книги / Подземное строительство

грунта в забое до банкетки ножа колодца) возникла необходимость в его усилении. Специализированная на свайных работах организация выбрала и реализовала вариант усиления колодца путем передачи нагрузки от него на 26 тридцатиметровых буронабивных свай диаметром 620 мм, опирающихся на моренные грунты. Сваи объединили ростверком с верхней частью колодца.

а

б

в

Рис. 2.2. Опускной колодец, погружаемый в слабых грунтах: а – вид колодца после усиления сваями; б – мульда оседания за колодцем; в – валы выпора внутри колодца

После включения свай в работу погружение колодца приостановилось. Однако его дальнейшая откопка привела к значительному выпору грунта внутри колодца (см. рис. 2.2, в) и образованию заметной мульды оседания вокруг него (см. рис. 2.2, б). Днище колодца заплыло текучим грунтом. В результате суммарный крен колодца достиг 1200 мм.

Дальнейшие обследования (рис. 2.3) и оценка возникшей геотехнической ситуации методом конечных элементов (программные комплексы PLAXIS и FEMmodels) показали, что при деформировании в каждой

21

свае образовались три пластических шарнира, что практически привело к превращению сваи в «механизм», не позволяющий сопротивляться перемещениям.

Рис. 2.3. Перемещение буронабивной сваи усиления обогнало осадку ростверка

В итоге в качестве наиболее целесообразного варианта было выбрано закрепление грунта по струйной технологии (jet grouting) с анкерными креплениями в относительно твердых грунтах (такие анкера, работая на выдергивание, сопротивляются потере устойчивости грунта), что и было реализовано на практике (рис. 2.4), и осадки колодца стабилизировались.

Авторы исследований сделали вывод, который стоит процитировать: «Данный пример наглядно демонстрирует недопустимость проектирования подземных сооружений при недостаточности исходных данных, а также опасность неполного геотехнического анализа работы конструкций на стадии усиления».

При составлении проектов подземных сооружений следует учитывать, что большой вред окружающей среде наносят утечки из систем канализации и водоснабжения, сброс в водные объекты недостаточно неочищенных бытовых, производственных, поверхностных вод. В результате, по данным проф. В.И. Теличенка и других 48 % территории Москвы находятся в зоне геологического риска, 12 % – в зоне потенциального геологического риска и лишь 40 % территории безопасны с этой точки зрения.

22

Рис. 2.4. Работы по усилению основания опускного колодца

Таким образом, инженерно-геологические условия площадок являются во многом определяющим фактором при выборе конструктивного и технологического решения возведения подземных сооружений. Наиболее важным для подземного строительства является выявление участков с плывунными свойствами грунтов и большими водопритоками, оползнеопасных и закарстованых массивов, а также мест заброшенных карьеров, оврагов, балок, подвалов, водозаборных скважин, тоннелей, подземных коллекторов и т.п.

Если возведение подземных сооружений ведут с водопонижением или водоотливом, то учитывают, что увеличение скорости фильтрации воды может активизировать процессы механической и химической суффозии. Это приводит к дополнительным, зачастую неравномерным деформациям окружающей застройки. В этом случае для защиты сооружений проектируют водозащитные экраны, дренаж, закрепление илиуплотнение грунтов.

В условиях же подтопления территории при открытом способе строительства подземных сооружений предусматривают водопонижение и водоотлив, противофильтрационные экраны, гидроизоляцию конструкций. При закрытом способе в водонасыщенных песках и других неустойчивых грунтах применяют кессоны, замораживание, закрепле-

23

ние грунтов, водопонижение (возможно в комплексе с перехватом подземных потоков дренажем, ремонтом и профилактикой водонесущих коммуникаций, организацию стока поверхностных вод).

В районах распространения карста сооружения проектируют ниже зоны его активности, тампонируют полости, устраивают противофильтрационные завесы, закрепляют (уплотняют) грунт, регулируют сток поверхностных вод.

Для грунтов, обладающих плывунными свойствами, возможно использование методов их искусственного замораживания.

2.3. Особенности геотехнических обследований существующей застройки для подземного строительства

Геотехнические обследования зданий и сооружений для решения задач подземного строительства проводятся специализированными организациями в соответствии с техническим заданием и должны дать исчерпывающий анализ состояния существующих оснований и фундаментов, обеспечить комплексное изучение условий влияния нового подземного строительства на существующие здания, быть достаточными для выбора наиболее надежного и экономически целесообразного проектного решения. Чаще обследованиям подлежат объекты, по которым нет достаточно достоверной информации об их фундаментах и инженерногеологическим условиях.

Такое задание помимо традиционной для инженерно-геологических изысканий информации должно, в частности, содержать:

–наименование и сроки эксплуатации объекта реконструкции;

–наименование и адрес организации-исполнителя первоначального проекта строительства существующего здания (сооружения);

–ведомости о целях подземного строительства и реконструкции, технические характеристики сооружений до и после подземного строительства и реконструкции (размеры в плане, высота, этажность, тип и параметры оснований и фундаментов);

–данные о действующих и будущих, в том числе динамических и переменных статических, нагрузках на основание;

–положение в плане здания относительно подземного сооружения;

–информацию об особенностях технологического процесса при возведении подземного сооружения;

–данные о наличии в непосредственной близости от объекта обследования водонесущих коммуникаций, искусственных и природных во-

24

доемов, дамб, подпорных сооружений и других режимообразующих факторов;

–возможности и варианты усиления фундаментов и закрепления грунтов;

–особые требования к материалам инженерно-геологических обследований, точность и обеспеченность данных, которые следует получить.

Составлению этой программы предшествуют сбор и детальное изучение архивных материалов инженерно-геологических изысканий на площадке строительства, проектов существующего здания и инженерной подготовки территории, возможных данных наблюдений за деформациями оснований здания, документов о состоянии защитных сооружений и подземных коммуникаций, визуальный осмотр здания для выявления деформаций конструкций, вызванных деформациями основания. Состав, объем, методика инженерно-геологических изысканий зависят от видов строительства и реконструкции, геотехнической категории, уровня ответственности здания (сооружения) и его технического состояния.

Геотехническую категорию объекта назначают с учетом технических параметров, состояния, значимости здания, вида и целей реконструкции, срока эксплуатации, возможного его влияния на окружающую среду, сформировавшиеся инженерно-геологические условия.

Число скважин и точек зондирования принимают достаточным для определения условий залегания и свойств грунтов в пределах всей сжимаемой толщи, выделения участков с измененным от техногенного влияния грунтом. Самый распространенный и одновременно достоверный метод обследований существующих оснований и фундаментов – проходка шурфов до подошвы фундаментов основных несущих стен или колон. При этом устанавливают конструкцию, размеры в плане и глубину заложения (рис. 2.5), техническое состояние фундаментов (неразрушающими способами определяют прочность его материала), возможное наличие свай, наличие и состояние противокапиллярной гидроизоляции, путем отбора монолитов или колец с грунтом с их последующими лабораторными испытаниями устанавливают фактические значения характеристик грунта под подошвой фундаментов (в пределах возможной зоны уплотнения).

Длину и сплошность бетонных и железобетонных свай определяют по динамическим тестам ITS, а их несущую способность – статическими испытаниями после срубки их участка непосредственно под ростверком и установки на сформировавшуюся голову сваи насадки и домкрата, упором которому обычно служит ростверк.

25

Рис. 2.5. Обмер фундамента в шурфе при инженерно-геологических обследованиях

Следует предостеречь геотехников в использовании при проектировании повышающих коэффициентов mk на значения модулей де-

формации слабых грунтов ( E < 5 МПа), полученных по данным компрессионных испытаний. Итоги длительных (25–40 лет) геодезических наблюдений за осадками зданий и сооружений на этих грунтах, выполненные профессорами Н.Л. Зоценком, С.Н. Сотниковым, Р.А. Усмановым и авторами этой книги, показали, что для расчета осадок их оснований корректно использовать данные компрессионных испытаний этих

грунтов без повышающих коэффициентов mk .

Например, на рис. 2.6 показаны последствия сверхнормативных (до 30 см при допустимой величине Su = 15 см) осадок оснований (водо-

насыщенные лессовидные грунты с E < 5 МПа до глубины 9 – 9,5 м) плитных фундаментов (диаметр поперечного сечения соответственно 15,5, 18,4, 23,5 м при глубине заложения 2,2 м) 30 металлических силосных корпусов (трех типов: на 2370; 3818; 6230 т зерна при среднем давлении под подошвой фундаментов 180–205 кПа) цилиндрической формы зернохранилища под г. Прилуки Черниговской области.

Проектировщики ошибочно применили повышающие коэффициенты mk к итогам компрессионных испытаний. В результате величины модуля

деформации грунтов непосредственно под подошвой фундамента оказались завышенными в 2–3 раза, что уже в первый год эксплуатации этих

26

силосных корпусов привело к существенному превышению предельных значений осадок таких сооружений (рис. 2.6, б) и, как следствие, к проблемам в эксплуатации подсилосных галерей соседних силосов(рис. 2.6, в).

а

б

в

Рис. 2.6. Зернохранилища, основания которых получили сверхнормативные осадки: а – общий вид корпусов; б – осадочные воронки вокруг них; в – неравномерные осадки подсилосной галереи соседних силосов в месте деформационного шва

27

По материалам инженерно-геологических обследований существующей застройки составляют технический отчет, содержащий:

–исходные данные и планируемую техническую характеристику нового объекта;

–описание общего техническогосостоянияпо визуальному осмотру;

–описание его конструкций и их состояния с указанием прочностных характеристик материалов;

–данные о напластовании грунтов с высотными привязками, указанием уровня грунтовых вод, его положения по прогнозу, водоупоров, водовмещающих пород; планы несущих конструкций и фундаментов;

–планы подземных сооружений и коммуникаций; данные о наблюдении осадок; описание шурфов и скважин; геологические разрезы по основным линиям расположения несущих конструкций;

–физико-механические характеристики грунтов;

–результаты поверочных расчетов существующих оснований и фундаментов на ныне действующие нагрузки, а также нагрузки и воздействия, вызванные устройством подземного сооружения, в том числе итоги численного моделирования методом конечных элементов (МКЭ)

сиспользованием лицензированных программных комплексов для оценивания напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «существующее здание – его фундамент – массив окружающего грунта

– проектируемое подземное сооружение» и т.п.

28

Глава 3. КОНСТРУКЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Подземные сооружения необходимо проектировать на основе применения достижений подземной архитектуры с использованием многообразных объемно-планировочных и конструктивных решений, современных строительных технологий и материалов [8].

При размещении подземных сооружений, обосновании и выборе технических решений и технологии производства работ должен применяться комплексный подход, состоящий в совместном рассмотрении трех составляющих: первая – наземная часть города со зданиями, дорогами, инженерной инфраструктурой, водной средой; вторая – подземная часть города, включающая тоннели и станции метрополитена, автотранспортные тоннели, подземные объекты любого назначения, подземные коммуникации и др.; третья – инженерно-геологическая среда. Эти три составляющие должны учитываться в процессах планирования, инвестирования, проектирования, строительства и эксплуатации объектов, размещаемых в подземном пространстве.

Воспользуемся принятой терминологией при классификации подземных этажей зданий, хотя на бытовом уровне понимания некоторые из них рассматриваются как синонимы [9]. А именно:

–этаж надземный – этаж с отметкой пола помещений не ниже планировочной отметки земли;

–этаж подвальный – этаж с отметкой пола ниже планировочной отметки более чем на половину высоты расположенных в нем помещений;

–этаж подземный – этаж с отметкой верха перекрытия не выше планировочной отметки земли;

–этаж цокольный – этаж с отметкой пола ниже планировочной отметки земли, но не более чем на половину высоты расположенных в нем помещений.

Освоение подземного пространства позволяет решать следующие задачи градостроительства:

–предельно компактно размещать здания и сооружения самого различного назначения в наиболее нужных для города местах, в том числе

вусловиях крайне стесненной застройки;

–совершенствовать транспортное обслуживание населения со значительным повышением скоростей сообщения благодаря использованию подземных рельсовых путей (электрифицированных железных до-

29

рог, метрополитена традиционного и новых модификаций, «скоростного трамвая»), а также благодаря организации на отдельных участках магистральных улиц и автомобильных дорог непрерывного движения;

–обеспечивать оптимальные условия для развития, эксплуатации и ремонта городских инженерных сетей;

–решать проблему постоянного и временного хранения непрерывно возрастающегопарка легковых автомобилей и других видов транспорта;

–обеспечивать значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

3.1.Конструктивные решения и требования к материалам

Конструктивные и технологические решения подземных сооружений, возводимых в условиях тесной городской застройки, должны обеспечивать сохранность близрасположенных существующих сооружений, для чего необходимо предусматривать:

–исследование влияния нового строительства на изменение напря- женно-деформированного состояния грунтового массива и режима подземных вод;

–обследование оснований, фундаментов и конструкций окружающих сооружений;

–расчетный прогноз деформаций сооружений, попадающих в зону влияния подземного строительства;

–разработку, при необходимости, защитных мероприятий;

–организацию геотехнического мониторинга [8].

Основные технические решения, принимаемые при проектировании подземных сооружений (расположение в плане и по глубине, тип и форма сечения, конструктивные решения несущих конструкций и фундаментов, способ защиты от подземных вод и др.), должны обосновываться путем сравнения технико-экономических показателей различных вариантов проектных решений с учетом затрат на строительство и эксплуатацию сооружения.

Конструкции подземных сооружений выполняются преимущественно из железобетона. Однако возможно сочетание железобетона с металлическими конструкциями (стальной прокат, чугун), с конструкциями из камня (горные выработки и вскрытые скальные породы, кладка из природного камня). Как правило, используются на практике следующие конструктивные схемы:

– сборная (сборный железобетонный каркас и сборное железобетонное перекрытие);

30