Корректировка метода расчета осадок зданий при подземном строительстве на основе экспериментальных исследований

4/2010

ВЕСТНИК

МГСУ

КОРРЕКТИРОВКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОСАДОК ЗДАНИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

CORRECTION OF CALCULATION METHOD OF BUILDINGS SETTLEMENTS DURING UNDERGROUND CONSTRUCTION BASING ON THE DATA OF EXPERIMENTAL RESEARCH

Аннотация. На основе данных экспериментальных исследований при подземном строительстве в Москве приводятся корректирующие коэффициенты к формулам осадки существующей застройки.

Abstract. The paper contents correcting coefficients for formula of nearby building during underground construction in Moscow, basing on the data of experimental research.

Данные натурных наблюдений за деформациями оснований существующих зданий и сооружений в зоне влияния глубоких котлованов и подземных коммуникаций, а также конструкций возводимых объектов и прилегающего грунтового массива позволяют уточнять геотехнические прогнозы при подземном строительстве. В связи с этим на заседании технического комитета по подземному строительству в мягких грунтах (ТС 28), проводившемуся в рамках работы XVII конгресса ICSMGE в Александрии в октябре 2009 г., было принято решение о продолжении формирования комитетом банка «data base» (натурных наблюдений).

Ниже приводятся результаты работы членов РОМГиФ в этом направлении. Автором при консультативном участии акад. РААСН, д.т.н., проф. В.А.Ильичева и д.т.н. проф. Е.Б.Кореневой (2006) [1] был разработан эмпирико-аналитический метод расчета деформаций оснований зданий вблизи глубоких ( более 5 м ) котлованов.

Формула для определения осадки здания на ленточных фундаментах по его длине вблизи котлована имеет следующий вид:

Н.С. Никифорова

N.S. Nikiforova

МГСУ, нииосп

м

где:

Ь 2 e

¥=-^г-; Чп(£)=6^со^;

2Я

Чпт й = е вш £ = Лх; 1 = ;

[к] =кн/м3- коэффициент постели основания ; [ЕТ] =кН*м2/м -погонная изгибная жесткость здания (зависит от количества этажей); д - давление по подошве ленточного

фундамента здания; Кг - коэффициент, учитывающий влияние типа распорных конструкций в котловане, [Ь]- расстояние от здания до котлована, [Нк] - глубина котлована, [х]= м -координата точки по длине здания, х =0 - на ближайшем к котловану конце здания; /1- эмпирический коэффициент, характеризующий максимальную осадку поверхности за пределами котлована и , отнесенную к глубине котлована Нк.

Для определения величины ЕТ для зданий различной этажности можно использовать таблицу 1. Эта таблица рекомендована I N Бгат^ & Т I. ЛёёепЪгооке, 2002 [6] для определения влияния веса и жесткости здания на осадку поверхности над тоннелем. При этом считается, что и-этажное здание состоит из и+1 перекрытий.

_Таблица 1

Здание ЕТ, кНм2/м

Плита 6,47*103

1 этаж 2,00 *107

3 этажа 6,00 *108

5 этажей 6,98 *108

10 этажей 4,39 *109

Значения коэффициента постели можно определять по формуле М.И.Горбунова-

Е0

Посадова: К = 1,14-0-, где Ео- модуль деформации грунта; О - коэффи-

(1 -и )а

циент Пуассона грунта (У=0,3 для песков; У=0,35-для супесей и суглинков и У=0,4 -для глин); ОС - ширина штампа.

Для узких длинных балок шириной В при отношении ее длины в ширине СС> 10

V 71 Е0

К определяется по ф.(6.128), приведенной в [3] : К =----

2

Величину коэффициента постели к можно ориентировочно принимать согласно рекомендациям С.Б.Ухова и др., 1994 [4]:

(0,3...1)*104 кН/м3 - при Е0 <10 МПа; (1...3)*104 кН/м3 - при Е0 =10.20 МПа ; (3.. ,8)*104 кН/м3 - при Е0 = 20.35 МПа.

Анализируя величины измеренных осадок зданий в зоне влияния глубоких котлованов в Москве, автор ввел поправочный коэффициент Кг к величине осадки в формулу (1) для трех видов крепления ограждения котлована - анкеров, распорок и плит перекрытий. Поправочный коэффициент равен: К^ =3,0; Ка/п =4,6; Кр/„ =1,5, где а -анкера; п -железобетонные перекрытия; р - распорки из металлических труб.

Согласно исследованиям зарубежных авторов Напшк О е! а1 (2003) [7] /¡=(0,1...10,1)% от Нът.е. в среднем/1 составляет 1,1% от Нк . Возникла необходимость в уточнении величины/1 для условий г.Москвы.

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Деформации грунтового массива, вмещающего глубокие котлованы, изучались нами на объектах: торгово-рекреационный комплекс (ТРК) «Охотный ряд» на Манежной площади, участке третьего транспортного кольца в районе Ленинского проспекта в процессе проведения геотехнического мониторинга в соответствии с разработанными проектами.

Для проведения измерений деформаций грунтового массива на Манежной площади и прилегающих улицах и проездах Фундаментпроектом была создана сеть грунтовых марок из знаков (точек, накерненных на обечайках колодцев подземных коммуникаций глубиной заложения от 2 до 4 м; грунтовых стальных трубчатых марок глубиной заложения от 2 до 12 м; кустов грунтовых реперов на различных глубинах по лучевым створам -17 реперов глубиной от 10 до 30 м). Измерения производились Фундаментпроектом по программе 4 класса с помощью высокоточной тотальной станции «Geodimeter-540».

Деформации грунтовых марок, расположенных вблизи котлована на глубине 2,0 м, представлены в табл.2

Таблица 2

Расположение грунтовых марок Осадка, иу?,шш Горизонтальное перемещение, щ ,мм иV,/ и

Ул. Моховая 13 6,5 2,0

Гост. Москва 14,0 5,0 2,8

Александровский сад 12,5 10,5 1,14

Рис. 1 Вертикальные и и горизонтальные перемещения щ грунтового массива вблизи котлована на объекте ТРК «Охотный ряд» в Москве

Максимальные перемещения глубинных марок, установленных в грунтовом массиве на Манежной площади (рис.1), наблюдались вблизи его поверхности и в непосредственной близости от котлована. При этом среднее значение величины составило

¡1

и„

Я,,

*100%= 0,2%

К сожалению, измерения деформаций грунтового массива проводится в Москве далеко не для всех объектов с подземной частью, тогда как измерения ограждения котлованов стало неотъемлемой частью геотехнического мониторинга. Поскольку

осадка поверхности за пределами котлована зависит от перемещений его ограждения, нами был создан банк данных по перемещениям ограждения котлованов различных конструкций для инженерно-геологических условий г.Москвы.

По характеру напластования грунтов инженерно-геологические условия всех строительных площадок были разделены на три типа из условия, что подстилающие техногенные отложения грунты составляют более 60% в общей толще грунтового массива, вмещающего подземное сооружение (в скобках указана толщина насыпного слоя) :

I - насыпные грунты (2-5 м), пески от мелких до гравелистых, средней плотности и плотные (^ =25-39град.; с =0-4 кПа; Е = 23-47 МПа);

II - насыпные грунты (2-5 м), суглинки и глины от полутвердых до тугопластич-ных ($ =14-25рад.; с =10-40 кПа; Е = 18-40 МПа);

III - насыпные грунты (2-5 м), пески пылеватые рыхлые (IIIa -tp =18-20 град.; с =0-4 кПа; Е = 11-12МПа) или суглинки и глины от мягкопластичных до текучих, возможно с органикой (III6 =6-19 град.; с =11-30 кПа; Е = 2-12МПа).

Для выполнения наблюдений за горизонтальными перемещениями ограждающих конструкций использовалась аппаратура:

1. Светодальномер СП-2 «Топаз» в комплекте с контрольными марками, установленными на ограждающей конструкции котлована в уровне ее верха, и опорными марками, установленными на объектах, не попадающих в зону влияния котлована.

2. Геодиметр-540 шведской фирмы Geotronic в комплекте с аналогичными марками.

Марки устанавливались в местах, соответствующих расчетным сечениям, назначенным геотехническим моделированием.

Инклинометрические измерения проводились для определения горизонтальных перемещений по глубине ограждающих конструкций котлована в виде «стены в грунте» траншейного типа на ряде московских объектов: жилой дом в пер.Капранова, административный комплекс на ул.Коровий Вал и др. Методика измерений была разработана в ОИФЗ РАН и ОАО «ДЕМОС». До начала работ по бетонированию ограждающей конструкции в каркас устанавливались металлические трубы до низа «стены в грунте» с заглушкой. В скважину опускался прибор - инклинометр НИ-2, разработанный и изготовленный в ОИФЗ РАН. Производились измерения наклонов скважин с целью определения наклона «стены в грунте».

В качестве примера ниже показаны: общий вид административно-жилого комплекса «Неглинная -плаза» на ул.Рождественка с 3-5 подземными и 3-4 надземными этажами, строительство Рис.2 Административно-жилой ком-

которого велось методом «top-down» плекс «Неглинная-плаза»

(рис.2); инклинометрические скважины в

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

«стене в грунте» (рнс.3); перемещения стены в грунте по глубине по данным инкли-нометрических измерений (рис.4).

Рис. 3. Инклинометрические скважины в «стене в грунте» на объекте «Неглинная-плаза»

9Щ 'стены»грунте" |__Согласно исследованиям Clough, G W,

and O' Rourke, T D, 1990 [5] величина

max <TT

uh IHK для глин и песков по результатам

обобщения многочисленных экспериментальных наблюдений находится в пределах от 0,2...0,5 %, а по уточненным данным Moormann, Ch & Moormann, H R, 2002 [9] -0,5.1,0%., то есть этот диапазон равен 0,2.1,0%. В то же время на московских строительных объектах эта величина составляет от 0,1 до 0,3%. Это можно объяснить двумя причинами: проектированием с большим «запасом» (коэффициент устойчивости ограждения), а также применением новых технологий, обеспечивающих минимизацию деформаций ограждающих конструкций и грунтового массива -технологий «top-down» и «semi- top-down».

На основе анализа экспериментальных данных по перемещениям ограждения котлована и осадкам соседних зданий значение коэффициента ft можно принимать ft = -0,2*10-2.

Для расчетов осадки здания по его длине (х) вблизи глубоких котлованов в зависимости от расстояния от здания до котлована L автором были составлены вспомогательные таблицы для различных значений q, EJ, ft, к, Нк.

Назначение эмпирических коэффициентов, полученных из данных натурных наблю-

-40 -30 -20 -1<3 в II) ТЪризолапьныеперемещЕния и...мм >

Рис. 4. Горизонтальные перемещения «стены в грунте» по данным инклинометрических измерений на объекте «Неглинная-плаза»

дений, позволило получить хорошую сходимость осадки, рассчитанной по предлагаемому методу, с величинами, определенными численным методом с помощью программы РЬЛХ1Б, и замеренными в натуре (В.А.Ильичев, И.С.Никифорова, Е.Б.Коренева, 2006[1]).

Результаты проведенных в НИИОСПе им.Н.М.Герсеванова измерений относительных горизонтальных перемещений ограждающих конструкций котлованов в Москве сведены в табл.3.

Таблица 3

Вид ограждения котлована: Максимальные горизонтальные max перемещения, Uh , мм max ^ Uh fh = h *100% Hk Средние значения и max f = h *100% hc H для инженерно-геологических условий I,II, III типов

Ж.б. перекрытия Распорки Анкера Ж.б. перекрытия Распорки Анкера

«Стена в грунте» траншейного типа или из буросекущихся свай 2 0,01 (14.49 0,07 .0,35 при консоли hk=8,0M) 11.45 0,13.0,41 28-74 0,2.0,51 0,1 0,2 0,3

«Стена в грунте» из ^е^свай - 5.26 0,05.0,11 - - 0,1 -

Шпунтовое ограждение из труб - 10.46 0,14.0,41 - - 0,3 -

В последующие годы при участии автора НИИОСПом им.М.Н.Герсеванова велись наблюдения за перемещениями ограждающих конструкций котлованов уникальных объектов в Москве. Согласно распорядительным документам Москомархитектуры среди объектов проектирования, рассматриваемых Архитектурным советом г.Москвы, встречаются объекты особой значимости и сложности, которые относятся к категории «уникальных объектов». Одним из критериев уникальности объекта является заглубление подземной части объекта (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли более чем на 10 м.

Геотехнический мониторинг показал, что горизонтальные перемещения щтах ограждения котлованов из «стены в грунте» уникальных объектов в Москве находятся в диапазоне 40-90 мм. При этом относительная величина горизонтальных перемещений

ограждения котлованов и^/Дс =0,3-0,5%, тогда как для котлованов средних

размеров и не расположенных в сложных инженерно-геологических условиях даже при глубине более 10 м эта величина, как указывалось выше, составляет в среднем 0,2%. При значениях 0,3-0,5% в случае глубины котлована 10-20 м возникают значительные перемещения прилегающего к «стене в грунте» грунтового массива, что может привести к большим осадкам как фундаментов соседних зданий, так и коммуникаций. Кроме того, возможно возникновение дефектов в самой конструкции «стены в грунте», что приводит к снижению ее эксплуатационной надежности. Для исключе-

4/2010 М1 ВЕСТНИК

ния этого с нашей точки зрения было бы полезно установить величину предельных горизонтальных перемещений для ограждающих конструкций котлованов.

При назначении защитных мероприятий для зданий, например, усиления его фундаментов сваями, к расчетной осадке, полученной по вышеописанному методу, следует добавить осадку, вызванную технологией производства работ. Величины технологической осадки рассмотрены автором в работе [2].

К величине осадки зданий в зоне влияния строительства объекта с подземной частью от откопки котлована необходимо добавлять осадку от веса самого строящегося здания. В случае, если это здание возводится на глубоких опорах (баретах, буровых сваях), опирающихся на практически несжимаемые грунта, например известняки, как это имело место на большинстве объектов в Москве, величина этой осадки существенно меньше осадки от откопки котлована. Метод также рекомендован для прогноза деформаций оснований зданий в зоне влияния строительства транспортных тоннелей, возводимых открытым способом.

Другой пример уточнения формулы Р.Пека, позволяющей прогнозировать осадку земной поверхности при прокладке тоннелей, приведен в статье В.А.Ильичева и др. (2009) [8]. На основе данных натурных и численных исследований творческим коллективом при участии автора был разработан инженерный метод расчета осадки поверхности при строительстве коммуникационных тоннелей мелкого заложения в Москве.

Выводы

1. На основе натурных наблюдений за деформациями конструкций объектов с подземной частью, вмещающего их грунтового массива и окружающей застройки были получены эмпирические коэффициенты, для формулы осадки зданий в зоне влияния глубоких котлованов и деформаций поверхности при строительстве мелкозаглуб-ленных коммуникационных тоннелей в инженерно-геологических условиях Москвы.

2. Экспериментальным путем установлено, что в среднем относительная величина горизонтальных перемещений ограждения котлованов в инженерно-геологических условиях Москвы равна 0,2 %. Но для уникальных объектов, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях, при глубине котлована более 10 м, эта величина достигает 0,3-0,5% . Это может привести к большим осадкам как фундаментов соседних зданий, так и коммуникаций., а также возникновению дефектов в самой конструкции «стены в грунте» и снижению ее эксплуатационной надежности. Представляется полезным установить величину предельных горизонтальных перемещений для ограждающих конструкций котлованов.

3. Создание банка данных натурных наблюдений за деформациями оснований и конструкциями возводимых зданий и сооружений с подземной частью позволяет корректировать существующие расчетные методы осадок и разрабатывать эмпирические и полуэмпирические методы, дающие удовлетворительные результаты для проектирования и строительства.

Литература

1. Ильичев В.А., Никифорова Н.С.,Коренева Е.Б. Метод расчета деформаций оснований зданий вблизи глубоких котлованов.//Основания, фундаменты и механика грунтов.- 2006.- №6.-с.2 -6.

2. Никифорова Н.С. Снижение геотехнического риска при устройстве глубоких котлованов в городских условиях// Основания, фундаменты и механика грунтов.- № 5.- 2005.- с.12. ..16.

3. Справочник проектировщика «Основания, фундаменты и подземные сооружения»/ Под общ. ред. Е.А.Сорочана и Ю.Г. Трофименкова.-М.: Стройиздат, 1985.- 480 с.

4. Ухов С.Б. и др. /Механика грунтов, основания и фундаменты. -М.: АСВ, 1994.- 527 с.

5. Clough, G W, and O' Rourke, T D Construction induced movements of in situ walls/Design and performance of earth retaining structures. ASCE.- New York: GSP, 1990.- № 25.- pp 439-470.

6. Franzius, J N & Addenbrooke, T I The influence of building weight on the relative stiffness method of predicting tunnelling-induced building deformation // Proc. the 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground» 1st Session:Design methods of tunnels: Stability, settlements, and tunnel linings.- Toulouse, France, 23-25 October, 2002.-pp 53 -57.

7. Hannik G, Brassinga H E, van Meerten, J J, de Wit, M S Toward a risk design of underground construction on urban areas // Proc. the XIIIth European conf. on soil mechanics and geotech-nical engineering. «Geotechnical problems with man-made and man influenced grounds. Main Session 4: Foundation in urban areas.- Prague, Czech Republic», 25-28th August 2003.- Vol. 2.- pp 601-606.

8. Ilyichev, V A, Konovalov, P A, Nikiforova N.S., Tupikov, M M Prediction of Surface Deformations, Caused by Shallow Service Tunnels Construction Activities in Moscow// Proc. of the 17th ICSMGE "The Academia and Practice of Geotechnical Engineering"-Alexandria, Egypt, October, 2009, Vol. 3. - pp 1993-1996.

9. Moormann, Ch & Moormann, H R A study of wall and ground movements due to deep excavations in soft soil based on worldwide experiences. //Proc. the 3rd Int. Symp. (IS-Toulouse 2002) «Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground», 4th Session Deep Excavation: Design and analysis.- Toulouse, France, 23-25 October, 2002. - pp 477-482.

Ключевые слова: подземное строительство, осадки зданий, данные экспериментальных исследований

Keywords: underground construction, buildings settlements ,the data of experimental research

109004, г. Москва, ул. Николоямская, д.34, корп.2, кв.5 Телефон: 89165012930, факс: 84991701926 n.s.nikiforova@mail.ru

Рецензент - к.т.н. Зехниев Ф.Ф.