

bзахв

l захв

s1

s2

s3

s1

s2

s3

s1

s2

s3

1,2

3,3

12,5

18

13

7

10

10

4

5

7

3

11,7

22

16

8

12

12

5

7

8

4

11,0

26

19

9

14

14

6

8

10

4

2,6

12,5

15

11

5

8

8

3

4

5

2

11,7

17

12

6

9

10

4

5

7

3

11,0

20

15

7

11

11

5

7

8

3

2,0

12,5

12

8

4

6

7

3

4

5

2

11,7

14

11

5

8

8

3

5

6

2

11,0

16

12

6

10

10

4

5

7

3

1,0

3,3

12,5

17

13

6

9

9

4

5

7

3

11,7

21

16

7

11

11

5

7

8

3

11,0

24

19

9

14

14

6

8

10

4

2,6

12,5

14

11

5

7

7

3

4

5

2

11,7

17

12

6

9

9

4

5

6

2

11,0

20

15

7

11

11

5

6

7

3

2,0

12,5

11

8

4

6

6

2

3

5

2

11,7

13

10

4

7

8

3

4

6

2

11,0

15

12

6

9

9

4

5

7

2

0,8

3,3

12,5

17

12

5

9

9

4

5

6

2

11,7

20

14

7

11

11

4

6

8

3

11,0

24

17

8

13

13

6

7

9

3

2,6

12,5

14

10

5

7

7

3

4

5

2

11,7

17

12

5

8

8

3

5

6

2

11,0

19

15

6

10

10

5

5

7

2

2,0

12,5

10

8

3

5

6

2

3

4

2

11,7

12

10

4

7

7

3

4

5

2

11,0

14

11

5

8

8

3

4

6

2

Примечание: s1, s2, s3 – осадки соответственно ближнего, среднего и дальнего от «стены в грунте» фундамента.

 

 

Таблица 3

Осадки здания при устройстве вблизи него траншейной «стены в грунте» для инженерно-геологического района № 6 (см. рис. 2)

 

Параметры

захватки, м

Удельн. вес

глинист. р-ра

γ, кН/м3

Расстояние от «стены в грунте» до здания на уровне дневной поверхности, м

1

5

10

Осадки под подошвами фундаментов, мм

bзахв

l захв

s1

s2

s3

s1

s2

s3

s1

s2

s3

1,2

3,3

12,5

18

13

5

9

9

3

6

7

2

11,7

22

15

7

12

12

5

7

8

3

11,0

25

18

9

14

13

5

8

10

4

2,6

12,5

15

10

5

8

8

3

4

5

2

11,7

17

13

6

9

9

4

5

6

3

11,0

20

15

7

10

10

4

6

7

3

2,0

12,5

12

8

4

6

6

2

4

5

2

11,7

14

11

6

8

8

3

5

6

2

11,0

16

13

6

9

9

4

5

7

3

1,0

3,3

12,5

18

12

5

9

9

3

5

6

2

11,7

21

15

7

11

11

4

7

8

3

11,0

25

17

8

13

13

5

8

9

4

2,6

12,5

14

10

5

7

7

3

4

5

2

11,7

17

13

5

9

9

4

5

6

3

11,0

20

15

7

10

10

4

6

7

3

2,0

12,5

11

8

4

6

6

2

3

5

2

11,7

13

10

4

7

7

3

4

5

2

11,0

15

11

5

8

8

3

5

7

2

0,8

3,3

12,5

17

12

5

8

8

3

5

6

2

11,7

20

14

7

10

10

4

7

7

3

11,0

24

17

8

12

12

5

8

8

4

2,6

12,5

14

10

5

7

7

3

4

5

2

11,7

17

12

5

8

8

3

4

6

2

11,0

19

13

6

10

10

4

6

7

3

2,0

12,5

10

7

3

5

5

2

3

4

2

11,7

12

9

4

7

7

3

4

5

2

11,0

14

11

5

8

8

3

4

6

2

Примечание: s1, s2, s3 – осадки соответственно ближнего, среднего и дальнего от «стены в грунте» фундамента.

 

В таблице 3 и на рисунке 5 представлены соответствующие результаты для геологического района № 6 (см. рис. 2).

Полученные результаты демонстрируют хорошую сходимость, несмотря на некоторые различия инженерно-геологических условий районов № 3 и 6 (см. рис. 2).

На основе проведенного анализа была предложена следующая формула для расчета дополнительной осадки здания при устройстве около него траншейной «стены в грунте»:

,

где s  осадка фундаментамм; A, B  коэффициенты, зависящие от геометрических и технологических (плотности глинистого раствора) параметров захватки «стены в грунте», а также от грунтовых условий; e  основание натурального логарифма (число «e», или постоянная Эйлера), примерно равное 2,72; L  расстояние от фундамента существующего здания до «стены в грунте»м; α – коэффициент запаса, равный 1,3 (его предлагается вводить для вычисления максимальной осадки вследствие того, что коэффициенты А и В были определены путем статистической обработки результатов расчетов).

В таблице 4 приведены коэффициенты А и В для геологических условий центральной части Санкт-Петербурга при различных параметрах «стены в грунте», полученные на основе проведенных расчетов.

 

Таблица 4

Значения коэффициентов А и В в предложенной формуле для геологических условий центральной части Санкт-Петербурга при различных параметрах «стены в грунте», полученные на основе проведенных расчетов

Параметры

захватки, м

Удельн. вес

глинист. р-ра

γ, кН/м3

А

В

bзахв

lзахв

1,2

3,3

12,5

19

-0,07

11,7

23

-0,07

11,0

28

-0,08

2,6

12,5

17

-0,08

11,7

17

-0,07

11,0

22

-0,08

2,0

12,5

12

-0,07

11,7

16

-0,08

11,0

18

-0,07

1

3,3

12,5

17

-0,07

11,7

23

-0,08

11,0

27

-0,07

2,6

12,5

15

-0,08

11,7

19

-0,08

11,0

22

-0,08

2,0

12,5

11

-0,07

11,7

14

-0,07

11,0

18

-0,08

0,8

3,3

12,5

19

-0,08

11,7

22

-0,08

11,0

27

-0,08

2,6

12,5

15

-0,08

11,7

19

-0,09

11,0

22

-0,08

2,0

12,5

10

-0,07

11,7

14

-0,07

11,0

16

-0,08

 

Для проверки корректности предлагаемого способа расчета технологической осадки были сопоставлены результаты вычислений по предложенной зависимости и данные наблюдений за зданиями рядом с двумя строительными объектами в геологических районах № 3 и 6 (см. рис. 2). Каждое из рассмотренных зданий имеет подземный паркинг, а ограждение котлована в обоих случаях было выполнено по технологии «стена в грунте» с использованием захваток длиной 3,3 м. Их ширина составила соответственно 0,8 м и 1,0 м для районов № 3 и 6 (см. рис. 2).

Результаты сопоставления для районов № 3 и 6 представлены на рис. 6 и 7 соответственно. Предлагаемая формула для оценки технологических осадок дала приемлемую для инженерных расчетов сходимость с данными инструментального геотехнического мониторинга. Это позволяет рекомендовать предлагаемое решение для практического применения при оценке дополнительных осадок соседних зданий при устройстве около них траншейных «стен в грунте» для соответствующих инженерно-геологических районов или районов со сходными условиями.

 

Рис. 6. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий рядом с двумя строительными объектами в геологическом районе №&nbsp;3 (см.&nbsp;рис.&nbsp;2). Синими точками отмечены осадки окружающей застройки, полученные за время устройства &#171;стены в грунте&#187;. Для сравнения&nbsp;приведен график зависимости, предлагаемой автором (штриховая красная линия&nbsp;) Рис. 6. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий рядом с двумя строительными объектами в геологическом районе № 3 (см. рис. 2). Синими точками отмечены осадки окружающей застройки, полученные за время устройства «стены в грунте». Для сравнения приведен график зависимости, предлагаемой автором (штриховая красная линия )

 

Рис. 7. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий рядом с двумя строительными объектами в геологическом районе №&nbsp;6 (см.&nbsp;рис.&nbsp;2). Синими точками отмечены осадки окружающей застройки, полученные за время устройства &#171;стены в грунте&#187;. Для сравнения&nbsp;– график зависимости, предлагаемой автором (штриховая красная линия) Рис. 7. Сопоставление измеренных технологических осадок существующих зданий рядом с двумя строительными объектами в геологическом районе № 6 (см. рис. 2). Синими точками отмечены осадки окружающей застройки, полученные за время устройства «стены в грунте». Для сравнения – график зависимости, предлагаемой автором (штриховая красная линия)

 

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы.

Фундаменты соседних зданий при устройстве вблизи них траншейной «стены в грунте» получают дополнительные осадки, значения которых могут достигать нескольких сантиметров и доходить до 70% от суммарных дополнительных осадок окружающей застройки за весь период строительства.

Такими величинами осадок пренебрегать недопустимо, и при проектировании конструкций с использованием технологии «траншейная стена в грунте» в стесненных условиях сложившейся застройки необходимо учитывать и оценивать развитие технологических осадок соседних зданий.

При оценке величины технологической осадки возможно использование предложенной авторами формулы, обеспечивающей приемлемую сходимость с результатами наблюдений на реальных объектах, построенных в инженерно-геологических условиях исторического центра Санкт-Петербурга.

 

Список литературы (в алфавитном порядке)
  1. Геологический атлас Санкт-Петербурга. СПб: Комильфо, 2009. 57 с.
  2. Заварзин Л.Г. Разработка методики инженерно-геологического картирования применительно к Ленинграду: отчет по научно-исследовательской госбюджетной теме (Н-13)/18/ЛИСИ. Л., 1975.
  3. Мангушев Р.А., Веселов А.А., Конюшков В.В., Сапин Д. А. Численное моделирование технологической осадки соседних зданий при устройстве траншейной «стены в грунте» // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 5 (34). С. 87–98.
  4. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Технологические осадки зданий и сооружений в зоне влияния подземного строительства. М.: АСВ, 2017. 168 с.
  5. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И., Сапин Д.А.  Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М., СПб: АСВ, 2013. 256 с.
  6. Мангушев Р.А., Осокин А.И., Сотников С.Н. Геотехника Санкт-Петербурга. Опыт строительства на слабых грунтах. М.: АСВ, 2018. 386 с.
  7. Морарескул Н.Н., Заварзин Л.Г. Опыт типизации оснований и фундаментов в районах массовой застройки. Л.: ЛДНТП, 1984. 32 с.
  8. Отчет по составлению обобщенной карты инженерно- геологического районирования территории Ленинграда и Лесопарковой зоны (для подземного строительства). Шифр 378–78(33). Л.: Трест ГРИИ, 1978.
  9. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. М.: АСВ, 2016. 1040 с.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению