От редакции. Современное городское
строительство предполагает не толь-ко возведение удобного жилья, но
и формирование комфортной среды обита-ния. Автомобильные стоянки, закупоривающие
транспортные артерии горо-да, убираются под землю. Здесь же организуется
магистральное движение транспорта. Поверхность земли предоставляется
пешеходу, место удушли-вых улиц занимают сады и бульвары. Такова перспектива
развития всех круп-ных городов мира. В этой связи значительно возрастает
роль геотехники, привлечение которой необходимо уже на стадии формирования
градострои-тельной концепции. Первым опытом организации подземного пространства
под целым кварталом городской застройки в Санкт-Петербурге является
так называемый «Морской фасад» города на Васильевском острове. Идея
проекта принадлежит главному архитектору города О.А. Харченко и извест-ному
петербургскому архитектору Е.Л. Герасимову. Разноэтажные здания (от
3 до 25 этажей), скверы и улицы размещаются на едином стилобате – заглубленном
подземном этаже.
Очевидно, что для инженерно-геологических условий Васильевского острова,
отличающихся наибольшей толщей слабых глинистых грунтов, успех проекта
зависит от эффективности решения геотехнических задач.
Наличие мощной толщи намывных грунтов, вопрос о завершении осадок тер-ритории
под весом которых остается открытым, осложняет задачу. В этих условиях
поиск оптимального варианта фундаментов под смежные разно-этажные строения
и стилобат требует проведения многофакторного рас-четного анализа.
Фрагменты такого геотехнического анализа приведены в статье профессора
В.Н. Парамонова.
Введение
Массовая застройка исторических городов в сложных инженерно-геологических условиях требует геотехнического сопровождения на всех этапах строительства. Одной из составляющих геотехнического сопровождения являются расчетно-аналитические исследования. В НПФ «Геореконструкция» накоплен значительный опыт таких исследований. Одним из наиболее интересных примеров является геотехнический анализ строительства нового жилого квартала на Васильевском острове в Санкт-Петербурге.
Застройка квартала 3-IIA на Морской набережной Васильевского острова предполагается корпусами различной этажности от (2 до 25 этажей). Под всем пятном застройки проектируются автостоянки, технические и складские помещения, заглубленные на 1,25 м от отметки планировки (+3,2 м БС).
Проектируемые здания монолитные с комбинированной конструктивной схемой: в цокольном и первом этажах – каркас, выше – поперечные несущие стены и продольная внутренняя стена. Перекрытия монолитные неразрезные. Наружные стены выполняются из кирпича и блоков пористого бетона с поэтажным опиранием на плиты перекрытия. Предполагаемые фундаменты под корпуса – забивные сваи сечением 35´35 см.
В геоморфологическом отношении площадка входит в состав Приневской низменности. Абсолютная отметка дневной поверхности составляет 3,2…4,8 м. С поверхности территория сложена насыпными и намывными грунтами. Насыпные грунты мощностью 1,4…2,6 м представлены песками, супесями с включениями строительного мусора, растительных остатков. Намывной слой, залегающий под насыпными грунтами, неоднороден по толщине, имеет мощность от 2,6 до 6,5 м, развит до абсолютных отметок –4,2…–0,2 м БС, представлен пылеватыми песками, реже пылеватыми супесями и суглинками.
Под техногенными отложениями вскрыта толща морских и озерных отложений мощностью от 4,0 до 15,1 м, представленных в кровле песками пылеватыми водонасыщенными и ниже пылеватыми суглинками слоистыми текучей и текучепластичной консистенции. Рядом скважин в толще песков вскрыты прослои пылеватых супесей текучей и пластичной консистенции мощностью 0,6… 1,4 м. С абсолютных отметок –6,0…–15,4 м залегают позднеледниковые отложения мощностью 3,9…10 м, представленные пылеватыми суглинками ленточными текучей консистенции и слоистыми с консистенцией от мягко- до тугопластичной. Абсолютная отметка подошвы позднеледниковых отложений составляет –13,7…–21,9 м.
Позднеледниковые отложения подстилаются глинистыми грунтами лужской морены, представленными пылеватыми супесями пластичными и твердыми с включениями гравия, гальки, валунов и пылеватыми суглинками с включениями гравия, гальки, валунов, с консистенцией от тугопластичной до твердой. Вскрытая мощность ледниковых отложений составляет 12,5...14,8 м.
Верхнепротерозойские отложения, представленные твердыми
глинами, вскрыты рядом скважин на абсолютных отметках –28,5...–29,1
м БС.
Геотехнические проблемы застройки квартала
С целью оценки геотехнической ситуации необходимо учесть следующие основные факторы, которые могут вызвать неравномерные осадки зданий и сооружений на застраиваемой территории:
1. Наличие толщи намывных и насыпных грунтов неравномерной мощности. Такие грунты чрезвычайно сложно использовать как основания сооружений, поскольку они имеют существенно неоднородные физико-механические характеристики, что может привести к трудно прогнозируемым осадкам зданий.
Намыв и подсыпка территории приводят к развитию длительных (в течение нескольких десятилетий) деформационных процессов в глинистых основаниях, в силу чего в настоящее время можно ожидать продолжающегося общего оседания территории.
В случае незавершенности консолидационных процессов в массиве грунта от намыва и подсыпки по боковой поверхности свай возникают отрицательные силы трения, снижающие несущую способность свай.
2. Наличие под техногенными грунтами слоя пылеватых водонасыщенных песков. В рассматриваемой геотехнической ситуации дополнительное уплотнение песков может наблюдаться при забивке свай.
3. Наличие в основании толщи слабых глинистых отложений. Эти грунты обладают существенной сжимаемостью и малой водопроницаемостью, большие неравномерные осадки территории за счет дополнительного нагружения (подсыпкой, намывом, весом сооружений) могут продолжаться десятилетиями и даже столетиями.
Слабые глинистые грунты обладают значительной чувствительностью к нарушению природной структуры (которое в рассматриваемом случае может быть вызвано забивкой свай), приводящей к увеличению сжимаемости грунта и снижению его прочностных характеристик. Согласно экспериментальным данным, при забивке 5-метровых свай в текучепластичные грунты на расстоянии 3d развивалось поровое давление, равное 0,025 МПа, что существенно превышало характерную для аналогичных грунтов структурную прочность. Поровое давление оказывалось близким к структурной прочности лишь на расстоянии 7d. Предполагается, что радиус воздействия забивки свай на структуру глинистых грунтов составляет, как минимум, около 15 диаметров сваи.
4. Неоднородное нагружение основания. Проектируемый квартал застраивается азноэтажными зданиями, что приведет к неравномерному нагружению пятна застройки и, соответственно, к неодинаковым осадкам проектируемых зданий и сооружений.
5. Наличие подземных сооружений. Проектом предполагается создание единого подземного пространства на территории застраиваемого квартала. В сложных геотехнических условиях рассматриваемой площадки достаточно проблематично обеспечить одинаковую осадку зданий и примыкающих подземных сооружений, в связи с чем следует ожидать появления разности осадок полов подземных помещений в пределах пятна застройки.
Таким образом, задача оказывается многофакторной и
требует выполнения комплекса экспериментальных и расчетно-аналитических
исследований. Рассмотрим основные проблемы, с которыми столкнулись проектировщики
на данном объекте.
Оценка несущей способности свай
Всего на площадке строительства было испытано
26 свай. Как оказалось, по результатам статических испытаний достаточно
проблематично выявить зависимость несущей способности свай от их геометрических
размеров и от вида грунта под острием сваи (рис. 1).
Рис. 1. Графики зависимости осадки свай от нагрузки по результатам статических испытаний ГПИИ "Фундаментпроект"
Тем не менее, требуется подобрать методику расчета несущей способности свай применительно к данным инженерно-геологическим условиям. Нами выполнено сравнение несущей способности свай, определенной по данным статических испытаний и вычисленной на основании данных статического зондирования. В ряде случаев несущая способность свай по данным зондирования превышает 200 т. В этих случая расчетная несущая способность принималась равной 200 т. Относительная погрешность в определении несущей способности по данным зондирования составляет –33...+65%. При этом наибольшие погрешности (свыше 20%) связаны с ошибкой в определении свойств несущих слоев № 6...9. Сравнение значений несущей способности свай показывает, что расчетные значения, полученные по данным статического зондирования для свай, погруженных до относительно податливых слоев 6 и 8, как правило, ниже, а для свай, погруженных до относительно прочных слоев №7 и 9, как правило, выше несущей способности, определенной на основании статических испытаний. Исключение составила несущая способность свай №19 (испытание №11) и №8 (испытание №19), опирающихся на слой №9, для которых расчетная несущая способность оказалась, соответственно на 33 и 21% ниже полученной из статических испытаний. Разница результатов натурных испытаний и данных статического зондирования имеет весьма широкий разброс. Тем не менее, точность прогноза несущей способности для большинства свай составляет 35% по несущей способности, рассчитанной и полученной из статических испытаний, отмечена в трех случаях из 26 в испытаниях №14, 15 и 17 (сваи №7, 1 и 5). Коэффициент корреляции между данными статического зондирования и испытаний свай статической нагрузкой достаточно высок для таких сложных инженерно-геологических условий и составляет R=0,72.
Таким образом, прогноз несущей способности свай по данным статического зондирования может быть выполнен с удовлетворительной степенью вероятности с коэффициентом корреляции R=0,72.
При проектировании свайных фундаментов у проектировщиков
часто возникает вопрос, являются
ли результаты статических испытаний свай критерием для оценки деформации
зданий. Исследования А.И.Работникова, Г.В.Новожилова
и других ученых показывают, что при оценке несущей способности длинных
свай и анализе графиков их испытаний нельзя пренебрегать деформацией
ствола сваи. Проанализируем результаты испытания некоторых свай.
Рис. 2. Испытание №2
Рис. 3. Испытание №3
На рис. 2, 3 приведены графики зависимости осадки свай от нагрузки (кривая 1). Очевидно, что осадка сваи должна определяться деформацией ствола сваи и окружающего грунта. На диаграммы нанесем графики деформации ствола сваи, предполагая, что он существенно менее деформативен, чем окружающий грунт (кривая 2). Однако, на начальном участке графиков расчетная осадка за счет деформации ствола сваи больше фактической осадки, складывающейся из осадок за счет деформации ствола сваи и деформации массива грунта. Отсюда следует, что в период статических испытаний на начальных ступенях нагружения деформация ствола мобилизуется не полностью. Очевидно, что на начальных этапах нагружения деформируется преимущественно верхняя часть ствола сваи. В нижней части касательные силы не превышают сил трения грунта по боковой поверхности сваи и создают условную «заделку» сваи в абсолютно жестком массиве. По мере нагружения постепенно происходит преодоление сил трения. Теоретические графики деформации ствола сваи пересекаются с фактическими графиками испытания свай в точке, близкой к участку резкого изменения кривизны фактического графика испытаний. Можно предположить, что в этой точке полностью преодолеваются силы трения по боковой поверхности и в работу включается острие сваи. Как видно из графиков, острие включается в работу при нагрузках, близких к несущей способности сваи. Можно заметить, что при нагрузке, соответствующей несущей способности сваи, примерно половина осадок накапливается за счет деформации ствола сваи и половина за счет деформации грунта.
Таким образом, в период испытаний свай (который можно
считать мгновенным по отношению к периоду эксплуатации здания) фактически
реализуется осадка за счет мгновенной деформации грунта, составляющей
около 1 см (!). Остальная часть осадок при испытаниях реализуется за
счет деформации ствола сваи, т.е. грунт работает как жесткая среда.
Реальные же осадки зданий на Васильевском острове в подобных инженерно-геологических
условиях при длительном приложении нагрузки (годы, десятилетия), по
данным наблюдений СПбГАСУ, СПбГТУ, ПКТИ, могут составлять
десятки сантиметров. Следовательно, результаты испытаний свай не могут
рассматриваться в качестве критерия деформируемости
грунта и никак не могут быть основанием для прогноза осадок зданий на
свайных фундаментах, а отражают только возможность срыва сваи по грунту.
С учетом неопределенности множества факторов (отсутствие прямых испытаний механических свойств грунтов, данных об окончании консолидационных процессов от веса техногенных отложений) при расчете осадок зданий на территории застраиваемого квартала было рассмотрено несколько «сценариев» развития осадок массива грунта. При этом рассматривались различные условия нагружения основания и различные факторы, которые могут повлиять на величину расчетной осадки:
Вариант 1. Механические свойства грунтов в расчетах приняты в соответствии с данными инженерно-геологических изысканий, в которых они определялись на основании таблиц нормативных документов. Осадки территории под весом техногенных отложений предполагались завершенными.
Вариант 2. Механические свойства грунтов в расчетах приняты в соответствии с данными инженерногеологических изысканий, в которых они определялись на основании таблиц нормативных документов. Осадки территории под весом техногенных отложений продолжают развиваться.
Вариант 3. Механические свойства грунтов приняты по результатам прямых лабораторных определений СПбГГИ в трехосных условиях на соседней площадке.
Выполним расчет осадок корпуса №1, возведение которого предполагалось в первую очередь строительства. Здание – двенадцатиэтажное с формой в плане, близкой к квадрату, с внутренним замкнутым двором. Под корпус были запроектированы 28-метровые сваи сечением 35х35 м, под подземные стоянки – 20-метровые сваи.
Ввиду неоднородного напластования грунтов, а также сложной геометрии нагружения расчетная оценка осадок выполнена с использованием одного из наиболее эффективных численных методов – метода конечных элементов.
Первая серия расчетов выполнена в упрощенной плоской постановке с использованием программного комплекса «Геомеханика», разработанного под руководством профессора А.Б. Фадеева сотрудниками НПФ «Геореконструкция». В программе реализована упругопластическая модель грунта предполагающая его линейное деформирование грунта в пределах поверхности, описываемой критерием Мора-Кулона, и равнообъемное течение грунта в предельном состоянии. Программа позволяет моделировать поэтапное изменение условий нагружения и геометрических контуров расчетной области.
Основные результаты расчета осадок можно свести к следующему:
1. При использовании механических характеристик грунтов, принятых по табличным данным, расчетная осадка здания по одному сечению составила 5,8…7,1 см, по другому, менее нагруженному – 4,9…5,9 см.
2. Учет дополнительных деформаций грунтового массива от веса насыпных и намывных отложений приводит к величине расчетной осадки здания 11,3…12,1 см по наиболее нагруженному сечению и 9,6…11 см – по второму сечению.
3. На основании характеристик деформируемости
среды, полученных для грунтов соседней площадки на стабилометрах
в лаборатории Санкт-Петербургского горного университета, расчетная осадка
здания достигает 22,4 см.
Сравнение результатов расчетов
с наблюдениями за осадками здания
прогноз дальнейших осадок
В настоящее время ведутся работы по строительству зданий первой очереди. Для корпуса 1 были организованы наблюдения за осадками здания. К настоящему моменту возведено 10 этажей из 12, что позволяет сравнить результаты расчетов осадок этого здания с фактическими значениями.
По данным текущих
наблюдений, осадка здания составляет до 4 см (рис. 4). Стабилизации
осадок по графикам не отмечается. Поскольку конечно-элементные расчеты
выполнялись с учетом полезной нагрузки на полную этажность здания, следует
ожидать, что осадка здания на конец монтажа и при заселении здания достигнет
расчетного значения 6…7 см. Теперь обратимся к опыту наблюдений за осадками
зданий на Васильевском острове (проф. С.Н. Сотников). Наблюдения проводились
в течение 12-13 лет с начала строительства.
Рис. 4. Результаты наблюдений за развитием
осадок возводимого корпуса 1
Шестнадцатиэтажный корпус на сваях длиной 24 м, погруженных до слоя плотной моренной супеси, за 12 лет наблюдений имел среднюю осадку 9,9 см, максимальную – 12,9 см. Эти осадки оказались в 2,5…3 раза выше рассчитанных. За 12 лет наблюдений полной стабилизации осадок не наблюдалось. Максимальная осадка на конец монтажа составляла около 4,5 см, т.е. составляла примерно третью часть от максимальной осадки, достигнутой на 12-й год наблюдений.
Двенадцатиэтажный корпус на сваях длиной 32 м, опирающихся на линзу прочного
грунта, подстилаемого более сжимаемым грунтом, за 12 лет наблюдений
имел среднюю осадку 22,4 см, максимальную – 28 см. Эти осадки оказались
в 3…3,5 раза выше рассчитанных. За 12 лет наблюдений полной стабилизации
осадок не наблюдалось. Максимальная осадка на конец монтажа составляла
около 10 см, т.е. примерно третью часть от максимальной осадки, достигнутой
на 12-й год наблюдений.
Таким образом, на рассматриваемом корпусе 1-й первой очереди застройки можно ожидать, что на конец монтажа без учета полезных нагрузок осадка здания составит 5…6 см, а осадка на 12 лет наблюдений – 15…18 см.
Такой прогноз подтверждает корректность выполненных расчетов и позволяет сделать следующие выводы:
1. Расчеты осадок зданий, выполненные на основании физико-механических характеристик грунтов, получаемых по компрессионным испытаниям с учетом повышающих коэффициентов, соответствуют работе основания на момент окончания монтажа, т.е. условно-мгновенному отклику основания.
2. Расчеты осадок, основанные на использовании деформационных характеристик, полученных прямыми трехосными испытаниями, отражают работу основания в течение длительного времени существования сооружения.
Последующие расчеты зданий выполнены в пространственных условиях с учетом совместной работы наземных конструкций, основания и фундаментов с использованием программного комплекса «FEM-models», разработанного под руководством профессора В.М.Улицкого сотрудниками НПФ «Геореконструкция» [1]. Из банка моделей работы грунта для решения данной задачи выбрана упругопластическая модель основания, предполагающая линейное деформирование грунта в пределах поверхности, описываемой критерием Мора-Кулона, и равнообъемное течение грунта в предельном состоянии. Пространственная инженерно-геологическая схема построена по имеющимся скважинам и точкам статического зондирования. Расчетная схема для одного из таких зданий приведена на рис. 5.
Рис.
5. Расчетная схема здания и основания
в пространственных условиях
При использовании компрессионных модулей деформации максимальная расчетная осадка здания составила 11,2 см и была приурочена к многоэтажному корпусу, осадка малоэтажной вставки составила 6,8 см. При возведении подземной стоянки на сваях ее максимальная осадка составила 10 см, приурочена к примыканию стоянки к многоэтажным корпусам и связана с влиянием осадок здания на осадку стоянки.
Минимальная
расчетная осадка стоянки составила 5 мм. Тем не менее, исходя из результатов
аналитических исследований, приведенных выше, следует ожидать, что осадка
зданий на период монтажа составит 70…80%, от расчетной,
а длительная осадка в 2…2,5 раза превысит расчетную.
Необходимо отметить следующие эффекты, возникающие при рассмотрении здания как жесткой конструкции, полученные расчетом. Как известно [2], в свайных кустах, объединенных жестким ростверком, нагрузка на сваи распределяется неравномерно. Наиболее нагруженными оказываются крайние и угловые сваи, наименее нагруженными – центральные (подробнее об этом см. в статье К.Г. Шашкина [3]).
Аналогичный эффект получен и при расчете сооружения на основании. В этом случае все сооружение работает как достаточно жесткая конструкция, в связи с чем возникают существенные усилия в сваях под наружными стенами и снижаются усилия в сваях под внутренними стенами. Существенно также возникновение значительных усилий в сваях, расположенных под углами корпусов. При этом изменение механических характеристик грунта практически не влияет на перераспределение усилий в сваях.
По эпюрам продольных усилий в сваях отмечено, что в сваях внутренних рядов продольное усилие по длине свай меняется несущественно, в то время как в наружных рядах усилие снижается до 2,5 раз. Этот эффект связан с работой грунта в межсвайном пространстве, в силу чего по боковой поверхности внутренних свай возникают меньшие силы трения, чем по боковой поверхности наружных свай. В результате было рекомендовано увеличить количество свай в наружных рядах и в углах здания, снизив их количество во внутренних рядах.
Приведенные выше фрагменты геотехнического анализа иллюстрируют многообразие и сложность вопросов, с которыми сталкивается проектировщик при проектировании кварталов разноэтажной городской застройки с развитым подземным пространством в условиях распространения слабых глинистых грунтов. Всесторонний многофакторный расчетный анализ является залогом успешной реализации проектов таких комплексов.