N5, 2002

ОТРАЖЕНИЕ В НОВЫХ НОРМАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЙ, ФУНДАМЕНТОВ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ ПЛОТНОЙ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ (НА ОСНОВЕ ОПЫТА РАЗРАБОТКИ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ДЛЯ Г. МОСКВЫ)

ИЛЬИЧЕВ В.А., МАРИУПОЛЬСКИЙ Л.Г., МИХЕЕВ В.В., ТРОФИМЕНКОВ Ю.Г., ИГНАТОВА О.И.

Введение

При большом разнообразии инженерно-геологических условий в г. Москве во многих случаях строительство новых зданий на площадках с плотной застройкой приводит к деформациям, а иногда и разрушениям близрасположенных зданий. Для обеспечения надежности существующих зданий при строительстве новых зданий любой конструкции на застроенных площадках с различными грунтовыми и гидрогеологическими условиями потребовалась разработка комплекса нормативных документов, основные из которых приведены в списке литературы.

Особенности проектирования оснований и фундаментов новых зданий и подземных сооружений в условиях плотной застройки и необходимость обеспечить надежность и сохранность существующих зданий требуют тщательного рассмотрения и учета особенностей строительных площадок, характеристик грунтов и проектируемых зданий, возможных конструкций их фундаментов, а также технических характеристик и состояния конструкций существующих зданий. При этом должны быть учтены особенности экологической обстановки на участке строительства и разработаны необходимые инженерные решения для защиты или улучшения экологической обстановки. Этим проблемам и посвящены нормативные документы, разработанные в течение 1997−2000 гг. НИИОСПом им. Н.М. Герсеванова (головная организация) при участии ведущих институтов и специалистов Москвы в области геотехники.

Изыскания

В разработанных документах отражены особенности инженерно-геологических изысканий в условиях плотной застройки Москвы с учетом геотехнической категории зданий и сооружений. Введены три геотехнические категории сложности сооружений, устанавливаемые в зависимости от вида и характера самого сооружения и инженерно-геологических условий площадки строительства.

На территории Москвы залегают разнообразные по происхождению и возрасту грунты. На основе проведенного статистического обобщения архивных материалов Мосгоргеотреста для перспективных районов массовой застройки составлены типовые инженерно-геологические колонки, которые сопровождаются средними значениями физических (плотность, консистенция), прочностных (угол внутреннего трения, сцепление) и деформационных (модуль деформации) характеристик, а также показателей статического зондирования (qs и f). Эти данные рекомендуется использовать при составлении технического задания на производство изысканий и на предварительных этапах проектирования.

На территории Москвы наряду с благоприятными для строительства грунтовыми условиями (песчаные отложения средней плотности и плотные глинистые отложения ледникового комплекса – от тугопластичной до твердой консистенции) встречаются неблагоприятные специфические грунты и развиты негативные геологические и инженерно-геологические процессы. К специфическим грунтам относятся рыхлые пески, пучинистые, набухающие и слабые глинистые грунты, а также толщи техногенных грунтов, развитые особенно в центральной части города. К негативным процессам относятся оползни, карст, суффозия, подтопление, динамические воздействия, различные техногенные воздействия, неблагоприятные участки древних эрозионных долин. Именно на эти сложные для строительства условия обращается основное внимание и даются рекомендации об экономической целесообразности увеличения объема инженерно-геологических изысканий на 30% для сооружений нормального уровня ответственности и 60% – для сооружений повышенного уровня ответственности против рекомендуемых действующими нормативными документами [6].

В МГСН 2.07–97 [1] приводятся схематические карты инженерно-геологического районирования Москвы по степени опасности проявления карстово-суффозионных и оползневых процессов и даны рекомендации по изысканиям в опасных районах.

В связи со сложной гидрогеологической обстановкой, характерной для застроенных районов Москвы, и наблюдающейся тенденцией к подтоплению особое внимание в документах уделяется рекомендациям по изучению гидрогеологических условий площадки, прогнозу их изменения в связи с новым строительством и влиянием на рядом расположенные здания.

В связи с большой неоднородностью напластований грунтов, наличием толщ техногенных грунтов и древних эрозионных долин, возможностью проявления опасных природных и техногенных воздействий рекомендовано сокращение в условиях городской застройки расстояний между буровыми скважинами до 10 м, всемерное применение статического зондирования и геофизических методов, при этом среди последних в городских условиях следует отдавать предпочтение скважинным методам.

Для грунтовых условий Москвы разработаны новые табличные данные и уравнения для назначения плотности сложения песков и характеристик φ, С и Е песчаных и глинистых грунтов по результатам статического зондирования (табл. 1 − 3).

Для определения значений Е в зависимости от qs рекомендованы следующие зависимости:

Проектирование

При выборе типа фундамента и состава проекта МГСН 2.07−97 [1] рекомендуют учитывать геотехническую категорию проектируемого объекта. В соответствии с [1] при проектировании выделяются три геотехнические категории: 1, 2 и 3. Геотехническая категория 1 включает небольшие сооружения пониженного уровня ответственности в простых инженерно-геологических условиях (в сфере взаимодействия сооружения с геологической средой отсутствуют специфические грунты и опасные геологические процессы). Геотехническая категория 2 включает наиболее массовые объекты строительства: жилые дома в 4 − 22 этажа, подземные пешеходные переходы, возводимые в грунтовых условиях средней сложности. Геотехническая категория 3 включает особо ответственные, сложные и уникальные здания и сооружения в любых геологических условиях, а также другие сооружения, проектируемые в сложных инженерно-геологических условиях (в сфере взаимодействия сооружения с геологической средой имеются специфические грунты и опасные геологические процессы). Отметим, что в прил. 14 МГСН 2.07−97 приведены данные об уровне ответственности подземных и заглубленных сооружений в г. Москве, а также зданий и сооружений, на которые может оказать влияние подземное строительство.

Таблица 1

Глубина зондирования,
м

Значения qs, МПа, для песков

плотных

средней плотности

рыхлых

3 и менее

5

10 и более

Свыше 7

Свыше 10

Свыше 15

От 2,5 до 7

От 3 до 10

От 5 до 15

Менее 2,5

Менее 3

Менее 5

Примечание. Для промежуточных глубин зондирования значения qs определяются интерполяцией.

Таблица 2

Глубина
зондирования, м

Значения j0 при qs, МПа, равном

1

2

3

4

5

6

>10

2

5 и более

30

28

32

30

34

32

36

34

38

36

40

38

42

40

Таблица 3

Значения

qs, МПа

Значения j0 и С, КПа, для грунтов

покровных, моренных и озерно-ледниковых

флювиогляциальных

Суглинки

Глины

Суглинки

Глины

j0

С

j0

С

j0

С

j0

С

1

15

22

13

35

14

20

12

29

2

17

43

16

57

16

35

15

46

3

20

63

19

79

19

50

18

63

4

23

83

22

101

22

65

21

80

В Рекомендациях [4] приведены указания о порядке проведения работ по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи вновь строящихся и реконструируемых объектов, а также мониторингу при инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических изысканиях.

Среди новых конструкций свай, приведенных в нормах, следует отметить конструкции из бурозавинчивающихся свай [2], успешно используемые для усиления фундаментов существующих зданий и устройства ограждения котлованов.

Бурозавинчивающаяся свая, изготавливаемая по патенту РФ № 2073084 "Способ возведения сваи в грунте", состоит из металлической трубы, крестообразного наконечника и спиральной навивки. Она погружается путем вращения в сочетании с вдавливанием. Диаметр труб – от 100 до 600 мм, длина – до 12 м. Спиральная навивка представляет собой непрерывный металлический стержень треугольного, квадратного или круглого сечения, (например, арматуру) шириной (0,04–0,06)d, приваренный к трубе с шагом (0,5–1,0)d, где d  – наружный диаметр трубы. Сваи погружаются в грунт установками типа СО–2 или СО–1200. В зависимости от местных условий сваи устраиваются с глухим или съемным наконечником.

Сваи с глухим наконечником рассчитываются по деформациям в соответствии с требованиями раздела 6 СНиП 2.02.03–85, а со съемным – аналогично конструкциям из буронабивных свай типа БСИ, изготавливаемых с использованием инвентарных извлекаемых обсадных труб. Для определения несущей способности свай в [2] приводится формула, по которой трение на боковой поверхности сваи определяется по табл. 2 СНиП 2.02.03–85, а сопротивление под нижним концом – по прочностным свойствам грунтов в соответствии с рекомендацией [2].

Наиболее опасными видами работ вблизи существующих зданий и сооружений являются:

К основным неблагоприятным последствиям вредных воздействий на окружающую среду относятся:

При выборе проектных решений по экологической защите МГСН 2.07–97 рекомендует рассмотреть, в зависимости от природных и градообразующих условий, противокарстовые, противооползневые и водозащитные мероприятия, меры по защите подземных вод и грунтов от загрязнения, решить вопросы отвалов загрязненного грунта и сохранения растительного слоя.

Проектирование оснований и фундаментов при наличии специфических грунтов, а также на закарстованных территориях МГСН 2.07–97 рекомендует выполнять по действующим главам СНиП 2.02.01–83* и 2.02.03–85.

Для обеспечения безопасности существующих зданий и сооружений, вблизи которых планируется новое строительство, Рекомендациями [5] предусмотрено применение следующих основных методов их защиты и производства работ:

Одной из главных проблем при строительстве новых зданий на застроенных территориях являются недопустимые деформации оснований близлежащих зданий. В Рекомендациях [5] приведены методы определения величин возможных дополнительных деформаций и способы их предотвращения. Так, например, для определения перемещений фундаментов существующих зданий, попадающих в зону влияния, необходимо выполнить расчет ограждающих конструкций котлованов в соответствии с требованиями, приведенными в [1]. Расчет осадок и горизонтальных смещений существующих фундаментов допускается производить без учета жесткости элементов здания. В расчетах гравитационных стен и консольных гибких подпорных стен, т.е. устраиваемых без использования анкерных и распорных элементов, допускается применение методов, в которых давление грунтов на подземные сооружения рассматривается как сумма заданной активной нагрузки и реактивного отпора основания. В остальных случаях следует использовать численные методы.

В Рекомендациях [5] приведены справочные величины перемещения верха консольной ограждающей конструкции (u0) для различных грунтовых условий в зависимости от глубины котлована (до 6 м) и типа ограждения. На рис. 1 приведен для примера график для глины. Значения u0 вычислены для стенки с глубиной заложения, равной глубине котлована, и поверхностной равномерно распределенной нагрузкой 10 КПа при уровне подземных вод ниже дна котлована.

 

Глубина котлована H, м

Рис. 1. Зависимость u0 от глубины котлована Н в глинах: 1 – стена в грунте толщиной 600 мм, EI=540000кНм2; 2 – шпунт «ларсен-5», EI=107000 кНм2; 3 – ограждение из труб 325 мм с шагом 1 м, EI=21000кНм2.

 При строительстве в условиях плотной городской застройки часто возникает необходимость погружения свай и шпунта. В Рекомендациях [3] указано, что по условию динамических воздействий от забивки свай при реконструкции расстояние между ними и существующими зданиями, как правило, должно назначаться не менее 20 м. Меньшее расстояние допускается принимать только по результатам пробной забивки свай с измерением фактических скоростей колебаний и проверки их допустимости для зданий. Безопасные значения скорости колебаний (V) зданий могут приниматься в соответствии с табл. 4 (табл. 4.1 Рекомендаций), а их величины при пробной забивке свай – определяться по формуле

V=2 π α δ < [V],  (1)

где α и δ – соответственно амплитуда и частота колебаний, определяемые экспериментально при пробной забивке свай.

Подпись: Таблица 4


Конструкции зданий 
и сооружений	Допустимые скорости колебаний, см/c, 
при грунтах основания
	песчаные грунты
	плотные	средней плотности	рыхлые
	глинистые грунты при показателе текучести
	IL<0,5	0,5<IL<0,5	IL>0,5
Монолитные железобетонные и каркасные со стальным каркасом	
6,0	
4,5	
1,5
Каркасные с рамным каркасом из монолитного железобетона	
4,0	
2,0	
0,7
Кирпичные блочные и панельные	3,0	1,5	0,5

Если соблюдено вышеуказанное требование по скорости колебаний, забивные сваи возводимых зданий должны располагаться от конструкций существующих зданий на расстоянии 12 значений наибольшего размера поперечного сечения свайного ствола. При этом погружение свай и шпунта при реконструкции рекомендуется производить с учетом указаний ВСН-490–87 Минмонтажспецстроя СССР. Дополнительные деформации основания, вызванные динамическими воздействиями, выбираются в зависимости от ускорения вертикальных колебаний фундаментов, типа грунтов, конструктивной схемы здания и категории его состояния, определяемого по прил. 5 Рекомендаций [4].

Для предварительного определения скоростей колебаний грунта при погружении забивных свай молотами различной мощности нами на основе работы [8] разработано дополнение к Рекомендациям [3].

Используя известные теоретические решения задачи о затухании колебаний грунта при динамическом ударе (формула Голицина), автор работы [8] принял следующую формулу для определения амплитуды скоростей колебаний грунта на расстоянии r от источника колебаний:

А=А1 I1 ,  (2)

где А1 – амплитуда скоростей колебаний на расстоянии r1 (характерная скорость); I1 – коэффициент влияния, зависящий от коэффициента затухания грунта α и величины r.

Пользуясь данными Д.Д. Баркана [9], автор приводит следующие данные о коэффициенте α: для мелкого водонасыщенного песка α = =0,1м-1; для суглинков выше уровня воды α = =0,04м-1; для водонасыщенных глин α = 0,04 - 0,12 м-1.

Некоторые величины коэффициента влияния I1 приведены в табл. 5.

Таблица 5

 

Значе­ния α

Значения I1 при r, м

3

5

10

20

30

0,04

0,53

0,37

0,22

0,11

0,057

0,10

0,48

0,30

0,13

0,034

0,010

0,12

0,39

0,20

0,054

0,023

0,006

 Характерная скорость А1 это скорость колебания, возникающая на расстоянии 1 м от острия сваи при ее забивке. Она является функцией энергии удара молота и сопротивления сваи погружению. Автором эта величина определялась экспериментально на основании забивки железобетонной сваи с площадью основания F= 1450 см2 разными молотами при сопротивлении, оцениваемом числом ударов для погружения сваи на один фут. На основе этих данных автором построен график для определения А1. На основе этого графика составлена табл. 6 для определения А1 (см/с) в зависимости от энергии удара Е (тм) и числа ударов молота N для погружения сваи на 10 см.

Автор статьи отмечает, что приведенные им данные о величине А1 относятся к железобетонной свае площадью 1450 см2. При другой площади сваи (Fсв) характерную скорость автор рекомендует умножать на отношение Fсв/1450.

Таким образом, скорость колебания грунта, которая в наших нормах обозначена буквой V, следует определять по формуле

V= А1I1Fсв/1450, (3)

где А1 принимается по табл. 6, а I1 – по табл. 5.

Таблица 6


E, тм

Значения А1 , см/c
при N, равном

10

30

50

2

3

4

6,5

16,5

31,5

12,5

27

49

18

36

67

 Проведенные нами расчеты с использованием работы [10] показали хорошую сходимость с результатами расчетов по формуле (3), что позволяет рекомендовать к применению формулу (3), расчет по которой значительно проще. Полученные расчетом скорости колебаний сравниваются с допустимыми для сооружений (табл. 4).

Для подземных и заглубленных сооружений повышенного уровня ответственности, принимаемых по п.1 прил. 14 МГСН 2.07–97, особое внимание должно быть обращено на выявление и изучение [6]:

Помимо общепринятых характеристик грунтов, следует определять характеристики, необходимые для расчета подземных и заглубленных сооружений (разд. 10, п. 9.9 МГСН 2.07–97), а также изучать тиксотропные свойства, размокаемость, коэффициент размягчения, высоту капиллярного поднятия, тепловые свойства, морозостойкость грунтов и др.

При выборе конструктивных решений и методов строительства подземных и заглубленных сооружений в районах существующей застройки должны быть предусмотрены инженерные мероприятия, обеспечивающие экологическую защиту прилегающей территории от подтопления, загрязнения подземных вод промышленными и бытовыми стоками и пр., а также по защите близлежащих зданий от недопустимых деформаций [1].

При проектировании подземных и заглубленных сооружений в районах плотной застройки следует выполнять геотехнический прогноз влияния строительства на изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива и деформации существующих зданий и сооружений. При проектировании сооружений I уровня ответственности прогноз следует выполнять путем математического моделирования с использованием нелинейных моделей механики сплошных сред численными методами.

В охранной зоне городской застройки, памятников архитектуры и культуры, культовых сооружений, а также ответственных зданий и сооружений I уровня ответственности следует организовать сеть высокоточных геодезических наблюдений за осадками близлежащих зданий и сооружений, а также мониторинг.

В соответствии с ВСН 70–98 [7] объекты строительства в стесненных условиях существующей застройки относятся к категории сложных объектов. При проектировании и устройстве оснований, фундаментов и подземных сооружений должны предусматриваться методы контроля в соответствии со СНиП 3.02.01–83, ГОСТ 18321–73 и 16504–81, а также разделами 8 (Мониторинг при возведении зданий вблизи существующих) и 9 (Особенности производства работ вблизи существующих зданий) [5].


Список литературы

1. МГСН 2.07–97. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М., 1997.

2. Рекомендации по расчету, проектированию и устройству свайных фундаментов нового типа в г. Москве. М., 1997.

3. Рекомендации по проектированию и устройству оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции гражданских зданий и исторической застройки. М., 1998.

4. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции. М., 1998.

5. Рекомендации по проектированию и ус­тройству оснований и фундаментов при воз­ведении зданий вблизи существующих в усло­виях плотной городской застройки в г. Мос­кве. М., 1999.

6. Методика назначения объема инженерно-геологических изысканий в центре и серединной части г. Москвы. М., 2000.

7. ВСН 70–98. Организационно-технологи­ческие правила строительства (реконструк­ции) объектов в стесненных условиях существующей городской застройки. М., 1998.

8. Lo M.-B. Attenuation of ground vibration induced by pile driving. Proc. IX ICSMFE, 1977, vol.2, p.281.

9. Баркан Д. Д. Динамика оснований и фундаментов. М.: Стройвоенмориздат, 1948.

10. Калюжнюк М. М. Сваебойные работы при реконструкции. М.: Стройиздат, 1989.