Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов при строительстве многофункциональных высотных зданий и комплексов

1/2006

ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ ГРУНТОВ, ОСНОВАНИИ

И ФУНДАМЕНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИИ И КОМПЛЕКСОВ

З.Г. Тер-Мартиросян В.И. Теличенко М.В. Королев

условиях обуславливают необходимость совершенствования традиционных методов проектирования оснований и фундаментов для массового строительства, т.е. зданий, высотой не выше 10-15 этажей и передающих на основания нагрузки не выше 200-300 КПа. При проектировании оснований и фундаментов таких зданий, как правило, усилия от надземной части сооружения прикладываются на подземную часть и на фундамент в виде распределенной нагрузки или сосредоточенных сил, т.е. гибким образом. Это исключало возможность учета взаимного влияния основания, фундамента,

В статье рассматриваются проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов, возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов. Отмечается необходимость совершенствования методов проектирования промышленных и гражданских сооружений (ПГС) путем комплексного решения задачи при количественной оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «основание - фундамент - подземная и надземная части (ОФПНЧ)» сооружений и, в первую очередь, уникальных высотных зданий с учетом их взаимного влияния.

Особое внимание уделяется вопросам совершенствования экспериментально - теоретических основ механики грунтов; расчетно-теоре-тических методов прогнозирования напряженно-деформированного состояния системы ОФПНЧ сооружений с учетом их взаимодействия; расчетно-теоретических методов обоснования технологии строительного производства и технологии преобразования строительных свойств грунтов.

Растущие темпы строительства многофункциональных высотных зданий и комплексов в стесненных условиях городской территории и в сложных инженерно-геологических

подземной и надземной частей сооружения. Однако с ростом этажности здания и размеров фундаментов в плане необходимость совместного рассмотрения НДС системы ОФПНЧ значительно возросла, так как это приводит к существенным и качественным изменениям процесса формирования и трансформации НДС этой системы.

Действительно, особенностью высотных зданий являются: большие размеры фундаментов в плане (до 10 000м2 и более); высота здания (70 м и более); большие нагрузки на грунты основания (50-70тс/м2); устройство глубоких котлованов (20-30м) под защитой ограждающих конструкций. При этом в процессы формирования НДС системы ОФПНЧ вовлекаются огромные массивы грунта как под фундаментной плитой, так и за ограждающей конструкцией. На размеры этих массивов существенное влияние оказывают площадь подошвы фундаментной плиты, длина свай в плитно-свайном фундаменте, глубина котлована, жесткость ограждающей

конструкции и масса проектируемого здания. Опыт проектирования и строительства крупномасштабных сооружений (ГЭС, ТЭС, АЭС) показывает, что глубина активной зоны деформирования грунтов основания не превышает ширину фундамента Ь = \[Л, где А - площадь подошвы фундамента, и чаще всего, находится в пределах (0,5-0,7)Ь. За контуром ограждающей котлован конструкции также формируется активная зона деформирования грунтового массива на расстоянии до двух глубин котлована. Следовательно, размеры расчетной области грунтового массива, вовлеченного во взаимодействие системы ОФПНЧ сооружения, огромные, и это следует учитывать при решении задач по количественной оценке НДС системы ОФПНЧ. Кроме того, на процесс формирования и трансформации НДС системы ОФПНЧ существенное влияние оказывают состав и строение массива, его исходное НДС, технология устройства котлована и ограждающих конструкций, поэтапность выемки грунта из

котлована, технология бетонирования плитных фундаментов, технология устройства свай плитно-свай-ных фундаментов, пространственная жесткость надземной части здания, а также поэтапность возведения подземной и надземной частей здания. Особенностью формирования НДС грунтов под фундаментом является то, что оно имеет три этапа - разгрузка, повторное нагруже-ние и догружение. В тех случаях, когда масса удаленного из котлована грунта тг равна или не превышает массу сооружения тс в целом, включая фундамент, подземную и надземную части (плавающий фундамент), последний этап догружения отсутствует, и грунты основания будут деформироваться незначительно. Следовательно, осадки основания могут определяться упругими свойствами грунтов и будут минимальными. Это связано с тем, что модули деформации грунтов при разгрузке и повторном нагруже-нии практически равны, и они в 5-10 раз больше модуля деформации грунта при догружении. Следует также отметить, что при определении модулей деформаций грунтов оснований фундаментов, имеющих площадь опоры 500м2 и более необходимо учитывать влияние масштабного фактора, который позволяет корректировать модули деформации, определенные по результатам штамповых компрессионных и трехосных испытаний в сторону увеличения в несколько раз в зависимости от вида грунта (глина, песок) и от площади фундамента. В тех случаях, когда тс > тг расчет осадки основания включает два этапа - повторное нагружение и догружение. В таких случаях неизбежно использовать нелинейные модели грунтов, в том числе билинейную модель с двумя модулями повтор-

ного нагружения Ен и догружения Ед, причем Ен > Ед.

Изложенные выше особенности формирования и трансформации НДС системы ОФПНЧ существенно отражаются на масштабах инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, на методах изучения и описания физико-механических свойств грунтов, слагающих рассматриваемый массив, на постановке и методах решения задач по количественной оценке НДС системы ОФПНЧ сооружения, на технологию и поэтапность возведения подземной и надземной частей сооружения.

Таким образом, первоочередной задачей при проектировании, строительстве и эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов является совершенствование:

- экспериментально-теоретических основ механики грунтов при больших диапазонах изменения напряжений (до 3 МПа);

- методов количественного прогнозирования НДС системы ОФПНЧ сооружения с учетом их взаимовлияния и поэтапности их возведения;

- расчетно-теоретических методов обоснования технологии строительного производства как фактора, влияющего на процесс формирования НДС системы ОФПНЧ сооружения.

Наряду с этими важнейшими проблемами механики грунтов, оснований и фундаментов, связанных со строительством высотных зданий, необходимо совершенствовать методы инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, в том числе методов отбора образцов из больших глубин (до 100 м); методов организации, проведения и анализа режимных инструментальных наблюдений НДС в системе ОФПНЧ сооружения (мониторинг) в период

их строительства и эксплуатации, а также методов организации, проведения и анализа крупномасштабных экспериментов, моделирующих взаимодействие плитного, свайного и плитно-свайного фундаментов с грунтовым массивом.

Рассмотрим вышеизложенные первоочередные задачи механики грунтов, оснований и фундаментов при строительстве высотных зданий в отдельности.

Экспериментально-теоретические основы механики грунтов. Методы экспериментального изучения механических свойств грунтов оснований фундаментов и за ограждающей конструкцией котлована во многом определяются глубиной котлована и высотой здания, т.е. соотношением масс грунтов, удаленных из котлована, и сооружения в целом. Если тг > тс, грунты основания испытывают разгрузку и повторное нагружение, т.е. имеет место практически упругая разгрузка и повторное нагружение. В этом случае достаточно определить модули деформации грунтов в диапазоне уплотняющих нагрузок у1г - у2б, где у1 и у2 - удельные веса грунта ниже и выше подошвы фундамента, соответственно; г и б -глубины отбора образца дневной поверхности и котлована от дневной поверхности соответственно. Как отмечалось выше, в этом случае осадки основания будут минимальными и выбор конструкции в пользу плитного варианта фундамента очевиден. В случае, если тг < тс, грунты основания испытывают разгрузку, повторное нагружение и догружение. Следовательно, при догружении возможно развитие упруго-пластических (нелинейных) деформаций. В этом случае модель грунта должна основываться на тео-

рии упруго-пластических сред типа Кулона - Мора, Cam clay или упрочняющейся среды, для которых разработаны вычислительные программы. Параметры этих моделей грунтов также определяются по результатам компрессионных и трехосных сжатий с учетом диапазонов нагрузки (y1z), разгрузки и повторного нагружения (y1z - y2d) и догружения р >y1d, где р - среднее давление под подошвой сооружения. В первом приближении можно ограничиться определением линейных модулей деформаций в диапазоне напряжений разгрузки и повторного догружения (р>у2сО. Это позволит выполнить предварительные расчеты НДС ОФПНЧ сооружения.

Окончательное решение по выбору конструкции фундамента следует принимать после полноценного расчета НДС системы ОФПНЧ сооружения с учетом всех вышеупомянутых факторов и нелинейных свойств деформирования грунтов основания. При этом расчетная величина осадки Sp и разности осадок ASp должны быть меньше допустимых для данного вида здания. В тех случаях, когда Sp, > S^ следует проектировать конструкцию плитно-свайного фундамента, опирающегося на сравнительно плотные слои (висячие сваи) или на скальные и полускальные грунты (сваи, стойки); проблема изучения механических свойств грунтов еще более осложняется в связи с увеличением активной зоны деформирования грунтов основания ниже острия свай и необходимостью учета свойств грунтов в межсвайном пространстве. Мощность сжимаемой толщи в случае висячих свай в плитно-свайном фундаменте зависит от ширины так называемого условного фундамента и от расстояния нижних концов

свай до скальных пород. В случае свай-стоек, опирающихся на скальные грунты, также следует оценить активную зону для определения глубины отбора образцов грунтов и диапазона изменения нагрузок при их испытаниях.

Как и в случае плитного фундамента в предварительных расчетах НДС системы ОФПНЧ сооружения в первом приближении можно ограничиться определением модулей деформаций грунтов оснований плит-но-свайного фундамента в диапазонах разгрузки и повторного нагруже-ния и догружения и определить осадку и крен фундамента. Окончательный выбор конструкции плитно-свайного фундамента следует сделать после полного расчета НДС системы ОФПНЧ сооружения с учетом количества, диаметра и расстояния между сваями, а также всех тех факторов, которые были перечислены выше, влияющие на процесс формирования НДС системы ОФПНЧ сооружения.

Из выше изложенного краткого содержания проблемы экспериментально-теоретических основ механики грунтов следует, что обоснование и выбор конструкции фундаментов высотных зданий во многом определяется на стадии инженерно-геологических изысканий и исследований физико-механических свойств грунтов, слагающих основание. Программа и объем этих испытаний и исследований должны в обязательном порядке составляться совместно инженером-конструктором и инженерами-геологами, выполняться и уточняться заблаговременно (за год) до начала принятия проектных решений. К сожалению, часто встречаются случаи, когда программа и объем инженерно-геологических изысканий и испытаний грунтов не соответствуют тре-

бованиям, предъявляемым к основаниям фундаментов высотных зданий. Так, например, диапазон изменения напряжений при определении деформационных и прочностных свойств грунтов, отобранных из больших глубин (до 50 м и более) ограничивают уплотняющей нагрузкой 100-300 КПа, что не соответствует НДС грунтов основания до и после возведения высотного здания. Более того, такие исследования невозможно использовать в расчетах НДС системы ОФПНЧ сооружения, и это может привести к негативным явлениям. Таким образом, для проектирования оснований и фундаментов высотных зданий необходимо, чтобы:

- программу, объем и сроки выполнения инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий составляли совместно инженеры-геологи и инженеры-конструкторы в соответствии с требованиями конструктивных решений фундаментов и сооружения в целом;

- программа и объем лабораторных и полевых испытаний грунтов, отобранных из больших глубин, в компрессионных, трехосных и сдвиговых испытаниях соответствовали исходному НДС грунта на глубине отбора образца, его изменениям при выемке грунта из котлована и последующем возведении подземной и надземной частей здания;

- механическая модель грунта соответствовала диапазону изменения напряжений грунтов от исходного НДС до полного формирования НДС грунтов основания в момент завершения строительства.

Следует отметить, что не исключается возможность использования модели линейно-деформируемой среды, что во многом упрощает задачи исследований грунтов и прогнозирования НДС основания.

Прогнозирование НДС системы ОФПНЧ сооружения.

Окончательный выбор конструкций фундаментов и надземной части здания необходимо обосновать соответствующими расчетами НДС системы ОФПНЧ сооружения с учетом всех факторов, влияющих на НДС этой системы.

Выбор конструкций фундаментов высотных зданий ограничен двумя вариантами - плитным и плитно-свайным. Выбор ограждающих конструкций зависит от инженерно-геологических условий площадки строительства, стесненных условий городской территории и от расстояния близ расположенных зданий. Наибольшее распространение имеют «стена в грунте» в монолитном или в сборном варианте и буросекущиеся сваи, которые заглубляются, как правило, в водоупорные пласты для исключения притока воды в котлован; ограждения в виде металлических труб (забивные или завинчивающиеся), между которыми вставляются деревянные или металлические забирки; шпунтовые ограждения из специального профиля; замораживание стен котлована и др. Выбор конструкций подземных частей здания зависит от их практического назначения. Колонны, стены (ребра жесткости) и плиты перекрытия этажей должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить, с одной стороны, условия эксплуатации подземной части и, с другой, -повысить жесткость системы «фундамент - подземная часть здания».

На современном этапе развития теоретической и прикладной механики грунтов и численных методов моделирования НДС любой инженерной конструкции при статическом, динамическом и физическом (температура) воздействиях проблема ко-

личественного прогнозирования НДС системы ОФПНЧ сооружения с достаточной точностью для практики может быть решена. Успешное решение этой проблемы во многом определяется правильным выбором и решением следующих задач:

- всесторонняя оценка инженерно-геологической и гидрогеологической обстановки строительной площадки, в том числе физико-механических свойств грунтов, слагающих основание фундамента и окружающий котлован массив;

- обоснование выбора конструкций фундамента плитного или плит-но-свайного фундаментов и ограждающих конструкций в соответствии с инженерно-геологическими условиями и конструктивным решением надземной части здания;

- технологии производства работ нулевого цикла, в том числе закрепление стен котлована (анкер или распорка) и технологии строительства подземной части здания (снизу вверх или сверху вниз);

- геомеханической модели массива грунта, взаимодействующего с системой ОФПНЧ сооружения, а также окружающими котлован массива на основе результатов инженерно-геологического и гидрогеологического изысканий;

- размеров расчетной области массива (глубина, ширина), расчетных параметров механической модели грунтов, слагающих различные ИГЭ с учетом исходного НДС массива;

- метода численного моделирования (расчета) НДС системы ОФПНЧ сооружения, а также массива грунта за пределами котлована, с учетом особенностей конструкций плитного или плитно-свайного фундамента, ограждений котлована и подземной части здания.

На рис. 2, 3, 4 представленны примеры расчета НДС основания и

фундаментной плиты с учетом их взаимодействия.

На заключительном этапе проектирования конструкций фундаментов и подземный частей сооружения необходимо расчеты проводить двумя различными вычислительными программами, т.к. в основе каждой из действующих программ лежат различные модели, описывающие механические свойства материалов инженерных конструкций и разные модели грунтовой среды.

В состав проекта конструктивного решения подземной части высотного здания необходимо включить проекты мониторинга и экологии окружающей геологической среды. В проекте мониторинга следует предусмотреть контроль за деформациями и напряжениями в конструкциях подземной части, их перемещениями. Наиболее важным составляющим мониторинга является измерение контактных напряжений под плитными и плитно-свайными фундаментами и усилиями в сваях. Они позволяют контролировать НДС системы ОФПНЧ сооружения, как в процессе строительства, так и в период эксплуатации сооружения.

Более того, по результатам измерений этих напряжений возможно регулировать контактные напряжения и управлять ими в процессе строительства путем подбора технологии возведения подземной и надземной частей здания, в том числе путем регулирования темпов возведения здания в центральной и периферийной частях.

Для оперативного вмешательства при развитии неравномерных осадок оснований, обусловленных различными негативными геологическими процессами (карст, суффозия, подтопление) целесообразно предусмотреть в фундаментной плите специальные скважины для нагнетания в подземное пространство необходимое количество цементного или другого раствора. На практике часто применяются также специальные подушки, уложенные на контакте между плитой и основанием, в которые можно накачивать цементный раствор или другой материал.

Расчетно-теоретическое обоснование технологии строительного производства.

Формирование и трансформация системы ОФПНЧ сооружения во многом определяется технологией и

(лтЬтг пГ/.-I >пф1;1се1иег||. т Р1апс: оп ЬсЫгк] -1.3018е-002 к) 0.0000н+000 О.ООООэ+ООСИо 7.50006-003 7.5000е-0031о 1.5000е-002 1 Ы)и0е-и02 ¿.¿Ъи0е-002

¿ ¿ьии<^ит ю з.(ЛЮ0е-002

З.ГЮППе-ПП? 1о 3.7500й-ВД? 3.7ЙППЙ-ПП7 То 4.5Г1ГЮе-0П? 4.5000с 002 1о 5.2500с 002 5.2500с 002 1С 5.3808с 002 1п1«гуа1 и 7.5в-003

Рис. 2. Изолинии осадок основания фундаментной плиты в котловане

Рис. 3. Расчетная схема основания высотного здания 50 эт. г. Москва

Рис. 4. Прогибы фундаментально плиты толщиной 2,5 м высотного здания 50 эт.

темпами строительного производства нулевого цикла. Это обусловлено тем, что грунтовая среда и строительные материалы конструкций здания не всегда имеют идеально упругие свойства. Следовательно, принципы независимости последовательности действия сил в этой системе не действует. Он справедлив только для идеально упругих систем и не может быть применен для прогнозирования НДС такой сложной системы, как ОФПНЧ сооруже-

ния. Грунты основания и окружающего котлован массива в подавляющем большинстве случаев обладают упруго-вязко-пластичными свойствами и неодинаково сопротивляются сжимающим и растягивающим напряжениям. Процессы деформирования в них развиваются медленно, т.е. имеет место эффект ползучести. Кроме того, материалы строительных конструкций также обладают упруго-ползучими свойствами (бетон, железобетон, дерево, пласт-

ВЕСТНИК МГСУ-

1/2006

З.Г. Тер-Мартиросян, В.И. Теличенко, М.В. Королев

массы). Взаимодействие массива грунта с конструкциями подземных и надземных частей здания в связи с этими свойствами носит пространственно-временной характер, и стабилизация НДС системы ОФПНЧ сооружения может наступить через длительное время после возведения здания. Поэтому к моменту завершения строительства целесообразно иметь наиболее благоприятное НДС в этой системе, чтобы избежать негативных последствий в период эксплуатации здания. Для этого следует составить прогноз НДС системы, учитывающие все особенности конструкции здания и технологии строительного производства на всех этапах возведения высотного здания, в том числе подземной части, и попытаться создать к концу строительства оптимальное НДС в системе ОФПНЧ сооружения. Это сложная, но реально решаемая задача с помощью математического моделирования НДС системы ОФПНЧ сооружения путем использования факторного анализа на разных этапах возведения здания. Известно, например, что контактные напряжения под плитным фундаментом трансформируются с расчетом этажности подземной и надземной части частей здания и тем самым влияют на НДС самой плиты. Это обусловлено растущей пространственной жесткостью подземной и надземной частей сооружения. Известно также, что технология строительства подземной части здания, в том числе устройства ограждающих конструкций, поэтапности выемки грунта из котлована, методов закрепления стен котлована (анкер, распорка, раскос), а также метод строительства подземной части (сверху вниз или снизу вверх) оказывают существенное влияние на формирование НДС грунтового

массива в момент окончания строительства нулевого цикла. Известно также, что забивку свай в свайном поле следует начинать от центра к периферии., а не наоборот, так как в последнем случае в центральной части забивка свай будет затруднена из-за избыточного НДС в массиве грунта.

В связи с этим возникает необходимость учета всех технологических особенностей и методов строительства подземной части здания при численном моделировании и анализа НДС системы ОФПНЧ сооружения.

Следует отметить, что технология строительного производства влияет на НДС массивов грунтов не только при строительстве высотных зданий, но также при строительстве дамб на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, при производстве работ по преобразованию строительных свойств грунтов оснований сооружений различными методами. К таким относятся поверхностные уплотнения грунтов трамбовками, подземным взрывом, разрядно-им-пульсной технологией, шнековыми буроинъекционными песчаными сваями, нагнетанием в грунтовое пространство цементного раствора под большим давлением. Все эти методы разработаны и успешно применяются в строительстве. Однако все эти методы до настоящего времени не имеют расчетно-теоре-тического обоснования с точки зрения изменения не только плотности, но и НДС грунта в массиве. Анализ предварительных теоретических решений по оценке НДС грунтов при различных методах преобразования и улучшения свойств грунтов оснований сооружений показывает, что вследствие применения этих методов в грунтовом массиве развиваются остаточные деформации,

увеличивается плотность, растут компоненты напряжений, которые частично релаксируют и частично остаются. Так, например, при поверхностном уплотнении грунтов тяжелыми трамбовками или при глубинном уплотнении и устройстве грунтовых (песчаных) свай грунтовый массив уплотняется и одновременно с этим в грунте формируется поле избыточных напряжений, часть которых формирует поле остаточных напряжений, преимущественно в горизонтальном направлении. Учет этого фактора наряду с учетом изменения плотности грунтов оказывает существенное влияние на НДС системы «основание -фундамент - сооружение» и может в значительной степени уменьшить расчетные величины осадок и кренов фундаментов.

Таким образом, возникает необходимость формирования нового научного направления в прикладной механике грунтов, связанного с технологией строительного производства и технологией преобразования строительных свойств грунтов оснований сооружений, как факторов, влияющих существенным образом на НДС массивов грунтов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в настоящей статье проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов при проектировании, строительстве и эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов показывают, что в настоящее время строительная наука все больше становится комплексной, связывающей между собой отдельные ее направления при проектировании, строительстве и эксплуатации крупных промышленных и гражданских сооружений. Это обусловлено тем, что

решение задач каждого из отдельных направлений строительной науки - механики грунтов, оснований и фундаментов, железобетонных и металлических конструкций, строительной механики и технологии строительного производства невозможно с достаточной точностью решать самостоятельно при проектировании промышленных и гражданских сооружений без учета их взаимной связи.

Такая возможность появилась благодаря бурному развитию в последние десятилетия расчетно-тео-ретических методов моделирования НДС системы ОФПНЧ сооружения с помощью вычислительных программ. Кроме того они дают возможность использовать в расчете НДС самые последние достижения в области изучения и описания механических свойств материалов строительных конструкций и грунтов оснований сооружений, в том числе нелинейные и упруго-вязко-пластичные свойства, а также процессы тепломассопереноса и др. при статическом, циклическом и динамическом воздействиях.

В рамках одной статьи, конечно, трудно было изложить все проблемы и задачи механики грунтов, оснований и фундаментов на современном этапе развития комплекса строительной науки. Однако основные направления и первоочередные задачи, как надеются авторы статьи, в достаточной степени в ней отражены. Это позволит в ближайшие годы совершенствовать методы количественного прогнозирования НДС системы ОФПНЧ сооружений, повысить точность и достоверность такого прогноза и обеспечить нормальные условия эксплуатации уникальных сооружений, в том числе многофункциональных высотных зданий и комплексов.