Комплексный геотехнический мониторинг при устройстве котлована в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга

Заключение

Результаты проведённых теоретических обоснований и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение выштампованных микросвай позволяет повысить предельное давление на основание (несущую способность) до 52%.

2. Согласно теоретическому обоснованию формулы 7, задавшись предварительно размерами сваи, из условия их равновесия, представляется возможность определяеть необходимое количество свай (n) усиления. Расчёты следует проводить в зависимости от требуемой (задаваемой проектировщиком из условий реконструкции) величины силы предельного сопротивления усиленного основания Nuty^).

3. Расхождение между значениями предельных давлений, полученными расчётом с использованием предложенной формулы 6 и по результатам штамповых испытаний закрепленного основания составляет 12%, что можно считать вполне приемлемым.

4. Представленная методика позволяет определять необходимое число микросвай усиления и обоснованно выполнять проектное решение по усилению основания.

Библиографический список

1. Оценка закрепления основания методом пневмотрамбования щебёночноцементной смеси / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2007. - Вып. 4. - С. 88-97.

2. Основы инженерной геологии и механики грунтов / Н. Н. Маслов. - М. : Высшая школа, 1982. - 504 с.

3. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*). - М. : Стройиздат, 1986. - 42 с.

4. Исследование зон уплотнения грунтового основания вокруг

выштампованных микросвай / С. И. Алексеев, Р. В. Мирошниченко // Межвузовский тематический сборник трудов. СПб. : СПб ГАСУ, 2009. - С. 90-94.

5. Руководство по проектированию и устройству заглублённых инженерных сооружений. - М. : Стройиздат, 1986. - 92 с.

Статья поступила в редакцию 18.05.2009; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш.

УДК 624.131

В. В. Богданов

КОМПЛЕКСНЫЙ ГЕОТЕХНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИ УСТРОЙСТВЕ КОТЛОВАНА В ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Аннотация: В статье приведены результаты экспериментальных исследований взаимодействия ограждающих конструкций и грунтового массива. Данная тема является весьма актуальной в связи с ростом объемов подземного строительства в Санкт-Петербурге, связанного с разработкой котлованов под защитой ограждающих конструкций. Фактически представлены результаты первого в городе столь обширного эксперимента такого рода.

ограждающие конструкции, геотехнический мониторинг, котлован, грунтовой массив.

Введение

В последние годы в Санкт-Петербурге резко возрос интерес к освоению подземного пространства центральной части города. Активно ведется разработка концепции большого числа масштабных проектов подземных комплексов. Практически любой новый проект строительства здания в центре города предусматривает устройство одного или нескольких подземных этажей. Условия плотной застройки, высокий уровень грунтовых вод, низкие прочностные и деформационные свойства грунтов предопределяют разработку котлована под защитой ограждения.

Расчет ограждений котлованов, как правило, выполняется по первой группе предельных состояний. При наличии существующей застройки устройство подземного сооружения не должно приводить к развитию сверхнормативных осадок окружающих зданий, что предполагает расчет ограждения и по второй группе предельных состояний. В настоящее время разработано большое число методов расчета ограждений, однако попытка расчета с использованием таких методов приводит к существенно различным, часто противоречащим друг другу результатам.

В городе имеются многочисленные примеры деформации примыкающих сооружений при устройстве рядом с ними подземных объемов. Фактически ни одно подземное строительство не обходилось без деформаций примыкающих зданий. В процессе наблюдений, как правило, осуществляется только измерение осадок зданий, причины же осадок различными экспертами называются различные, зачастую умозрительные, не доказанные фактическими измерениями.

Отсутствие надежных методов прогноза поведения ограждающих конструкций и окружающего массива грунта диктует необходимость организации крупномасштабных экспериментов в конкретных инженерно -геологических условиях. Проведение комплексного эксперимента даст возможность сравнить результаты расчетов с данными натурных наблюдений, позволит выбрать наиболее надежные способы расчета, а также будет способствовать накоплению исследовательской базы по подземному строительству в центре города.

Первым примером проведения комплексного мониторинга при разработке котлована в типичных инженерно-геологических условиях центральной части Санкт-Петербурга была опытная площадка на строительстве вокзального комплекса ВСМ [1]. В настоящей статье рассматривается второй, более развернутый эксперимент на участке строительства второй сцены Г осударственного Академического Мариинского Театра.

1

В геоморфологическом отношении рассматриваемый участок входит в пределы Приневской низменности. В геологическом строении участка до глубины 40,00 м принимают участие современные четвертичные техногенные и морские отложения, верхнечетвертичные отложения озерно-ледникового и ледникового генезиса, верхнепротерозойские отложения вендской системы котлинского горизонта.

В рамках мониторинга были выполнены следующие работы:

1. Наблюдения за уровнем грунтовых вод на примыкающей к котловану территории.

2. Геодезические наблюдения за осадками поверхности грунта, за горизонтальными и вертикальными смещениями верха шпунта.

3. Наблюдения за горизонтальными и вертикальными смещениями массива грунта по сети инклинометрических и экстензометрических скважин.

4. Оценка усилий в распорных конструкциях по данным тензометрических измерений.

Схема расположения контрольно-измерительного оборудования показана на рисунке 1.

Опытный котлован в плане имеет размеры 44.35x12.85 м. Согласно проекту устройства опытного котлована ограждение выполняется из фасонных шпунтовых свай корытного профиля типа AU 18 ARCELOR мерной длины L=21,0 м. Шпунтовые сваи через одну группируются в пакеты по две, образуя замкнутое сечение. Шпунт погружается со дна пионерного котлована, с относительной отметки минус 1,00 м, до относительной отметки минус 22,50 м.

Рис. 1. Схема расположения контрольно-измерительного оборудования на площадке: ГМ - геодезические марки на шпунте; Пм - поверхностные марки; П - пьезометры; И -инклинометры; ИЭ - инклинометры-экстензометры

Горизонтальные усилия, действующие на ограждение опытного котлована от окружающего массива грунта, передаются на балки распорной системы. Распорная система состоит из трех уровней, каждый из которых включает в себя шесть балок. Первый, второй и третий уровни распорных конструкций располагаются, соответственно, на относительных отметках минус 2.5, минус 5.5 и минус 8.5 м.

Согласно проекту, экскавация грунта осуществлялась на 1 м ниже оси распорной системы очередного яруса. Таким образом, глубина экскавации для монтажа первого уровня распорной системы составила порядка 2,3 м, для второго уровня - 5,3 м, третьего - 8,3 м (относительно пионерного котлована). Исполнительная схема этапов откопки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Исполнительная схема этапов откопки котлована

Регулярные наблюдения за уровнем грунтовых вод показали, что шпунтовое ограждение на опытном котловане обладало необходимой сплошностью при откачке воды из котлована. Максимальное понижение уровня грунтовых вод составило 20 см вблизи ограждения, на расстоянии 10.. .15 м от ограждения понижения не наблюдалось.

По результатам геодезических наблюдений по координированию сети марок на шпунте можно заключить, что после экскавации и установки первого яруса распорных конструкций горизонтальные смещения составили от 16 до 41 мм. С расстоянием от шпунтового ограждения величины горизонтальных смещений массива грунта затухают и на расстоянии порядка 15 м от ограждения составляют до 2 - 8 мм. Подобный же характер зависимости с расстоянием от шпунтовой стены имеют и вертикальные составляющие смещений грунтового массива, которые в примыкании к шпунтовому ограждению достигают величин примерно численно равным величинам горизонтальных смещений. На расстоянии до 15 м от шпунтового ограждения вертикальные смещения составляют до 4.5 мм.

На втором этапе экскавации и установки второго яруса распорных конструкций горизонтальные смещения массива грунта, примыкающего к опытному котловану, увеличились и достигли в сумме от 28 до 45 мм. С расстоянием от шпунтового ограждения величины горизонтальных смещений массива грунта затухают и на расстоянии порядка 15 м от ограждения составляют до 10 - 28 мм. Подобный же характер зависимости с расстоянием от шпунтовой стены имеют и вертикальные составляющие смещений грунтового массива, которые в примыкании к шпунтовому ограждению достигают на втором этапе экскавации величин, примерно численно равных величинам горизонтальных смещений. На расстоянии 15 м от шпунтового ограждения вертикальные смещения составляют до 16.21 мм.

На третьем этапе экскавации и установки третьего яруса распорных конструкций горизонтальные смещения массива грунта, примыкающего к опытному котловану, увеличились и достигли в сумме от 23 до 51 мм. С расстоянием от шпунтового ограждения величины горизонтальных смещений массива грунта затухают и на расстоянии порядка 15 м от ограждения составляют до 23 - 41 мм. Подобный же характер зависимости с расстоянием от шпунтовой стены имеют и вертикальные составляющие смещений грунтового массива, которые в примыкании к шпунтовому ограждению достигают на втором этапе экскавации величин, примерно численно равных величинам горизонтальных смещений. На расстоянии до 15 м от шпунтового ограждения вертикальные смещения составляют до 32...49 мм.

На заключительном (четвертом) этапе экскавации котлована горизонтальные смещения массива грунта на расстоянии 15 м от ограждения котлована достигают 42 мм. Соответствующие компоненты вертикальных смещений на расстоянии 15 м от котлована составили на последних циклах наблюдений до 56 мм (рис. 3).

ТАБЛИЦА 1. Перемещения верха шпунта и грунтового массива на этапах откопки котлована по данным геодезических измерений

Этап откопки Горизонтальные смещения верха ограждения котлована, мм Горизонтальные смещения грунтового массива на расстоянии 15 м от котлована, мм Вертикальные смещения грунтового массива на расстоянии 15 м от котлована, мм

I этап 16. ..41 2. .8 4.5

II этап 28. ..45 10. .28 16.21

III этап 23. ..51 23. .41 32.49

IV этап - до 42 до 56

Из графиков рисунка 4 видно, что горизонтальные смещения стены ограждения развиваются на всю глубину погружения шпунта. Деформации грунтового массива снижаются по мере удаления от ограждения. Значения деформаций по этапам разработки котлована представлены в таблице 2.

По результатам инклинометрических измерений на первом этапе экскавации опытного котлована характер графиков развития горизонтальных смещений показывает, что стена ограждения работает по консольной схеме. Наибольшие величины горизонтальных смещений развиваются в верхней части шпунтового ограждения и достигают величин 35 мм (рис. 2), что согласуется с данными геодезии. Из графика видно, что горизонтальные смещения стены ограждения развиваются практически на всю глубину.

Рис. 3. Котлован. Вид на Минский переулок.

Экскавация выполнена до проектной отметки

ТАБЛИЦА 2. Горизонтальные перемещения ограждения и грунтового массива на этапах откопки котлована по данным инклинометрических измерений

Этап откопки котлована Максимальные горизонтальные перемещения ограждения, мм Максимальные горизонтальные перемещения грунтового массива на расстоянии 10 м от котлована, мм

I этап до 35 -

II этап 45..75 до 45

III этап 90...125 55.61

IV этап 95...155 57.63

На втором этапе экскавации и устройстве второго яруса распорных систем максимальные значения горизонтальных смещений стены

ограждения смещаются в интервал глубин 5-8 м от поверхности и составляют 45...75 мм. По данным инклинометров, находящихся на расстоянии 10 м от стены ограждения, горизонтальные смещения достигают 45 мм.

На третьем этапе экскавации и устройстве третьего яруса распорных систем максимальные значения горизонтальных смещений стены

ограждения смещаются в интервал глубин 9-12 м от поверхности и

составляют 90...125 мм. По данным инклинометров, находящихся на расстоянии 10 м от стены ограждения и достигают 55..61 мм.

Рис. 4. Результаты измерений по данным инклинометра № 11

На заключительном этапе экскавации (до проектной отметки дна котлована) максимальные значения горизонтальных смещений стены ограждения преимущественно наблюдались также в интервалах глубин порядка 9-12 м и достигли 95.155 мм. На расстоянии 10 м от стены ограждения горизонтальные смещения увеличились незначительно и составили 57.63 мм.

В целом, данные инклинометрических измерений достаточно хорошо согласуются с данными геодезических измерений по сети поверхностных марок и марок в верхней части шпунтового ограждения.

На рисунке 5 приведены эпюры вертикальных компонент смещений, полученных по данным экстензометрических измерений по скважинам ИЭ № 9.

Рис. 5. Графики развития осадок (мм) глубинных марок в скважине № ИЭ 9 по контрольным циклам наблюдений

По результатам измерений вертикальных перемещений грунта в створе экстензометрических скважин видно, что вертикальные смещения грунта в зонах, непосредственно примыкающих к шпунтовому ограждению, достигают 125 мм (на глубинах порядка 3 м) и далее уменьшаются с глубиной. Значения вертикальных компонент смещений грунтового массива в верхней зоне численно соотносятся с величинами

вертикальных смещений, полученными по данным геодезических наблюдений за поверхностными геодезическими марками. По данным измерений эпюра вертикальных смещений глубинных марок вблизи стены ограждения имеет разные знаки. В нижней части массива (ниже глубины котлована) наблюдается незначительное поднятие глубинных марок, обусловленное влиянием упругой разгрузки массива грунта при экскавации котлована. Влиянием упругой разгрузки, в частности, обусловлено поднятие шпунтовой стены в процессе экскавации котлована. С удалением от котлована эпюры вертикальных смещений имеют одинаковый знак, т.е. наблюдаются только осадки грунтового массива. Осадки грунтового массива (за период наблюдений более 4 месяцев) отмечены на глубину ниже заделки шпунтового ограждения опытного котлована.

В ходе мониторинга также производились измерения усилий в распорных конструкциях с помощью струнных тензометрических датчиков. Результаты измерений усилий в распорных конструкциях опытного котлована:

• Первый уровень распорных конструкций:

Диапазон максимальных усилий - 90.. .120 тс;

Среднее значение наибольших усилий (с учетом шага распорок) - 100 тс;

Среднее значение горизонтальной распределенной нагрузки - 21,2

тс/м.

• Второй уровень распорных конструкций:

Диапазон максимальных усилий - 430.525 тс;

Среднее значение наибольших усилий (с учетом шага распорок) - 470 тс;

Среднее значение горизонтальной распределенной нагрузки - 84,6

тс/м.

• Третий уровень распорных конструкций:

Диапазон максимальных усилий - 326.490 тс;

Среднее значение наибольших усилий (с учетом шага распорок) - 425 тс;

Среднее значение горизонтальной распределенной нагрузки - 70 тс/м.

В целом следует отметить, что в процессе проведенного геотехнического мониторинга выявлен весьма сложный характер деформирования ограждения и изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива вблизи котлована. В связи с чем представляется необходимым устройство опытных площадок для проведения комплексного мониторинга на всех значительных объектах в Санкт-Петербурге, предполагающих устройство подземного пространства, особенно в условиях строительства в исторической части города, где цена проектной ошибки может оказаться слишком высокой.

Заключение

1. Принципиально результаты натурных исследований подтвердили характер деформаций ограждения и массива грунта, полученных на первой экспериментальной площадке [1].

2. Максимальные осадки поверхности практически равны максимальным горизонтальным смещениям ограждения. Учитывая, что для большинства исторических зданий в центральной части Санкт-Петербурга допустимые дополнительные осадки составляют 2 см, при проектировании подземных сооружений в примыкании к ним требуется устройство жестких ограждений с ограничением горизонтальных смещений величиной не более 2 см. Такие ограждения невозможно запроектировать без раскрепления.

3. Осадки поверхности наблюдаются на расстояниях, превышающих глубину устройства ограждения. Зона риска распространяется на большие расстояния. Принимаемые в проектах «отступы» от существующих зданий в несколько метров не исключают сверхнормативных деформаций окружающей застройки.

4. Максимальные горизонтальные смещения раскрепленных ограждений могут происходить ниже дна котлована, в связи с чем наиболее эффективным для снижения перемещений оказывается устройство раскрепления ниже дна котлована. Следовательно, одним из наиболее перспективных направлений при разработке безопасных для окружающих зданий методов вскрытия котлованов является разработка методов глубинного раскрепления (например, струйное закрепление грунта).

5. Далеко не все существующие методы расчета и математические модели грунта позволяют верно выполнять прогноз работы ограждения и массива грунта. Для выбора адекватной теории в конкретных инженерно -геологических условиях требуется набор статистических данных по результатам обширных исследований на площадках строительства. Пока нет таких данных, представляется необходимым организация опытных площадок на всех значительных объектах в Санкт-Петербурге, предполагающих устройство подземного пространства.

Библиографический список

1. Анализ совместной работы шпунтовой стенки и грунтового массива / К. В. Сливец, В. В. Богданов // Геотехника: научные и прикладные аспекты

строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах. - 2008. - С. 76-80.

Статья поступила в редакцию 18.05.2009; представлена к публикации членом редколлегии Т. А. Белаш.