Краснов В.Н.
УСТРОЙСТВО ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ *
Аннотация:
в статье приводится пример использования струйной цементации грунта для обеспечения геотехнической безопасности подземной части комплекса высотных зданий. Проведена оценка инженерно-геологических условий площадки строительства и обоснована необходимость применения системы вертикальных и горизонтальных геотехнических барьеров. Описаны принципы моделирования, конструирования и выполнения на строительной площадке жестких грунтобетонных элементов, результаты компьютерного моделирования в программе PLAXIS геотехнической ситуации. Анализ результатов компьютерного моделирования по различным сценариям показал обоснованность предлагаемого конструктивного решения
Ключевые слова:
струйная цементация, геотехнический барьер, компьютерное моделирование, подземное строительство, геотехническая безопасность
УДК 691
Краснов В.Н.
студент (магистратуры) кафедры строительных технологий,
геотехники и экономики строительства
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
(Россия, г. Чебоксары)
УСТРОЙСТВО ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ
ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ
Аннотация: в статье приводится пример использования струйной цементации грунта для обеспечения геотехнической безопасности подземной части комплекса высотных зданий. Проведена оценка инженерно-геологических условий площадки строительства и обоснована необходимость применения системы вертикальных и горизонтальных геотехнических барьеров. Описаны принципы моделирования, конструирования и выполнения на строительной площадке жестких грунтобетонных элементов, результаты компьютерного моделирования в программе PLAXIS геотехнической ситуации. Анализ результатов компьютерного моделирования по различным сценариям показал обоснованность предлагаемого конструктивного решения.
Ключевые слова: струйная цементация, геотехнический барьер, компьютерное моделирование, подземное строительство, геотехническая безопасность.
Обоснование применения системы геотехнических барьеров.
При строительстве комплексов уникальных высотных зданий основной задачей проектирования подземных частей является обеспечение геотехнической безопасности как самого здания, так и окружающей его существующей и перспективной застройки. Для надежного решения этой задачи в случае расположения зданий на слабых грунтах предлагается система вертикальных и горизонтальных геотехнических барьеров, выделяющих подземное пространство рассматриваемого комплекса в замкнутую геотехническую систему с проектируемыми физико-механическими характеристиками. В этом случае минимизируется воздействие нового строительства на существующую геотехническую ситуацию. Показана оценка влияния такой системы на изменение гидрогеологической ситуации при строительстве комплекса высотных зданий в г. Уфе. В данной работе приводятся общие принципы устройства системы геотехнических барьеров и показывается пример выполнения системы при строительстве этого комплекса зданий.
Инженерно-геологические условия площадки строительства.
В геоморфологическом отношении участок приурочен к платообразной поверхности водораздела рек Белая и Уфа. Абсолютные отметки изменяются в пределах 189.5–193 м. Общий уклон рельефа на запад, в сторону долины р. Белая, расстояние до реки 1,2 км. В геологическом строении участка до глубины 49 м принимают участие отложения четвертичного и пермского возраста. Насыпной грунт (tQIV) представлен глинистым материалом с включением песка до 10% и песчано-гравийной смесью от черного до темно-коричневого цвета, маловлажный, слежавшийся. Образован в результате планировки территории в связи с ее обустройством, время отсыпки более 20 лет. Грунты завершили фазу самоуплотнения. Мощность насыпного грунта изменяется от 1 до 5,4 м. Пермская система (Р) Уфимский ярус (P1u*) Шешминский горизонт (P1ss): – глина красновато-коричневая, желтовато-коричневая, аргиллитоподобная, с частыми прослоями песчаника серовато-коричневого, от мелкозернистого до тонкозернистого, различной степени выветрелости, от крепких скальных разностей до состояния плотного песка. Мощность глины с прослоями от 1 до 25 м;
– песчаник серовато-коричневый, зеленовато-серый, красновато-коричневый, в верхней части разреза мелкозернистый на глинистом цементе, с глубин 20–25 м до тонкозернистого, прослоями переходит в алевролит. Распространен в виде отдельных линз и прослоев мощностью от 1 до 7,1 м. Модуль общих деформаций грунтов в естественном состоянии, полученный по результатам штамповых испытаний, находится в диапазоне 30–35 МПа.
Объемно-планировочное и конструктивное решение комплекса зданий.
Для оценки влияния геотехнической ситуации на механическую безопасность здания необходима оценка критических значений параметров безопасности основных несущих конструкций здания и степень их зависимости от характеристик основания. Эти параметры определяются конструктивным решением здания. Жилищно-деловой комплекс состоит из делового центра и жилого здания: включает 18- и 42-этажные башни, объединенные 3–11-этажным стилобатом, и подземную парковку. Конструктивная схема зданий каркасная в монолитном железобетонном исполнении. Фундаменты – монолитные железобетонные плиты толщиной 1000–2200 мм. Ядрами жесткости служат монолитные лестничные клетки и шахты лифтов. Пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой продольных и поперечных стен с дисками перекрытий. Секции разделены между собой деформационными осадочными швами. Критическими параметрами проектирования подземной части являются: вертикальное перемещение (осадка) – 300 мм, крен высотной части – 0,002; относительная разность осадок фундаментной плиты – 0,003.
Проектирование и устройство системы геотехнических барьеров.
Анализ инженерно-геологических условий площадки строительства показал, что основанием фундаментов служат неоднородные в плане и по глубине грунты уфимского яруса, представленные переслаиванием глин и песчаников разной степени выветрелости. Проведенные предварительные расчеты высотного здания при проектном загружении показали недопустимый крен здания 42-этажной башни при возведении фундамента на естественном грунте. Поэтому для обеспечения выполнения проектных параметров по осадкам и кренам фундаментов было предложено устройство в основании фундаментов разреженного горизонтального геотехнического барьера в виде «структурного геомассива», слоя грунта, армированного жесткими грунтобетонными элементами, выполненными по технологии струйной цементации грунта. Для обеспечения эффективного модуля общих деформаций «структурного геомассива» 70 МПа было подобрано вертикальное армирование основания грунтобетонными элементами диаметром 1100 мм. Диаметр элементов определен грунтовыми условиями площадки и технологическими параметрами процесса цементации грунта. Требуемый эффективный модуль деформации основания здания обеспечивается расстановкой армирующих элементов в плане. «Структурный геомассив» представим в виде идеальной сплошной среды, деформации которой линейны относительно внешних сил, если только внутренние напряжения не превышают предельных значений. Вместе с тем в сплошном теле равномерно рассеяны по объему неоднородности (грунтобетонные армирующие элементы) и расстояние между ними много больше их собственного размера. Эти неоднородности ответственны за необратимые деформации: на них концентрируются напряжения и происходит их релаксация во времени. Предлагаемая механическая модель «структурного геомассива» позволяет рассматривать классические задачи по определению напряжений и деформаций, возникающих под воздействием внешних сил, но не ограничиваться отысканием равновесных параметров, поскольку после приложения нагрузки в массиве продолжаются необратимые деформации и релаксация напряжений на неоднородностях.
В этом случае для описания поведения «структурного геомассива» можно использовать модели линейной теории упругости и модель ползучести. Для описания поведения искусственно улучшенного основания был использован подход, основанный на принципе гомогенизации гетерогенных структурно-неоднородных материалов, позволяющий учесть неоднородность композитов. «Структурный геомассив» рассматриваем как двумерную периодическую среду – волокнистый однонаправленный композит, представляющий собой периодическую систему параллельных цилиндрических волокон, погруженных в однородную матрицу. В «структурном геомассиве» грунтобетонные армирующие элементы имеют форму кругового цилиндра и ориентированы в одном направлении. Принимаем грунтобетонный армирующий элемент (Е1 =300 МПа; G1 =200 МПа); грунт (Е2 =10 МПа; G2 =4 МПа); коэффициент армирования 0,25 (расстояние в осях между армирующими элементами 2 м). Выделяем в нем ячейку периодичности – представительный объем с характерным размером неоднородности, в пределах которого свойства можно усреднить. Масштаб представительного объема должен быть значительно больше характерного размера неоднородности и мал по сравнению с характерным размером тела. При этих условиях гетерогенный материал можно идеализировать, рассматривая его как эквивалентный гомогенному материалу с усредненными на представительном объеме свойствами. Экспериментальным подтверждением предлагаемого теоретического подхода являются результаты геодезических наблюдений за осадками высотных зданий, построенных на основании «структурный геомассив», хорошо согласующиеся с результатами инженерных расчетов, выполненных с учетом эффективных деформационных характеристик основания. После выполнения «структурного геомассива» был выполнен полевой контроль как отдельных составляющих элементов, так и всего геомассива в целом. Выполненные армирующие элементы имеют диаметр 1,1–1,2 м; прочность грунтобетона на сжатие Rс =2–3 МПа; модуль общих деформаций Егб = 300–350 МПа. Проведенные статические штамповые испытания (методика испытаний приведена в [6]) показали, что фактический эффективный модуль деформации «структурного геомассива» в интервале давлений 0,6–0,8 МПа находится в диапазоне 102–115 МПа и превышает требуемый, что позволяет значительно уменьшить осадки и крен фундамента.
Анализ применения системы вертикального и горизонтального геотехнических барьеров.
В ходе выполнения проекта системы геотехнических барьеров были проведены испытания, контролирующие качество выполнения и работоспособность ее отдельных компонентов. Работоспособность системы в целом подтверждается проведением геотехнического мониторинга в период строительства и эксплуатации здания. В настоящее время система геотехнических барьеров полностью выполнена и производится строительство надземных частей комплекса. На основании имеющихся на настоящем этапе данных мониторинга можно сделать следующие выводы: – при экскавации подземной части подтверждена работоспособность системы вертикальных барьеров: обеспечена устойчивость бортов котлованов, дополнительные вертикальные перемещения зданий окружающей застройки находятся в допустимых пределах (0,4–0,6 см); – при строительстве здания переменной этажности подтверждена эффективность применения разреженного Параметры Значения Максимальные горизонтальные перемещения 4,25 см Дополнительные вертикальные перемещения грунтового основания Smax = 0,92 см ∆s/L = 0,00095 Максимальный изгибающий момент в ограждении геотехнического барьера 43,6 тс*м Максимальное усилие в грунтовых анкерах с учетом выхода из строя одного анкера 43,4 тс Таблица 2 Рис. 4. Расчетная схема вертикального геотехнического барьера Подземное строительство Научно-технический и производственный журнал 44 I9'2016 Рис. 5. Изополя общих деформаций вертикального геотехнического барьера (а) и изгибающих моментов в ограждающей конструкции (б) а б горизонтального геотехнического барьера – «структурный геомассив»: крен высотной секции (0,0015), абсолютные осадки (9,5–14,5 см) и относительные разности осадок (0,0015–0,0024) фундаментов по сечениям пятна застройки находятся в допустимых пределах; – изменение гидрогеологической ситуации минимальное, возникновение некоторого барражного эффекта не привело к подтоплению подземных частей существующей застройки и не вызвало развития в них дополнительных осадок. В целом предлагаемый теоретический подход к моделированию и конструированию системы вертикальных и горизонтальных геотехнических барьеров, выполняемых с применением технологии струйной цементации грунта, можно считать экспериментально подтвержденным и позволяющим эффективно устраивать фундаменты высотных зданий в сложных инженерно-геологических условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №5 (62) том 1
Ссылка для цитирования:
Краснов В.Н. УСТРОЙСТВО ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ // Вестник науки №5 (62) том 1. С. 446 - 453. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8059 (дата обращения: 25.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+