Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ деформаций оснований зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок и защитных мероприятий для зданий
1.1. Анализ деформаций оснований зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок 20
1.1.1 Исследование деформаций оснований существующей застройки при прокладке тоннелей закрытым способом 22
1.1.2 Исследование деформаций оснований существующей застройки вблизи глубоких котлованов 26
1.2 Деформации надземных конструкций зданий вблизи котлованов и подземных выработок 38
1.3 Анализ применения защитных мероприятий для зданий вблизи котлованов и подземных выработок 43
1.3.1. Изменение типа фундаментов здания 44
1.3.2 Отсечные экраны 47
1.3.3. Компенсационное нагнетание цементного раствора в грунт... 50
1.4. Анализ работ по геотехническому мониторингу 52
Выводы по главе 1 54
Глава 2. Установление предельных дополнительных деформаций для зданий вблизи глубоких котлованов на основе данных геотех нического мониторинга 56
2.1. Геотехнический мониторинг при освоении подземного пространства в тесной городской застройке 57
2.1.1 Геотехнический мониторинг и требования к нему 58
2.1.2. Состав геотехнического мониторинга 60
2.1.3 Результаты геотехнического мониторинга 63
2.2 Предельные дополнительные деформации оснований зданий вблизи котлованов и подземных выработок 65
2.2.1.Дополнительный критерий оценки деформаций зданий вблизи котлованов и подземных выработок 67
2.2.2 Новый метод измерения кривизны подошвы фундаментов 81
Выводы по главе 2 86
Глава 3. Экспериментальные исследования деформаций оснований зданий вблизи котлованов 87
3.1. Факторы, влияющие на деформации оснований зданий вблизи котлованов 87
3.1.1 Виды ограждающих конструкций котлованов, их крепления и установление радиуса влияния котлована в зависимости от вида крепления стен котлована 99
3.1.2. Оценка влияния факторов на величину осадки зданий 102
3.2. Полуэмпирический метод расчета осадок зданий вблизи глубоких котлованов 124
3.2.1 Апробация полуэмпирического метода расчета осадок зданий вблизи глубоких котлованов 126
3.2.2 Рекомендации по выбору распорных конструкций ограждения котлована 129
Выводы по главе 3 132
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования деформаций ограждающих конструкций глубоких котлованов и грунтового массива .. 134
4.1 .Экспериментальные исследования деформаций ограждающих конструкций котлованов 134
4.1.1. Методика экспериментальных исследований деформаций ограждающих конструкций котлованов 134
4.1.2. Результаты измерений горизонтальных перемещений ограждающих конструкций котлованов 139
4.2 Изучение деформаций грунтовых массивов, вмещающих глубокие котлованы 148
4.3. Особенности деформирования грунтовых массивов вблизи глубоких котлованов по сравнению с массивами, сложенными структурно-неустойчивыми грунтами 150
4.4. Измерения горизонтальных перемещений существующей застройки 155
Выводы по главе 4 156
Глава 5. Численные методы исследования деформаций оснований зданий вблизи котлованов 158
5.1. Выбор расчетной модели грунтового основания 160
5.2.Исследование распределения деформаций основания по длине здания в зависимости от расстояния до котлована и грунтовых условий 168
5.3. Рекомендации по определению зоны усиления оснований и фундаментов зданий вблизи котлованов 182
5.3.1 Прогноз осадок оснований зданий по мере удаления от котлована 182
5.3.2 Определение кривизны подошвы фундаментов зданий по мере удаления от котлована 184
5.3.3 Определение зоны укрепления или усиления основания и фундаментов здания 187
Выводы по главе 5 190
ГЛАВА 6. Расчет совместных деформаций зданий и оснований вблизи глубоких котлованов 191
6.1 Постановка задачи 193
6.1.1 Задача о балке со смещением основания 193
6.1.2.Задачи о полубесконечной балке без учета влияния котлована 196
6.2. Полубесконечная балка вблизи глубокого котлована 207
6.3 Балка конечной длины вблизи глубокого котлована 214
6.4. Рекомендации по расчету деформаций оснований зданий на
ленточных фундаментах вблизи глубоких котлованов 219
Выводы по главе 6 226
ГЛАВА 7. Защитные мероприятия для зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок 227
7.1. Исследования эффективности устройства отсечных экранов
и свай усиления в различных инженерно-геологических условиях..227
7.1.ІЗдания вблизи глубоких котлованов 227
7.1.2. Здания вблизи подземных выработок 235
7.2 Исследование эффективности применения защитных мероприятий для зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок с учетом технологии производства работ 245
7.3 Экспериментальные исследования деформаций оснований зданий при применении защитных мероприятий, выполненных по струйной технологии 260
Выводы по главе 7 268
Общие выводы 271
Список литературы
- Исследование деформаций оснований существующей застройки при прокладке тоннелей закрытым способом
- Предельные дополнительные деформации оснований зданий вблизи котлованов и подземных выработок
- Виды ограждающих конструкций котлованов, их крепления и установление радиуса влияния котлована в зависимости от вида крепления стен котлована
- Методика экспериментальных исследований деформаций ограждающих конструкций котлованов
Введение к работе
В последние десятилетия в Москве и других крупных городах ведется строительство с освоением подземного пространства в условиях тесной городской застройки. В зону влияния глубоких котлованов и подземных выработок (например, коммуникационных тоннелей) попадают здания и сооружения, имеющие народно-хозяйственное, а зачастую, культурно-историческое значение. В связи с этим возникла проблема обеспечения сохранности существующей застройки. Поэтому проведение комплекса исследований, направленных на ее решение, весьма актуально. Выбор темы диссертационной работы был продиктован задачами, которые строители и проектировщики Москвы поставили перед геотехническими организациями и, в частности, НИИОСПом им.Герсеванова.
Существующие здания, особенно в исторической части города, имеют большой срок эксплуатации, в течение которого деформации, на которые были рассчитаны их конструкции при проектировании, большей частью реализовались. Для того, чтобы обеспечить их общую конструктивную устойчивость, необходимо либо применить такие технологии возведения рядом с ними объекта с подземной частью, которые минимизируют дополнительные деформации от нового строительства, либо устроить для зданий защитные мероприятия. К окружающей глубокий котлован или подземную выработку застройке неприемлем подход как к вновь проектируемым в части назначения предельных деформаций. Требовалось проведение исследований для назначения дополнительных предельных деформаций для зданий в зависимости от состояния их конструкций, которое и определяет выбор метода строительства и конструктивного решения подземного сооружения. Кроме того, необходимо было исследовать, какие величины деформаций вызывает устройство защитных мероприятий, различных по конструктивному решению и технологии устройства, для зданий. Наконец, встала задача разработки инструмента для обеспечения сохранности существующей застройки при освоении подземного пространства - геотехнического мониторинга, который потребовал, в свою очередь, применения нового, более технологичного и производительного метода измерения деформаций зданий по сравнению с широко распространенным в строительной практике нивелированием, а также критерия оценки деформаций зданий вблизи глубоких котлованов.
Диссертация посвящена исследованию деформаций зданий вблизи глубоких котлованов, изучению факторов, определяющих величину этих деформаций (относительной удаленности зданий от котлованов с учетом глубины заложения фундаментов, вида распорных и ограждающих конструкций котлованов, категории состояния конструкций существующих зданий и типа инженерно-геологических условий площадки строительства, характерных для Москвы), назначению величин предельных дополнительных деформаций для существующей застройки в зависимости от состояния их конструкций, установлению дополнительного критерия деформаций зданий вблизи котлованов - кривизны подошвы фундаментов, оценке возможности применения альтернативного метода измерения деформаций зданий вблизи глубоких котлованов - микронивелирования и назначения предельных деформаций зданий при использовании этого метода измерений, разработке метода прогноза деформаций зданий вблизи глубоких котлованов, позволяющего на предпроектной стадии работ определить объем капиталовложений по устройству защитных мероприятий для зданий и выбрать такое конструктивное решение нулевого цикла и такую технологию производства работ, которые минимизируют затраты на устройство защитных мероприятий для зданий и обеспечат нанесение им минимального ущерба при возведении подземного сооружения. Кроме того, диссертационная работа направлена на изучение эффективности применения защитных мероприятий для зданий, исследованию новой для Москвы технологии их устройства - струйной цементации, разработке рекомендаций по применению различного вида защитных мероприятий (свай усиления и отсечных экранов, устроенных по различным технологиям) для зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок. Также в диссертации разработаны состав геотехнического мониторинга и требования к нему. С помощью геотехнического мониторинга проведены вышеназванные исследования. Он является неотъемлемой частью работ по проектированию и строительству зданий с заглубленными помещениями в условиях тесной городской застройки.
Достоверность полученных результатов обеспечена методологией проведения экспериментальных работ, применяемыми при измерениях высокоточными приборами, использованием лицензированных компьютерных программ, моделей современной механики грунтов.
Цель работы — разработка рекомендаций по обеспечению сохранности существующих зданий в зоне влияния глубоких котлованов и подземных выработок на основе комплексного исследования их деформаций в зависимости от конструктивных параметров строящегося подземного сооружения и самой застройки в процессе геотехнического мониторинга с учетом назначения защитных мероприятий.
Задачи работы:
1. Разработка составных частей геотехнического мониторинга и требований к нему.
2. Установление закономерностей деформирования оснований зданий вблизи глубоких котлованов на основе изучения деформаций грунтового массива и ограждения котлованов.
3. Исследование величин деформаций оснований зданий вблизи глубоких котлованов, установление дополнительного критерия -кривизны подошвы фундаментов, назначение предельных дополнительных деформаций для существующих зданий на основе проведения геодезических измерений и визуально-инструментального наблюдения за состоянием надземных и подземных конструкций существующих зданий.
4. Оценка альтернативного метода измерения деформаций зданий вблизи глубоких котлованов -микронивелирования и назначение предельных дополнительных величин деформаций при этом методе измерений - разности углов наклона подошвы фундаментов.
5. Установление степени влияния факторов, определяющих деформации зданий в зоне глубоких котлованов: относительной удаленности зданий от котлована с учетом глубины заложения их фундаментов, типа ограждающих и распорных конструкций котлована, категории состояния конструкций существующих зданий, инженерно-геологических условий площадки строительства.
6. Разработка методов расчета деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов на основе натурных экспериментов, численного моделирования и аналитического решения задач в плоской постановке о деформациях балки на упругом основании, описываемом моделью Винклера, с учетом влияния котлована.
7. Сопоставление вычисленных по предлагаемым методам деформаций с расчетными величинами, полученными по методу конечных элементов и наблюдаемыми в натуре.
8. Разработка геотехнической компьютерной программы, позволяющей определять требуемую величину зоны усиления фундаментов здания вблизи котлованов - для предварительной оценки требуемого объема защитных мероприятий для зданий.
9. Разработка рекомендаций по выбору ограждающих и распорных конструкций подземного сооружения, а также технологии производства работ в зависимости от конструктивных особенностей существующих зданий, их статуса и категории состояния конструкций.
10.Исследование эффективности применения защитных мероприятий (свай усиления и отсечных экранов) для зданий в зависимости от конструкций и технологии устройства защитных мероприятий, удаленности зданий от глубоких котлованов и подземных выработок на основе проведения натурных и численных экспериментов. Разработка рекомендаций по применению защитных мероприятий для зданий с учетом инженерно-геологических условий. 11 .Разработка рекомендаций по применению струйной цементации для устройства защитных мероприятий (свай и отсечных экранов) для зданий вблизи котлованов и подземных выработок на основе натурных экспериментов в московских инженерно-геологических условиях. Научная новизна проведенных исследований состоит в том, что впервые:
• Изучены составные части геотехнического мониторинга при строительстве объектов с подземной частью в условиях тесной городской застройки;
• Исследованы совместные деформации оснований и конструкций многоэтажных кирпичных зданий (в том числе кривизна подошвы фундаментов), имеющих длительный срок эксплуатации, расположенных в зоне влияния глубоких котлованов;
• Изучен дополнительный критерий совместных деформаций оснований и зданий - кривизна, в том числе альтернативный метод ее определения - по результатам измерений разности углов наклона фундаментов с помощью микронивелированием;
• изучены факторы, определяющие величину максимальных осадок зданий вблизи глубоких котлованов: тип ограждения котлованов и распорных конструкций, относительная удаленность здания от котлована с учетом заглубленности его фундаментов, категория состояния конструкций существующих зданий и тип инженерно-геологических условий, характерных для Москвы; установлена степень влияния каждого фактора;
• исследованы закономерности деформирования оснований многоэтажных кирпичных зданий по их длине вблизи глубоких котлованов в зависимости вышеперечисленных факторов;
• изучены особенности деформирования грунтовых массивов при откопке подкрепленных котлованов по сравнению с деформированием грунтовых массивов при других видах техногенных воздействий ( подработка территорий, замачивание просадочных, набухающих и засоленных грунтов);
• определены величины горизонтальных и вертикальных перемещений ограждающих конструкций котлованов в инженерно-геологических условиях I.. ЛИ типов;
• установлены полуэмпирические зависимости максимальных осадок зданий вблизи глубоких котлованов от их относительной, удаленности от котлованов с учетом глубины заложения фундаментов зданий;
• на основе аналитического решения задач в плоской постановке о деформациях балки на упругом основании, описываемом моделью Винклера получены формулы осадки и кривизны подошвы фундаментов здания по его длине вблизи глубокого котлована с учетом удаленности от него здания;
• исследованы деформации оснований зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок при применении для них различных типов защитных мероприятий (свай усиления и отсечных экранов), установлена величина осадки, вызванная технологией производства работ при устройстве защитных мероприятий;
• исследованы деформации зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок при устройстве для них защитных мероприятий (свай и отсечных экранов), выполненные с использованием струйной цементации.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
• составлена таблица дополнительных предельных деформаций для многоэтажных кирпичных зданий с учетом категории состояния их конструкций, расположенных в зоне влияния котлованов; установлена их доля в величине дополнительных деформаций для новых зданий, регламентированных СП (50-101-2004. М., 2005);
• предложен полуэмпирический метод прогноза максимальных осадок зданий вблизи котлованов, который может быть использован для предварительных расчетов;
• разработан экспериментально-аналитический метод расчета деформаций зданий по их длине вблизи глубоких котлованов. Предложены формулы расчета осадки и кривизны подошвы фундаментов в зависимости от глубины котлована, удаленности от него здания, жесткости здания и коэффициента постели основания. Составлены справочные таблицы;
• разработана компьютерная геотехническая программа, позволяющая определять для котлованов глубиной до 12 м максимальные и по длине здания осадки в зависимости от расстояния от здания до котлована и инженерно-геологических условий площадки, а также требуемые размеры зоны укрепления фундаментов здания; программа может быть использована для предварительных расчетов и оценки объема защитных мероприятий на предпроектной стадии . работ;
• даны рекомендации по назначению типа ограждения котлована и распорных конструкций в зависимости от конструктивных особенностей окружающей застройки, категории состояния ее конструкций и относительной удаленности от котлована с учетом глубины заложения ее фундаментов;
• предложены рекомендации по эффективному применению защитных мероприятий различных конструкций и устраиваемых по различным технологиям, в том числе струйной, для зданий вблизи глубоких котлованов и подземных выработок;
• результаты исследований включены в геотехнические нормы общероссийского и московского значений.
На защиту выносится совокупность научных положений, на базе которых разработаны методика прогнозирования деформаций зданий вблизи глубоких котлованов и назначения защитных мероприятий для зданий, попадающих в зону влияния глубоких котлованов и подземных выработок, включающая в себя:
• положения о геотехническом мониторинге;
• дополнительные предельные деформации многоэтажных кирпичных зданий в зоне влияния котлованов, включающие основной критерий их оценки — кривизну подошвы фундаментов, а также метод ее измерения;
• оценку факторов, определяющих величину деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов: тип ограждающих и распорных конструкций; относительная удаленность здания от котлована с учетом глубины заложения его фундаментов; категория состояния конструкций существующих зданий; инженерно-геологические условия площадки строительства;
• расчет деформаций зданий в зоне влияния глубоких котлованов с учетом вышеперечисленных факторов;
• рекомендации по выбору защитных мероприятий для зданий в зоне влияния глубоких котлованов и подземных выработок.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации были доложены и опубликованы в трудах международных и отечественных конференций (Москва, 1999; Москва, 2000; Астана, 2000; Пермь, 2000; Пенза, 2000; Санкт-Петербург, 2000; Екатеринбург, 2001; Одесса, 2001; Санкт-Петербург, 2001; Лондон, 2001; Стамбул, 2001; Москва, 2001; Волгоград, 2001; Тюмень, 2002; Тулуза, 2002; Санкт-Петербург, 2003; Нью-Йорк, 2004; Алма-Ата, 2004; Осака, 2005; Пермь, 2005; Уфа, 2006). Основные результаты работы включены в нормативные документы:
1. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. СП 50-101-2004. М., 2005.
2. Московские городские строительные нормы. Основания, фундаменты и подземные сооружения. МГСН 2.07-01, Правительство Москвы. М., 2003, 136 с.
3. Пособие к МГСН 2.07.01 «Основания, фундаменты и подземные сооружения». Обследование и мониторинг при строительстве и реконструкции зданий и подземных сооружений. М., Правительство Москвы, Москомархитектура., 2004. 55 с.
4. Инструкция по наблюдению за сдвижениями земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве в Москве подземных сооружений. Госгортехнадзор России, М., 1997г., 73 с.
5. Рекомендации по проектированию и устройству оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции гражданских зданий и исторической застройки. Правительство Москвы, Москомархитектура., М., 1998г., 89 с.
6. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции. Правительство Москвы, Москомархитектура, М., 1998г., 89 с.
7. Рекомендации по проектированию и устройству оснований и фундаментов при возведении зданий вблизи существующих в условиях плотной городской застройки. Правительство Москвы, Москомархитектура, М., 1999г., 55 с.
8. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. Российская академия архитектуры и строительных наук.- М., 2004.-206 с.
Автор выражает глубокую благодарность за консультативное участие в работе акад. РААСН, д.т.н., проф. В.А.Ильичеву -в части применения кривизны подошвы фундаментов- критерия деформаций оснований зданий вблизи глубоких котлованов и разработке экспериментально-аналитического метода прогноза деформаций оснований зданий, д.т.н., проф. П.А.Коновалову - в части разработки методологического подхода к проведению натурных исследований, д.т.н., проф. Е.Б.Кореневой и д.т.н. проф.В.И.Шейнину - в части решения задачи о балке на упругом основании, моделирующей здание вблизи котлована, к. ф.-м. н. В.Б.Дубовскому и его коллегам из ОИФЗ РАН за проведение работ по микронивелированию, а также коллективу НИИОСП и, в особенности, лаборатории №2.
Диссертант благодарит д.т.н. проф. М.Ю.Абелева, Б.В.Бахолдина, А.А.Григорян, В.И.Крутова, В.П. Петрухина, Е.А.Сорочана, Л.Р.Ставницера, З.Г.Тер-Мартиросяна, к.т.н. И.В.Колыбина, Д.Е.Разводовского и В.Г.Федоровского, за ценные критические замечания по диссертации.
Работа выполнялась в лаборатории оснований и фундаментов на слабых грунтах НИИОСП им.Н.М.Герсеванова в рамках хоздоговорной и госбюджетной тематики НИЦ «Строительство» Росстроя РФ по проекту «Разработка проблем освоения подземного пространства мегаполисов с развитой инфраструктурой, включая аспекты расчета, проектирования и возведения крупномасштабных подземных сооружений, обеспечивающих жизнедеятельность крупных городских агломераций. (Этап 2. Договор №КЗ-3-5/2000 г.) и «Разработать научные основы подземного строительства в городах с обеспечением сохранности окружающей застройки и стабильности инженерно-геологических условий» ( Этап 2. Договор №КЗ-5-1/2001 г)
Исследование деформаций оснований существующей застройки при прокладке тоннелей закрытым способом
Исследование деформаций окружающей застройки вблизи котлованов ведется по двум направлениям: первое - численные исследования для каждого конкретного случая и экспериментальные исследования геодезические наблюдения за деформациями грунтового массива и существующих зданий. В обобщении мирового опыта строительства вблизи глубоких котлованов Burland J В, Standing, J R and Jardine F M (2001) [119] отмечают, что перемещения грунта зависят от ряда факторов: инженерно-геологических условий и уровня подземных вод, методов строительства, в том числе жесткости ограждающих конструкций котлованов и вида распорной системы. При этом они указывают, что эти вопросы мало исследованы и требуют глубокого комплексного анализа.
Первые обобщения экспериментальных наблюдений за деформациями грунтового массива вблизи глубоких котлованов сделал Реек, R В (1969) [161]. Он установил характер развития вертикальных деформаций поверхности грунта (осадок) uv, приведенных к глубине котлована Н, за пределами его ограждения для различных зон (по Реек, R В ) грунта: зона I -пески и глины полутвердые и твердые, зона II — мягкие (мягкопластичные и пластичные) глины и зона III - очень мягкие глины (текучепластичные и текучие). При этом Реек, R В проанализировал осадки поверхности за пределами котлованов, огражденных сплошным шпунтом, шпунтом из труб и с распорками из металлических труб. По мере развития новых методов устройства глубоких котлованов и технологий их ограждения, появлялись новые данные по осадкам прилегающего массива грунта.
На основе обобщения 530 экспериментов Moormann, Ch & Moormann, Н R (2002) [156], Moormann, Ch (2003) [154] дополнили данные Реек, R В (1969) наблюдениями при других типах ограждения: «стене в грунте» траншейного типа, из буросекущихся свай, из грунто-цементных свай (jet-свай), выполненных по струйной технологии, и при креплении ограждения котлована распорками из металлических труб и анкерами. Авторы построили графики зависимости осадки поверхности за пределами глубоких котлованов для трех видов (зон по Реек, R В) грунта (рис. 1.4).
Кроме того, в ходе наблюдений за деформациями ограждающих конструкций котлована, они исследовали связь между максимальными горизонтальными деформациями ограждающей конструкции и/," и максимальными вертикальными деформациями поверхности за пределами котлована uvmax. Исследователи установили следующее: Постулат Реек, R В (1969) о том, что щтах= щ""" не подтвердился; uvmax/uh"a=0,5..Л,0, иногда 2,0, что согласуется с результатами, полученными Goldberg, D Т , Jaworski, W Е, Gordon, М D (1976) [129]; Для глубоких котлованов в мягких грунтах максимальная осадка поверхности зависит от глубины котлована и находится в пределах uvmax/H =0,1...10,1 %, составляя в среднем uvmax/H= 1,1 %; максимальная осадка в плотных грунтах (песках и глинах) наблюдается на расстоянии от котлована х 0,5 ff, но в более мягких грунтах х 2,0 Н, что создает опасность для соседних зданий; максимальная горизонтальная деформация ограждающей конструкции iV" наблюдается на глубине z =0,5...1,0 Я в 67% опытов и по верху стены (z =0) в 21 % опытов. Hannik G, et al (2003) [131] при оценке риска проектов глубоких котлованов, огражденных «стеной в грунте» траншейного типа, в городской зоне для определения осадки поверхности используют эмпирическую зависимость осадок от расстояния до котлована, предложенную Clough, G W, and О Rourke (1990) [123] и Centre for Underground Construction (2000) [122] в Нидерландах (рис. 1.6). где у — Az/L (Az -осадка поверхности, L — глубина котлована); х = d/L (d—расстояние от точки на поверхности до котлована).
Зависимость (1.7) не учитывает нагрузку от здания. Она является обобщающей для всех типов грунтовых условий и видов распорных конструкций. X. Ноу and М. Xia (1994) [138] предложили описывать осадку поверхности за пределами котлована при его ограждающей конструкции с распорками параболой, а при консольной схеме ограждения - экспонентой. Однако, уравнение параболы дано в интегральном виде, что затрудняет выполнение расчетов.
В «Рекомендациях...» (1999г.) [6] И.В.Колыбиным были даны формулы для определения горизонтальных и вертикальных перемещений фундаментов, попадающих в призму активного давления грунта, для подкрепленных котлованов и для ограждающих конструкций, работающих по консольной схеме. Если фундамент находится вне призмы активного давления грунта, то его осадку рекомендовано определять численным методом. В работе [6] использовалось предположение, что площадь эпюры осадок поверхности грунта равна площади эпюры горизонтальных перемещений ограждающей конструкции и формы этих эпюр соответствуют друг другу, что, как показали дальнейшие исследования, не всегда имеет место. Так, на основе обобщения данных численного моделирования S.J.Boone, J. Westland (2005) [112] сделали вывод, что коэффициент соотношения площадей вертикальных и горизонтальных перемещений грунта за ограждением котлована равен 1,0 - для консольной схемы ограждения; 0,85 для подкрепленных котлованов и 1,1 -случая, когда убираются распорки (не за счет разуплотнения).
S.J.Boone, J. Westland (2005) [112] на основе анализа различных источников также предлагают определять осадку поверхности за пределами ограждения котлована пошаговым методом. Сначала вычисляется максимальное горизонтальное перемещение ограждающей конструкции. При этом даются поправочные коэффициенты на ширину котлована, жесткость распорных конструкций, модуль грунта, преднапряжение в анкерах. Затем вычисляется площадь эпюры горизонтальных перемещений, через вышеупомянутые коэффициенты определяется площадь эпюры вертикальных перемещений грунта. После этого вычисляется максимальная осадка поверхности. Кривая осадок в произвольной точке за пределами котлована имеет вид параболы для консольной схемы ограждения.
Предельные дополнительные деформации оснований зданий вблизи котлованов и подземных выработок
Разработанные НИИОСПом СНиП 2.02.01-83[8] и СП 50-101-2004[1] содержат таблицы величин предельных деформаций оснований для вновь возводимых зданий (Приложение 4 СНиП 2.02.01-83 [8] и Приложение Е СП50-101-2004[1]).
В п. 5.7.6 СП 50-101-2004[1] указывается, что для реконструируемых зданий «дополнительная осадка основания реконструируемого сооружения, вызванная реконструкцией, не должна превышать предельной дополнительной осадки, которая устанавливается с учетом уровня ответственности сооружения и категории состояния его конструкций (Приложение В). Однако, величины дополнительных деформаций оснований, не приводятся.
В исторических центрах крупных городов, и, в частности, в Москве, как правило, расположены здания кирпичные, многоэтажные с несущими стенами без армирования. Эти здания имеют некоторые из особенностей: давно эксплуатируются и имеют III или IV категорию состояния конструкций; перегруженное основание (р R, где р - давление по подошве фундамента, R - расчетное сопротивление грунтов основания); реконструируются; являются памятниками истории и архитектуры и не допускают появления трещин; большая часть их осадок уже произошла.
С началом работ по освоению подземного пространства и реконструкции в городе возникла необходимость в назначении предельно допустимых величин дополнительных осадок для вышеперечисленных зданий. НИИОСПом при участии автора были выпущены «Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположеннных вблизи нового строительства или реконструкции» (М., Правительство Москвы, Москомархитектура. М., 1999), включающие Приложение 5 «Предельные дополнительные деформации существующих зданий» (максимальную осадку, относительную разность осадок и крен) в зависимости от конструкций зданий, категории их состояния и статуса.
По мере строительства новых объектов с заглубленной частью накопленный нами банк данных по деформациям зданий в зоне их влияния расширялся. Анализ деформаций зданий и возникающих в них дефектов (возникновение новых и увеличение ширины раскрытия существовавших ранее трещин), представленных в табл. 2.1, показал, что примерно у 48 % зданий (рассматривалась выборка из 62 зданий) наблюдалось превышение одного или нескольких из трех видов деформаций: максимальных осадок, относительных неравномерностей осадок или кренов, - над предельно допустимыми величинами деформаций, определенными по табл. Приложения 5 «Рекомендаций по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции» (Правительство Москвы, Москомархитектура, 1998) [7]. При этом появление трещин было отмечено у 57 % зданий. Следовательно, не во всех рассмотренных случаях критерии обеспечения сохранности зданий - дополнительные предельно допустимые деформации зданий от влияния заглубленных сооружений - оказались назначенными верно. Отсюда вытекает, что вышеупомянутая таблица «Предельные дополнительные деформации существующих зданий» приведенная в Приложении 5 «Рекомендаций...» (Правительство Москвы, Москомархитектура, 1998) [7], требует корректировки. Диссертантом в соавторстве с В.А.Ильичевым и П.А.Коноваловым (В.А.Ильичев и др., 2001 [34]) были предложены новые уточненные значения предельных дополнительных деформаций для зданий: максимальных осадок, относительных неравномерностей осадок и кренов, а также рекомендовано при обследовании зданий ввести дополнительную категорию состояния конструкций здания - IV , характеризующую их предаварийное состояние.
На основе обобщения полученного экспериментального материала по деформациям зданий вблизи котлованов и подземных выработок составлена таблица 2.2. По ней можно определить ориентировочные величины дополнительных деформаций, которые получат здания исторической застройки центра Москвы в зависимости от их относительной удаленности от заглубленного сооружения с учетом глубины заложения их фундаментов и способа устройства котлована.
Как было показано выше, по трем ранее рассматриваемым видам деформаций: максимальной осадке, относительной неравномерности осадок и крену здания, - не всегда можно судить о наступлении II предельного состояния конструкций бескаркасных многоэтажных кирпичных зданий. Для этих зданий в п. Щримечании к таблице Е1 Приложения Е СП 50-101-2004[1] указаны предельные значения относительного прогиба и выгиба зданий, соответственно равные 0,5 (AS/L)U и 0,25 (AS/L)U {(AS/L)U -относительная разность осадок).
Для набухающих грунтов Е.А.Сорочаном были назначены предельные значения максимального и среднего подъема оснований, а также относительного выгиба в размере 0,25 (AS/L)U, а относительной разности осадок 0,5(AS/L)u.(u. 4 Примечания к таблице Е1 Приложения Е СП 50-101-2004[1]). В разработанном НИИОСПом Пособии к СНиП 2.02.01-83 (1983) [9] ( см. п.2.168) кривизна изгибаемого участка сооружения р «...используется для установления предельных деформаций основания по условиям прочности и трещиностойкости конструкций».
Поэтому для зданий на искривленной поверхности, в частности, вблизи котлованов, В.А. Ильичев предложил установить дополнительный критерий оценки их безопасного состояния- кривизну поверхности фундаментов р, 1/ м, поскольку здания вблизи котлованов реагируют на изменчивость разности осадок, а именно р является характеризующей ее величиной. Тогда согласно СНиП 2.02.01-83 [8], должно выполняться условие: S(x) [S], (2.1) где S(x) - максимальная осадка здания, см; [S] - предельно допустимая осадка для данного типа зданий, см. Предлагается ввести величину р (х) S7/ (х), 1/м.
Кривизна подошвы фундаментов вычисляется по результатам геодезических измерений осадок геодезических марок, установленных по контуру здания в его цоколе в точках с координатами х, х+Ах, х+2Лх, по формуле:
На московских объектах автором были определены следующие величины кривизны подошвы фундаментов окружающей застройки (табл.2.1 ...2.3).
Виды ограждающих конструкций котлованов, их крепления и установление радиуса влияния котлована в зависимости от вида крепления стен котлована
В Москве применяются следующие типы ограждающих конструкций котлованов: «стена в грунте», выполненная траншейным способом; «стена в грунте» из буросекущихся свай; ограждение из металлических труб (в том числе завинчиваемых) или двутавровых балок с деревянной забиркой; ограждение из грунтоцементных свай (jet-свай), выполненных по струйной технологии, армированных металлическими трубами; Ограждение из монолитного железобетона, устраиваемое способом подведения фундаментов захватками при устройстве заглубленных сооружений под пятном застройки, либо вплотную к существующему зданию.
При этом крепление ограждающих конструкций осуществляется -нижеперечисленными способами: анкерами, либо анкерными конструкциями (например, плитами с анкерными сваями); распорками из металлических труб; плитами перекрытий (метод «top-down»), при котором разработка нижележащего грунта ведется через специальные окна, оставленные в перекрытии.
Анкера или распорки могут устанавливаться в зависимости от глубины котлована и инженерно-геологических условий площадки в один или несколько рядов.
В зоне влияния котлованов оказывалась существующая застройка, характерная для центральных районов столицы конца XVIII, начала и середины XIX веков. Многим зданиям в соответствии с п. 4.3 [6] присвоен статус «памятники архитектуры», «исторические» («возраст» постройки более 100 лет) или старые («возраст» постройки более 50 лет). Как правило, это были двух-шестиэтажные жилые или административные здания, имеющие конструктивную схему с несущими продольными или поперечными стенами или смешанного типа: с несущими стенами и внутренним каркасом. Зачастую эти здания подвергались реконструкции, например, надстройке одним или двумя этажами. В отдельных случаях фундаменты зданий также подвергались реконструкции (укреплению, уширению, изменению конструкции (подведение плиты и т.д.) Фундаменты существующих зданий, как правило, были устроены на естественном основании: ленточные, отдельно стоящие или, реже, плитные. Материал тела фундаментов -бутовый камень, известняк, кирпичная кладка, у более поздней застройки - монолитный или сборный железобетон.
Натурные эксперименты показали, что способ устройства котлована определяет радиус зоны влияния строящегося заглубленного сооружения на окружающую застройку - гзв. Составлена таблица 3.3, с помощью которой можно определить, какие здания нужно включать в число наблюдаемых при проведении геотехнического мониторинга.
Данные таблицы включены в п. 14.5 Московских городских строительных норм «Основания, фундаменты и подземные сооружения» МГСН 2.07.01 [2].
Влияние строящегося заглубленного сооружения на окружающую застройку зависит также от относительной глубины заложения фундаментов существующих зданий и заглубленного сооружения - величины (H-h)/L. Аналогично условию п.6.5 [6] или 2.33 [8], для того, чтобы существующие здания не претерпели сверхнормативных деформаций, при устройстве заглубленных сооружений должно выполняться условие: (H-h)/L tg Фі + ci/p, (3.1) где фі и сі - соответственно расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта, принимаемые для расчета по первой группе предельных состояний; р — среднее давление под подошвой фундамента существующего здания от расчетных нагрузок, определяемых для расчета основания по несущей способности.
Эксперименты показали, что это условие распространяется не только на неподкрепленные котлованы, но и подкрепленные.
Учитывая, что фундаменты исторической застройки г. Москвы, за редким исключением, прорезают насыпные грунты и опираются на пески, либо суглинки, а давление под подошвой фундаментов зданий в соответствии с табл. 4.1[6] составляет 100...300 кПа, то должно выполняться условие:
Для зданий, опирающихся на пески (H-h)/L 0,5; Для зданий, опирающихся на глинистые грунты (H-h)/L 0,7. Если указанное условие не выполняется, то необходимо либо передавать давление от заглубленного сооружения на нижележащие грунты, например, опирать на сваи, либо устраивать дополнительную разделительную стенку между существующим зданием и заглубленным
Методика экспериментальных исследований деформаций ограждающих конструкций котлованов
Методика экспериментальных исследований деформаций ограждающих конструкций котлованов Экспериментальные исследования деформаций ограждающих конструкций котлованов включали в себя измерения: вертикальных перемещений; горизонтальных перемещений верха; инклинометрические измерения (измерения наклонов и горизонтальных перемещений по глубине).
Методика измерения вертикальных перемещений Для выполнения наблюдений за вертикальными перемещениями (осадками) ограждающих конструкций использовалась аппаратура:
1. Нивелир Ni-007 фирмы "Carl Zeiss Yena", предназначенный для проведения высокоточного нивелирования с ошибкой 0,5 мм на 1 км, в комплекте со штриховыми рейками с инварной полосой, на которой нанесены две шкалы, смещенные одна относительно другой на 2.5 мм.;
2. Электронный цифровой нивелир "TOPCON" DL-101C (Япония), предназначенный для проведения высокоточного нивелирования с ошибкой 0,4 мм на 1 км двойного хода, в комплекте с 3-метровыми фиброгласовыми рейками с BAR-кодом;
Для измерения вертикальных перемещений (осадок) марок, установленных по верху ограждающих конструкций котлована, применялся метод геометрического нивелирования в прямом и обратном направлении. Длина визирного луча не превышает 30-35 м, высота визирного луча над поверхностью земли не менее 0,8 м. Шаг установки марок - 4-5 м.
После полевых работ выполняется оценка точности измерений. Вычисляются фактические и допустимые невязки ходов по формулам: -F Дфак Лизм" -"исх Ьизм - измеренное превышение; пИсх - исходное превышение; FKon = ±0 5 мм(п) " п - количество штативов в ходе Уравнивание нивелирных ходов производилось при помощи программы WinLevel (США) — строгим параметрическим способом, с решением нормальных уравнений методом квадратных корней, подсчета средней квадратической ошибки единицы веса и определением абсолютных отметок деформационных реперов.
Методика измерения горизонтальных перемещений 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 устанавливаются в местах, соответствующих расчетным сечениям, назначенным геотехническим моделированием. Методика инклинометрических измерений. Методика измерений разработана в ОИФЗ РАН и ОАО «ДЕМОС». Инклинометрические измерения рекомендуются для определения горизонтальных перемещений по глубине ограждающих конструкций котлована в виде «стены в грунте» траншейного типа. До начала работ по ее бетонированию в каркас устанавливаются металлические трубы длиной до низа «стены в грунте» с заглушкой. В скважину опускается прибор инклинометра НИ-2, разработанный и изготовленный в ОИФЗ РАН. Производятся измерения наклонов скважин с целью определения наклона «стены в грунте».
Ошибка определения азимута инклинометра в скважине у большинства существующих приборов составляет величину около Г. Погрешность пространственного положения вектора наклона скважины 8i определяется соотношением: 8 і = i(cos8A) = і , где і — угол наклона скважины (относительно отвесной линии), SA-ошибка определения азимута.
При малых углах наклона скважины (до Г) относительная ошибка измерения угла, определяемая погрешностью азимутальной составляющей имеет величину менее 0.015%. При больших углах наклона /, вклад азимутальной ошибки 8А в погрешность измерения угла Si может быть весьма существенной.
Конструкция инклинометра обеспечивает легкое движение снаряда в стволе скважины и ориентирование его в любом заданном направлении при этом визирное устройство всегда указывает плоскость чувствительности датчиков.
В состав датчика наклона входят лазерный датчик перемещения и электромагнитный преобразователь с жесткой обратной связью.
Габаритные размеры съёмного контейнера: внешний диаметр - 60 мм, длина - 170 мм. Схематически прибор изображен на рис.4.1. Разрешающая способность прибора — 2 угловые секунды.
