Учет жесткости конструкций "стена в грунте" на осадку соседних зданий

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.131

Р.А. МАНГУШЕВ, д-р техн. наук, Д.А. САПИН, инженер

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Учет жесткости конструкций «стена в грунте» на осадку соседних зданий

Оценивается влияние жесткости, а также длины заделки ограждения ниже дна котлована на дополнительную осадку фундаментов соседних зданий при устройстве глубокого котлована в условиях плотной городской застройки и значительной толщи слабыхпылевато-глинистых грунтов. Рассматривается ограждение котлована, выполняемое по технологии «стена в грунте» с разработкой котлована методом «top-down». Показана эффективность применения тавровых захваток «стены в грунте». Приведено сравнение с натурными наблюдениями на одном из реальных объектов, построенном в историческом центре Санкт-Петербурга.

Ключевые слова: численное моделирование, «стена в грунте», дополнительная осадка соседней застройки.

R.A. MANGUSHEV, Doctor of Sciences

Accounting of Influence of «Slurry Wall» Rigidity on Settlement of Neighboring Buildings

The influence of rigidity and also the embedment length of shoring below the excavation bottom on the additional settlement of foundations of neighboring buildings when arranging the deep excavation under conditions of dense urban development and significant thickness of weak silty-clayey soils is evaluated. The excavation wall made according to the «slurry wall» technique with excavation of the pit by «top-down» method is considered. The efficiency of the use of tee-bays of «slurry wall» is shown. The comparison with field observations at one of real objects built in the historical center of St. Petersburg is presented.

Keywords: numerical simulation, «slurry wall», additional settlement of neighboring development.

Практика строительства в крупных городах предполагает организацию развитого подземного пространства при возведении новых зданий с устройством паркингов, торговых центров и т. д. При строительстве таких сооружений в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга необходимо применять технологии, позволяющие выполнить ограждение котлована со значительной жесткостью [1, 2]. Стена в грунте обладает жесткостью, значительно превышающей жесткость шпунтового ограждения и ограждения из буросекущихся свай, что позволяет разрабатывать котлованы глубиной от 10 м и более в непосредственной близости от зданий соседней застройки [3, 4].

Технология «стена в грунте» заключается в том, что стены подземных сооружений

траншеях. Вертикальные стенки траншей удерживаются от обрушения гидростатическим давлением глинистого раствора большой плотности. При заполнении траншеи литым бетоном глинистый раствор вытесняется за счет меньшей, чем у бетона, плотности. Устройство стены в грунте происходит отдельными захватками по 2-2,5 п. м траншеи [5].

В статье показано, что применение контрфорсов, на порядок увеличивая жесткость стены в грунте, приводит к существенному снижению дополнительной осадки соседней застройки.

Разработка расчетной модели

Компанией «Геоизол» выполнена уникальная работа по строительству в центре города жилого дома с трехуровневым подземным паркингом в сложных инженерно-геологических условиях вблизи существующих зданий. Проект предусматривал откопку котлована с использованием метода «top-down». В качестве ограждения котлована была принята стена в грунте толщиной 0,8 м с контрфорсами сечением 0,8x2,5 м расположенными с шагом 6,6 м.

Геотехническая ситуация характерна для центральной исторической части Санкт-Петербурга. Новое строящееся здание с подземным пространством практически вплотную примыкает к зданиям исторической застройки (рис. 1).

Таблица 1

Физико-механические свойства грунтов

Грунт Y, кН/м3 Ef кН/м2 E'fid, кН/м2 E'l кН/м2 с, кН/м2 Ф, град

Пески рыхлые 19,1 10 000 10 000 30 000 1 28

Суглинки текучие 18,9 5 000 5 000 25 000 11 16

Суглинки текучие 18,3 5 000 5 000 25 000 11 6

Супеси пластичные 21,7 14 000 14 000 42 000 34 24

Суглинки полутвердые 21,4 16 000 16 000 80 000 55 25

Супеси пластичные 22 18 000 18 000 90 000 44 31

Глины твердые, дислоцированные 20,9 23 000 23 000 115 000 98 13

Глины твердые, недислоцированные 21,4 26 000 26 000 130 000 104 17

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Глубина котлована 10,2 м, метод устройства «сверху -вниз» с устройством трех уровней распорных железобетонных перекрытий на отметках: 0,0; -3,6; -6,9 м и фундаментной плиты на отметке -10,2 м. Рассматриваемое здание со-

1000 3000 3х1000

Фундаменты демонтированного здания

0,000

Рис. 1. Геотехническая ситуация

Пески рыхлые, т IV

Суглинки текучие, т IV

Суглинки текучие, ^ III

Супеси

пластичные, g III

Суглинки полутвердые, g III

Супеси

пластичные, g II

Глины твердые дислоцированные, Vkt

Глины твердые

недислоциро-

ванные

О

ш

\.\V\4

Е, МПа

10

14

16

18

23

26

ф, град

28

24

25

31

13

17

г, м г, м

1

Рис. 2. Инеженерно-геологические условия площадки

Таблица 2

Приведенные изгибные жесткости на 1 м ограждения

Стена в грунте Приведенная изгибная жесткость на 1 м ограждения, БГ, кН/м2/м

5 = 0,8 м 1,3Б+06

5 = 1 м 2,5Б+06

5 = 1,2 м 4,3Б+06

5 = 0,8 м; контрфорс 0,8x2,5 шаг 6,6 м 2,4Б+07

5 = 2,1 м 2,3Б+07

седней застройки бесподвальное, примыкает к котловану длинной стороной; несущие стены продольные. Глубина заложения фундаментов существующего здания составляет 3 м. Давление под подошвами ленточных фундаментов принималось равным 200 кПа. Расстояние в свету между проектируемым ограждением, выполняемым методом «стена в грунте», и ленточным фундаментом соседнего здания составляет 3 м. Рядом с фундаментом сохраняемого здания находится фундамент ранее демонтированного здания. Грунтовые воды находятся непосредственно под подошвой фундаментов существующего здания на отм. -3 м.

Инженерно-геологические условия, приведенные на рис. 2 и в табл. 1, типичны для центрального района города: в основании фундаментов залегают водонасыщенные пы-леватые пески, подстилаемые мощным слоем слабых водо-насыщенных текучих суглинков, и только с глубины 11,4 м залегают моренные супеси и суглинки с относительно высокими прочностными характеристиками, подстилаемые коренными породами - твердыми протерозойскими глинами.

Работа грунта при откопке котлована моделировалась с помощью модели HSM программного комплекса Plaxis. Характеристики грунтов, использованные в расчетах, приведены в табл. 1. Технологические осадки, возникающие при устройстве «стены в грунте» [6-8], не учитывались.

Были рассмотрены две расчетные задачи:

- оценка влияния жесткости ограждения на дополнительную осадку соседней застройки при фиксированной длине ограждения (принятой в проекте);

- оценка влияния жесткости ограждения на дополни-

тельную осадку соседних зданий с учетом различной длины заделки стены в грунте ниже дна котлована.

Оценка влияния жесткости ограждения на дополнительную осадку соседней застройки при фиксированной длине ограждения

В рамках данной задачи рассматривались четыре типа ограждения котлована:

- стена в грунте толщиной 0,8 м;

- стена в грунте толщиной 1 м;

- стена в грунте толщиной 1,2 м;

- стена в грунте толщиной 0,8 м с контрфорсами 0,8x2,5, расположенными с шагом 6,6 м (рис. 3).

Основной характеристикой ограждения котлована является его изгибная жесткость (БГ). В табл. 2 и на графике (рис. 4) приведено сравнение изгибных приведенных жесткостей рассматриваемых типов ограждения на метр длины в

с, кПа

34

55

44

98

104

0

5

6

7

г, м

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Таблица 3

Влияние жесткости ограждения на дополнительную осадку соседней застройки при фиксированной длине ограждения

Раскрепление Заделка Жесткость EI, кН/м2/м Доп. осадка, мм

Плиты перекрытий 5 = 0,3 м в четырех уровнях 16 м всего, 2 м в коренные породы - кембрийские глины Стена: 5 = 0,8 м; зуб 0,8x2,5, шаг 6,6 м 2,4E+07 13

Стена: 5 = 1,2 м 4,3E+06 19

Стена: 5 = 1 м 2,5E+06 22

Стена: 5 = 0,8 м 1,3E+06 28

3300

— \

V /

800

/

6600

Рис. 3. Стена в грунте с контрфорсами

8 = 0,8 м

8 = 1 м

8 = 1,2 м

8 = 2,1 м

8 = 0,8 м; контрфорс 0,8x2,5 шаг 6,6 м

0,Е+00 1,Е+07 2,Е+07 3,Е+07

EI, кНхм2/м

Рис. 4. Приведенные изгибные жесткости на 1 м ограждения

Рис. 5. Форшахта под стену в грунте с контрфорсами

плане. Для сравнения рассчитана жесткость стены в грунте толщиной 2,1 м.

На фотографиях (рис. 5-6) представлена выполненная форшахта и откопанный участок стены в грунте с контрфорсами.

Задача решалась в плоской постановке в программном комплексе Plaxis 8. Для моделирования грунтового массива использовалась модель упрочняющегося грунта (Hardening Soil Model). Расчет производился в 8 стадий, приведенных на рис. 7. Моделировались загруженные ленточные фундаменты существующей застройки, поочередно устраиваемые перекрытия и разработка грунта до отметки следующего перекрытия и т. д.

Полученные результаты представлены в табл. 3 и сведены в график зависимости дополнительной осадки со-

Рис. 6. Стена в грунте с контрфорсами

Рис. 7. Расчетные стадии плоской задачи

30

25

? 20

15

♦

Л

ч

Доп. осадка, мм Степенная (доп. осадка, мм) s = 974(Е!)-0'26 s = -4,85 ln (EI) + 94,5

10

0,Е+00

1,Е+07 2,Е+07

Жесткость при изгибе, EI, кН/м2

3,Е+07

Рис. 8. Влияние жесткости ограждения на дополнительную осадку соседней застройки при фиксированной длине ограждения

седней застройки от изгибной жесткости ограждения (рис. 8).

Результаты расчетов показали, что устройство контрфорсов 2,5x0,8 м с шагом 6,6 м, увеличивает изгибную жесткость стены в грунте толщиной 0,8 м почти в 20 раз и позволяет снизить дополнительные осадки соседней застройки более чем в два раза.

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 9. Расчетные схемы

Таблица 4

Влияние жесткости ограждения на дополнительную осадку соседних зданий с учетом различной длины заделки стены в грунте ниже дна котлована

Раскрепление Жесткость Грунт под подошвой стены Глубина заделки, м Глубина заделки в глубинах котлована Доп. осадка, мм

Плиты перекрытий 5 = 0,3 м в четырех уровнях Стена: 5 = 0,8 м; зуб 0,8x2,5, шаг 6,6 м Супесь пластичная 4 0,4 18

Суглинки полутвердые 6 0,6 15

8 0,8 13

Супесь пластичная 10 1 13

12 1,2 13

14 1,4 13

Глина твердая дислоцированная 16 1,6 13

18 1,8 13

Глина твердая 20 2 13

22 2,2 13

26 2,6 13

Стена: 5 = 0,8 м Супесь пластичная 4 0,4 33

Суглинки полутвердые 6 0,6 30

8 0,8 28

Супесь пластичная 10 1 28

12 1,2 28

14 1,4 28

Глина твердая дислоцированная 16 1,6 28

18 1,8 28

Глина твердая 20 2 28

22 2,2 28

26 2,6 28

Таблица 5

Данные мониторинга

№ Дата наблюдений ДЙ, мм

50 51 52 53 54 55 56 57 58 58а 60

1 17.03.2010 -20 -22 -26 -24 -26 -24 -21 -19 -16 -15 -13

2 30.11.2010 утр. утр. -36 -37 -36 -32 -30 -29 -26 -25 -20

2-1 - — 10 13 10 8 9 10 10 10 7

Зависимость дополнительной осадки от изгибной жесткости ограждения котлована удовлетворительно описывается формулами степенной или логарифмической зависимости, представленными на рис. 8.

Оценка влияния жесткости ограждения на дополнительную осадку соседних зданий с учетом различной длины заделки стены в грунте ниже дна котлована Для оценки совместного влияния жесткости ограждения и глубины заделки ниже дна котлована рассмотрены два типа стены в грунте из предыдущей задачи - самая гибкая и самая жесткая. Длина ограждения менялась (рис. 9) от 14,2 м (4 м ниже дна котлована) до 26,2 м (16 м ниже дна котлована).

Расчет проводился в соответствии с этапами, представленными на рис. 7, моделирующими откопку котлована методом «top-down».

Результаты расчетов сведены в табл. 4 и объединены в графики рис. 10.

Из полученных результатов видно, что независимо от жесткости ограждения увеличение длины заделки ограждения более глубины котлована не приводит к существенному уменьшению осадки. Также существенного влияния не оказывает тип грунта, в который заглублена подошва стены в грунте.

Сравнение с натурными наблюдениями

Как указывалось ранее, данные расчеты моделировали реальный объект - жилой дом с трехуровневым подземным паркингом. За осадками зданий соседней застройки проводились регулярные геодезические наблюдения*.

Схема участка разрабатываемого котлована и зданий соседней застройки с установленными геодезическими марками приведена на рис. 11.

Некоторые результаты мониторинга приведены в табл. 5. Первому циклу наблюдений соответствует окончание работ по бетонированию стены в грунте, второму - окончание работ по откопке котлована. Таким образом, разница между двумя циклами наблюдений - это осадка, вызванная непосредственно разработкой котлована без учета технологических деформаций.

В соответствии с данными мониторинга измеренная дополнительная осадка соседней застройки составила 8-13 мм, в то время как расчетная для данного типа ограждения и длины его заделки соста-

* Данные мониторинга были предоставлены авторскому коллективу производившей работы компанией - ООО «Геоизол»

Научно-технический и производственный журнал

35

30

25

20

15

10

0

1

L / H

2

3

Рис. 10. Влияние жесткости ограждения на дополнительную осадку соседних зданий: L/H — отношение глубины заделки стены в грунте ниже дна котлована к глубине котлована

вила 13 мм. Технологическая осадка составила 13-26 мм. В итоге с учетом определенных упрощений и допущений, принятых в расчетной схеме, стоит отметить приемлемую сходимость расчетного прогноза и натурных данных.

Основные выводы

По результатам численного моделирования устройства стены в грунте при различных расчетных схемах можно сделать следующие выводы:

- контрфорсы увеличивают изгибную жесткость ограждения на порядок (для рассмотренной ситуации - с 1,3х106 до 2,4х107), что приводит к значительному уменьшению осадок, вызванных разработкой котлована (в нашем случае с 28 до 13 мм);

- независимо от жесткости ограждения увеличение длины заделки ограждения более глубины котлована не приводит к существенному уменьшению осадки;

- полученные численные результаты удовлетворительно описываются эмпирическими формулами, которые имеют достаточную сходимость.

Список литературы

1. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга. М.: АСВ, 2010. 264 с.

2. Осокин А.И., Денисова О.О., Шахтарина Т.Н. Технологическое обеспечение подземного строительства в условиях городской застройки // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 16-24.

3. Шашкин А.Г., Богов С.Г. Апробация технологии «стена в грунте» в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 11. С. 20-22.

4. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах. М.: АСВ, 2013. 256 с.

5. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 17-20.

Рис. 11. Схема установленных геодезических марок

6. Конюхов Д.С., Свиридов А.И. Расчет технологических деформаций существующих зданий в процессе изготовления ограждающих конструкций котлованов // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 99-103.

7. 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.

8. Сапин Д.А. Осадки фундаментов зданий соседней застройки при устройстве траншейной «стены в грунте» // Жилищное строительство. 2015. № 4. С. 8-13.

References

1. Mangushev R.A., Osokin A.I. Geotekhnika Sankt-Peterburga [Geotechnology of St. Petersburg]. Moscow: ASV, 2010. 264 p. (In Russian).

2. Osokin A.I., Denisova O.O., Shakhtarina T.N. Technology support of underground construction under conditions of urban development Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 16-24. (In Russian).

3. Shashkin A.G., Bogov S.G. Approbation of diaphragm wall technology under geological engineering conditions of St. Petersburg. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2012. No. 11, pp. 20-22. (In Russian).

4. Mangushev, R.A. Proektirovanie i ustroistvo podzemnykh sooruzhenii v otkrytykh kotlovanakh [Design and installation of underground structures in open pits]. Moscow, St. Petersburg: ASV, 2013. 256 p. (In Russian).

5. Il'ichev V.A., Mangushev, R.A., Nikiforova N.S. Experience in underground space development Russian megalopolises. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).

6. Konyukhov D.S., Sviridov A.I. Deformation process's calculation of the existing buildings during shoring of excavation. Vestnik MGSU. 2011. No. 5, pp. 99-103. (In Russian).

7. Mangushev R.A. Numerical simulation of adjoining developments technology settlement in process of trench slurry wall construction / R.A. Mangushev, A.A. Veselov, V.V. Konyushkov, D.A. Sapin. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2012. No. 5 (34), pp. 87-98. (In Russian).

8. Sapin D.A. Settlements of foundations of adjacent buildings when arranging the trench «slurry wall». Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2015. No. 4, pp. 8-13. (In Russian).

5

0