Опыт расчета и конструирования фундаментов высотных зданий в глубоких котлованах в сложных инженерно-геологических условиях

ОПЫТ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В ГЛУБОКИХ КОТЛОВАНАХ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ*

А. В. Беспалова А. Е. Беспалов П. В. Карабанов А. З. Тер-Мартиросян

* Настоящая работа выполнена под руководством проф., д.т.н. 3. Г. Тер-Мартиросяна

В статье излагаются особенности исследования НДС неоднородных массивов грунтов, вмещающих подземную часть высотных зданий и сооружений повышенной ответственности в сложных инженерно-геологических условиях. Исследования проводились в рамках плоской и пространственной (2-х и 3-х мерных) задач с учетом: нелинейных упруго-пластических свойств грунтов; исходного НДС массива; наличия карстовых провалов; окружающей застройки; поэтапности и технологии строительного производства (top-down, up-down). Такие исследования необходимы при научном сопровождении проектов и строительства высотных зданий и большепролетных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях

Статья состоит из трех разделов: 1) модели грунтовой среды; 2) взаимодействие системы «массив неоднородного грунта - подземная и надземная части сооружения»; 3) опыт расчета НДС грунтового массива реальных строительных объектов расположенных в г. Москве, Санкт-Петербурге и г. Казани.

1) Модели грунтовой среды.

Взаимодействие массивов грунтов с подземными частями зданий и сооружений (фундамент, ограждающие стены, тоннели и др.) всегда носит сложный пространственно-временной характер, что обусловлено, главным образом, нелинейными и реологическими (ползучесть) свойствами грунтов. Если сравнить графики зависимости объемных и сдвиговых деформаций от напряжений грунтовой среды (г) и конструкционных строительных материалов (с) (рис.1), то можно увидеть их существенное различие.

Механические свойства грунтов меняются в широких пределах и поэтому невозможно создать адекватную модель для всех видов грунтов от слабых водонасыщенных глинистых и рыхлых песчаных грунтов до плотных глинистых и плотных крупнозернистых песчаных грунтов.

и

/ Ei(l) > Ег I

/ Ег~0 /

/

Уг

Gi(a) < Ge

*

Ti Inl <Тп

Рис.1. Зависимость объемных деформаций в от средних напряжений с

Поэтому, в настоящее время существуют многочисленные модели. Наиболее распространенной является модель линейно-деформируемой среды, которая предполагает, что в небольшом диапазоне изменения напряжений зависимости деформация - напряжение

можно представить модулями линейной деформации: 119

^ J

Г ^

к = Е° ; о = Ео

К 1 - 2Г/ ° 2(1 + Го) ^

Индекс «о» означает общая деформация, включающая упругую и пластическую составляющую, т.е.

в=ве +8Г; г = ге + УР

или

-1 = + ^

Ео Ее Е"

С ростом нагрузок на грунты основания (ст^+ст" до 3000 кН/м2 (вместо 400-500

кН/м2) возникла необходимость учитывать нелинейные свойства. Кроме того, в связи с разработкой численных методов, появилась возможность учитывать упруго-пластические свойства грунтов, слагающих неоднородный массив грунта, при взаимодействии с подземной и надземной частями зданий и сооружений. Это позволило по существу объединить расчеты по двум предельным состояниям, т.е. по I и II группам. Например, с помощью коэффициента относительной прочности:

Т < 1

п =- *

т

стало возможным определить степень приближения к предельному состоянию грунта в любой точке расчетной области на любом интервале нагружения и выделить потенциально опасные зоны.

Однако для описания упруго-пластических деформаций необходимо было разработать соответствующие модели грунтовой среды. За последние десятилетия были разработаны многочисленные модели, позволяющие описать нелинейное деформирование грунтовой среды.

В этом отношении существенный вклад был сделан Д. Друкером и В. Прагером, которые разработали теорию ассоциированного закона пластического деформирования путем введения понятия «потенциала пластичности» - g. Для определения компонентов приращения пластической деформации, проявляющейся при активном нагружении, предлагалось использовать уравнение вида:

dsр = d^^

j d°v

где g(ajj) - потенциал пластичности;

d X бесконечно малый скалярный множитель.

Если принять, что функция текучести f(aij) и пластический потенциал совпадают

(g=/X то

ds* = dXdfj

j d°j

Разработанные и использованные в МКЭ в настоящее время модели грунтовой среды отличаются уравнением поверхности нагружения g(Oj) и поверхности текучести f(oy).

Наибольшее распространение получили модели Кулона-Мора, Cam-Clay и hardening soil, в которые, в общем случае, входят модули деформации при нагрузке и разгрузке Ен, Ер и соответствующие коэффициенты Пуассона vH и vp. параметры прочности ф и С. Параметр дилатансии - угол дилатансии ^=As/Ay. То есть 7 параметров вместо двух Еа и va линейно-деформируемой теории и по нормативным документам.

2) Взаимодействие системы «массив неоднородного грунта - подземная и надземная части сооружения».

Главными задачами исследований НДС системы «неоднородный массив - подземная часть - фундамент - ограждающая конструкция - окружающие здания» (далее - «система») являются:

1. Количественная оценка НДС системы с определением всех параметров напряжений, деформаций и перемещений в любой точке системы с учетом нелинейных свойств грунтов, исходного НДС неоднородного массива и взаимодействия его с конструкциями подземной части здания.

2. Количественная оценка дополнительных перемещений (вертикальных и горизонтальных) фундаментов существующих зданий и сооружений, в том числе подземных (коллектор, линии метро) на расстоянии от 2-х до 5-ти глубин котлована.

3. Определение изолиний контактных напряжений и коэффициентов пастели под плитным фундаментом с учетом: реального геологического строения площадки строительства; жесткости подземной части здания; поэтапности строительства; наличия карстовых провалов и др.

4. Определение НДС системы «массив - свайно-плитный фундамент - подземная часть» в трехмерной постановке с учетом реального геологического строения, в том числе методом определения приведенной жесткости свайно-грунтового массива.

5. Анализ результатов численных методов расчета НДС системы, сравнение с результатами мониторинга НДС в несущих конструкциях и под плитным фундаментом с помощью высокочувствительных датчиков, в том числе волоконно-оптических.

6. Составление рекомендаций для проектной организации по уточнению проектных решений по подземной части зданий.

В качестве основных этапов решения вышеперечисленных задач можно выделить следующие:

1. Выбор расчетной геомеханической модели неоднородного массива включает определение размеров массива в плане и по глубине в зависимости от размеров и конструкции подземной части здания, нагрузки на основание, геологического строения массива, гидрогеологических условий площадки строительства, расстояния от бровки котлована до окружающей застройки.

2. Выбор расчетной модели грунтов, слагающих рассматриваемый массив, включает определение основных деформационных (/'., Ер, v) и прочностных (ср, С, Ч-*) параметров, которые входят в современные нелинейные модели грунтов (Кулон-Мор, Cam-Clay, hardening soil).

3. Выбор программного комплекса для численного моделирования НДС системы.

В качестве основного нами используется программный комплекс Plaxis 3d foundaition и двухмерная версия - Plaxis 8. Последняя версия имеет модули для расчета НДС при динамическом и сейсмическом воздействиях, а также модуль для фильтрационных расчетов при устройстве водопонижения с учетом противофильтрационных элементов.

4. Выбор конечных элементов для МКЭ. Численное моделирование строительных конструкций возможно набором готовых специальных элементов: плиточных элементов для моделирования гибких плоских конструкций; стержневых элементов для моделирования анкеров, распорок, стоек, раскосов; элементов обделки туннелей кругового и некругового сечения; тонких плоских элементов для моделирования геотекстиля. Численное моделирование конструкции верхнего строения и фундамента осуществляется набором готовых специальных элементов: балочных и плиточных элементов для моделирования гибких и тонкостенных конструкций, свайных элементов для моделирования свай круглого и квадратного поперечного сечения. Численное моделирование грунтового основания осуществляется специальными объемными элементами с 15 узлами.

3) Опыт расчета НДС грунтового массива реальных строительных объектов.

Вышеописанная методика применялась сотрудниками кафедры МГрОиФ МГСУ во главе с заведующим кафедрой, проф., д.т.н. Тер-Мартиросяном 3. Г. для решения различных геотехнических задач на строительных объектах в городе Москве, Санкт-Петербурге и Казани. Далее рассмотрены некоторые из этих задач.

1). Объект строительства - высотное здание: для размещения центральных офисов компаний «Сименс» и «АФК Сименс» по адресу г. Москва, Ленинградский проспект, 121

Чгк.

39/14. Постановка задачи: определить НДС грунтового массива, вмещающего подземную часть, плитно-свайный фундамент (рис. 2) и основание; проанализировать устойчивость подземной части сооружения; спрогнозировать осадки свай (барет) и фундаментной плиты сооружения; получить распределение коэффициентов постели под фундаментной плитой; разработать рекомендаций по оптимизации геометрических параметров фундаментной плиты с учетом НДС.

В ходе расчета были получены следующие результаты (рис. 3).

Максимальная прогнозируемая осадка основания после завершения строительства составляет 40,45 мм, а максимальная разность осадок 15 мм. В целом фундаментная плита претерпевает незначительные неравномерные осадки, которые не превышают допустимых значений. Следовательно, основное требование к проектированию высотных зданий по деформациям выполняется.

Вычисленные по результатам расчета НДС системы «основание плитно-свайный фундамент» коэффициенты постели под плитой могут быть использованы для детального расчета несущих конструкций, в том числе плиты, подземных и надземных частей здания с учетом их взаимодействия.

Произведено моделирование испытания бареты на нагрузку р=20000 кН. Осадка верха бареты составила 64 мм. Разрушений по грунту не произошло.

2). Объект строительства - административно-деловой центр ОАО «Газпром» в городе Санкт-Петербурге на территории Большой Охты. Высота здания 350 метров или 100 этажей над землёй и 30 метров или 6 этажей подземных. Постановка задачи: НДС грунтового массива, принципиальная возможность строительства данного комплекса, рекомендации по выбору типа фундамента (плитный, плитно-свайный), рекомендации по проекту подземной части, в частности геометрических параметров, возможные осадки и крены при различных вариантах подземной части (рис. 4). В ходе расчета были получены следующие результаты.

— Выполнен глубокий анализ современных проблем высотного строительства, который показывает в частности возможность использования для расчётов НДС в данном случае корректированные в большую сторону модули деформации связанные с масштаб-

ным эффектом. Составлена программа мониторинга, как одно из условий строительства и эксплуатации зданий такого класса ответственности. Так же даны рекомендации по определению параметра вязкости грунта (п), который позволяет выполнить расчеты изменения напряжений и деформаций в массиве и во времени.

— Необходимо учитывать гидростатическое давление на подземную часть здания после бетонирования плиты может привести к ее всплытию. Следовательно, необходимо разработать специальные мероприятия по удержанию подземной части на проектной отметке до схватывания бетона с оголовками свай (в случае плитно-свайного фундамента).

— Составлена программа дополнительных инженерно-геологических изысканий, включающая испытания грунтов из скважин до 170 м на компрессионных, трёхосных, срезовых приборах и приборах кручения.

— Выполнен расчет осадок основания по методу СП 50-101-2004. Осадки основания с учётом взвешивающего действия воды 3,7 см, без учёта 18,8 см, следовательно, учёт гидростатического противодавления под подошвой плитного фундамента приводит к снижению эффективных напряжений на контакте с грунтовым основанием и, следовательно, к снижению расчетных величин осадок.

— Получен эквивалентный модуль деформации для свайно-грунтового массива равный 4,96*105 кН/м2 при нагрузке до 240 кН/м2 на сваи диаметром 1,5 м и длинной 31 м (рис. 5).

Рис. 5. Поперечный разрез расчётной области. Схема деформирования расчётной области.

— После компьютерного моделирования было определено, что результаты расчетов НДС системы «основание - подземная часть» в двух вариантах, т.е. с учетом и без учета гидростатического давления, отличаются существенно, как по количественным, так и по качественным показателям. Осадки основания различаются в три раза (6,5 см и 18,67 см соответственно). Аналогичные результаты имеют место при сравнении горизонтальных перемещений (3,82 см и 6,9 см соответственно). Активная зона деформирования под плитно-свайными фундаментами распространяется на глубину до 100 м от поверхности земли (от подошвы свайно-плитного фундамента на глубину до 50 м).

— Выполнен расчёт на ветровую нагрузку и приводится таблица собственных колебаний зданий.

3). Объект строительства - глубоководный мол-причал. Постановка задачи: расчёт напряжённо-деформированного состояния и сейсмостойкости Восточного мола-причала. В расчёте была использована акселерограмма данного района и рассмотрен наиболее опасный вариант развития событий - землетрясение и шторм (рис. 6).

Рис. 6. Расчётная схема. Стрелками показаны перемещения грунта на конечный момент приложения сейсмического воздействия

В ходе расчёта были получены следующие результаты.

— Под воздействием сейсмичности волновой нагрузки в грунтовом массиве возникает сложное, неоднородное НДС с образованием локальных областей пластичного деформирования.

— На рис. 7 представлены зависимости «вертикальное перемещение - время» в течение 10 секунд. Максимальное смещение наблюдается в начале кривой в точках С и Б (свая) соответственно -8 см и +4 см. Амплитуды смещений во всех точках несимметричны относительно начального уровня (0.000). Периодическое колебание во всех точках наблюдается, начиная с одной секунды относительно уровня смещения (-3 см). Это означает, что в точках С и Б возможны остаточные перемещения (осадки) нижних концов свай вместе с грунтами на 3 см.

— Относительные смещения грунта и сваи, заглубленной во флиш, не наблюдается, т.е. сваи не выдёргиваются.

— Эпюры изгибающих моментов М, продольных N и поперечных Q сил вдоль несущих конструкций (свая, ростверк, шпунт) существенно меняются в расчётном промежутке (10 секунд), как по величине, так и по длине этих конструкций.

4). Объект строительства - офисно-гостиничный комплекс по адресу: Олимпийский проезд, вл. 1. В состав комплекса входит здание с 34-этажной высотной частью, которую окружает 11-этажный стилобатная часть и 5-ти уровневая подземная часть (рис. 8). Габариты застройки (котлована) составляют 88х44 м. Конструкция фундамента представляет собой неразрезную фундаментную плиту разной толщины. Выемка из котлована проводится под защитой стены в грунте с использованием анкерного крепления на 4-х уровнях (рис. 9). Постановка задачи: НДС грунтового массива на всех этапах строительства.

Рис. 8. Геомеханическая конечно-элементная модель расчётной области В ходе расчёта были получены следующие результаты.

— Предложенная эквивалентная схема массива грунта со «стеной в грунте», закреплённой анкерами, получила своё подтверждение в расчётах НДС в плоской и трёхмерной постановках.

— Как в первом, так и во втором вариантах расчёта НДС массива грунта влияние устройства котлована под защитой ограждающей конструкции, а также влияние строительства комплекса в целом не оказывают существенное влияние на окружающие застройки. Дополнительные вертикальные, горизонтальные и общие перемещения грунтов на плоскости - 3 м от поверхности земли находятся в переделах допустимых значений - 5-6 мм (рис. 9).

— Осадки комплекса также находятся в пределах допустимых значений - 14-18 см.

5). Объект строительства - многофункциональный деловой и спортивно-оздоровительной комплекс по адресу: г. Москва, Ленинградский проспект, вл. 31, стр. 2. Постановка задачи: опреде-

Deformed mesh

Extreme total displacement 28,65*10"3 m

Рис. 9. Схема деформирования стены в грунте с закреплением на 4-х уровнях

лить НДС грунтового массива, вмещающего подземную часть, плитный фундамент, проанализировать устойчивость подземной части сооружения; спрогнозировать осадки фундаментной плиты; получить распределение коэффициентов постели под фундаментной плитой; разработать рекомендаций по оптимизации геометрических параметров фундаментной плиты с учетом НДС.

В ходе расчета были получены следующие результаты.

— Максимальная прогнозируемая осадка основания после завершения строительства составляет 54 мм, максимальная разность осадок 5 мм (рис. 10).

Рис. 10. Изолинии вертикальных перемещений геомеханического массива и подземной части

— В целом фундаментная плита претерпевает незначительные неравномерные осадки, которые не превышают допустимых значений. Следовательно, основное требование к проектированию высотных зданий по деформациям выполняется.

— Контактные напряжения под плитой распределены равномерно. Однако на периферийных зонах наблюдается концентрация напряжений.

— В процессе расчета были использованы следующие модули: модуль повторного нагружения, модуль, полученный в результате лабораторных испытаний и корректированный модуль для учета масштабного эффекта.

— Вычисленные по результатам расчета НДС системы «основание - плитный фундамент» коэффициенты постели под плитой могут быть использованы для детального расчета несущих конструкций, в том числе плиты, подземных и надземных частей здания с учетом их взаимодействия.

— Деформации надземной части здания (рис. 11), которая так же была смоделирована с целью определения характера ее взаимодействия с основанием. При моделировании надземной части были использованы элементы стен, плит перекрытий и колонн, в точности соответствующие конструктивным решениям данного проекта.

Полученные вышеописанные результаты удалось сопоставить с данными, получаемыми при деформационном мониторинге с использованием волоконно-оптических датчиков. Помимо общих рассматриваемых задач, был проведен ряд расчетов, непосредственно затрагивающих влияние и работу этих датчиков в вертикальных и горизонтальных конструкциях здания.

Рис. 11. Изолинии вертикальных перемещений надземной части здания

6). Объект строительства - комплекс зданий Армянской Апостольской церкви, расположенный в северном административном округе г. Москвы. Район благоустройства не имеет в радиусе предполагаемой зоны влияния зданий и сооружений. Проектируемый комплекс представлен сложной системой зданий: храм, культурно-просветительный центр, часовня и резиденция, объединенных общей стилобатной частью. Участок строительства свободен от застройки. Тип фундамента - монолитная железобетонная плита. Класс ответственности - I (уникальный). В связи со сложностью геологических условий участка (рис. 12) строительства в локальной области под культурно-просветительным центром (школой), возникла необходимость более детального рассмотрения работ по проектированию именно этой части фундаментной плиты. Целью задачи является проектирование фундаментной плиты под здание школы, определение осадок фундаментной плиты и влияния возводимых зданий друг на друга (рис. 13).

.................

¡111118!!!!!!! И!1!!!!!!!11й ..........................^

Рис. 12. Поперечный разрез по массиву грунта, вмещающего комплекс зданий Армянской Апостольской церкви

Спецификой данной задачи является конструктивная часть стилобата. Все перечисленные проектируемые здания располагаются на одной плите стилобата, подземная часть в свою очередь представлена единой фундаментной плитой и колоннами. Помимо этого в одной из частей фундаментной плиты (под зданием школы) в результате инженерно-геологических изысканий был определен торфяник, что могло привести в результате строительства к экстремальным деформациям.

Результаты расчета:

- расчёт НДС взаимодействия производился с учётом поэтажности возведения;

- результаты расчёта показали, что осадка плитного фундамента неравномерны и составляют от 1 до 8 см, у школы от 2 до 4 см;

- коэффициент постели изменяется по площади фундаментной плиты;

— для расчётов железобетонной конструкции плиты были взяты коэффициенты постели, полученные по результатам расчёта НДС системы «подземная часть-основание».

Рис. 13. Изолинии вертикальных перемещений пространственной модели

Выводы по статье.

Увеличение объема строительства высотных зданий в Москве и других городах Российской Федерации способствует накоплению опыта в области расчетов и конструирования фундаментов и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях: тесная городская застройка, закарстованные территории, динамическое воздействие (линии метрополитена) и т.д. Такой опыт чрезвычайно важен и полезен для решения геотехнических задач возникающих при проектировании и строительстве уникальных высотных зданий и комплексов.

На сегодняшний день востребованность кафедры МГрОиФ в области строительного проектирования обеспечена постоянным усовершенствованием методик проведения расчета, использованием современных программных комплексов, работой высококлассных специалистов-геотехников, участием в научных конференциях и съездах. Богатый опыт проектирования оснований и фундаментов, требующий решения сложных, нестандартных инженерных задач позволяет кафедре занимать достойное место в ряду проектных организаций мирового уровня, таких как НИИОСП, Фундаментпроект, Гидропроект и др.

Литература

6. Тер-Мартиросян 3. Г. Механика грунтов / Учебное пособие. - М.: Изд. АСВ, 2005. -488 с.

7. Ухов С. Б., Тер-Мартиросян 3. Г. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник / М.: Изд. АСВ, 2004, 524 с.

8. МГСН 4.19-2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов». 125 с.

9. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. М., 1986 г.

10. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М., 2004 г.

11. РЬАХБ ЗБ РоипсЫюп V. 1 / ЕсЬ Я.В.Г Вгп^гсус & Вгоеге. - АЬп^сЬп е.а.: Ва1кета, 2004 г.