ПОВЫШЕНИЕ  УСТОЙЧИВОСТИ  КОТЛОВАНОВ  ПРИ  СТРОИТЕЛЬСТВЕ  МНОГОЭТАЖНЫХ  ДОМОВ  С  МНОГОУРОВНЕВЫМИ  ПОДЗЕМНЫМИ  ПАРКИНГАМИ  В  УСЛОВИЯХ  СИЛЬНО  ДЕФОРМИРУЕМЫХ  ГРУНТОВ

Комолов  Василий  Викторович

студент  4  курса,  кафедры  строительства  горных  предприятий  и  подземных  сооружений

Национального  минерально-сырьевого  университета  «Горный»,

РФ,  г.  Санкт-Петербург

Кутявин  Дмитрий  Владимирович

студент  4  курса,  кафедры  строительства  горных  предприятий  и  подземных  сооружений

Национального  минерально-сырьевого  университета  «Горный»,

РФ,  г.  Санкт-Петербург

Е-mail:  ov_trushko@mail.ru

Трушко  Ольга  Владимировна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  Национального  минерально-сырьевого  университета  «Горный», 
РФ,  г.  Санкт-Петербург

Сегодня  во  всем  мире  наблюдается  увеличение  масштабов  и  объёмов  подземного  строительства  в  крупных  мегаполисах,  развивающихся  как  торгово-промышленные  и  культурно-исторические  центры. 

И  в  первую  очередь  это  связано  с  постоянно  возрастающей  концентрацией  населения  и  постоянным  ростом  количества  автомобильного  транспорта,  которые  ведут  к  городским  проблемам  территориального,  экологического  и  энергетического  характера. 

Мировая  практика  показывает,  что  комплексное  освоение  подземного  пространства  мегаполисов,  является,  наиболее  эффективным  путём  решения  этих  проблем.

В  последнее  время,  и  крупных  мегаполисах  России  увеличился  рост  объемов  и  масштабов  подземного  строительства.  Активно  ведётся  строительство  подземных  комплексов  различного  назначения,  это  и  подземные  паркинги,  транспортные  и  коммуникационные  тоннели,  а  также  складские  и  производственные  помещения.

Сложность  строительства  подземных  сооружений  и  высокий  уровень  их  ответственности,  оказывают  большое  влияние  на  уже  существующие  здания  и  сооружения  в  условиях  плотной  городской  застройки,  и  ведет  к  необходимости  использования  специальных  способов  строительства  этих  сооружений.

В  условиях  исторической  застройки  центров  крупных  мегаполисов  одним  из  наилучших  решений  является  устройство  многоуровневых  подземных  паркингов,  так  как  оно  обеспечивает  наиболее  рациональное  использование  подземного  пространства  под  строящимися  или  реконструируемыми  зданиями.

В  данный  момент  особое  значение  приобрёл  такой  специальный  способ,  как  шпунтовое  ограждение  (шпунтовые  сваи)  в  связи  с  тем,  что  он  позволяет  вести  застройку  в  плотных  городских  условиях,  не  вредя  окружающим  зданиям  и  сооружениям.

Для  устройства  шпунтовых  свай  используются  металлические  прокатные  профили  различной  формы  и  размеров  поперечного  сечения,  которые  обеспечивают  легкость  установки  шпунта  в  замок,  необходимую  прочность  и  плотное  соединение  шпунтовых  элементов  между  собой.

Зарубежный  и  отечественный  опыт  применения  металлических  шпунтовых  свай  позволил  выявить  области  их  эффективного  использования  в  качестве  постоянных  элементов  подземных  (заглубленных  и  полузаглубленных)  зданий  и  сооружений.  Области  использования  профилированных  стальных  шпунтовых  свай  в  качестве  постоянных  конструктивных  элементов  распространяются  на  все  сферы  строительства. 

В  последнее  время  накопился  опыт  применения  шпунтовых  свай  в  гражданском  и  промышленном  строительстве  в  качестве  подпорных  стен,  ограждений  котлованов,  траншей,  шахт  и  в  качестве  противофильтрационных  завес  при  строительстве  заглублённых  паркингов,  технических,  торговых,  развлекательных  и  спортивных  помещений  [3].

Так,  например  при  строительстве  жилого  комплекса  (рисунок  1),  состоящего  из  трёх  жилых  семиэтажных  домов,  высотой  до  27,0  м  с  многоуровневыми  паркингами  в  условиях  сильно  деформируемых  грунтов,  принят  свайный  фундамент,  с  нагрузкой  на  сваю  120—150  т  и  нагрузкой  на  куст  свай  —  более  300  т,  глубина  погружения  свай  —  25—30  м  от  поверхности  земли.

Рисунок  1.  Жилой  комплекс  в  плане

Поскольку  проектируемый  комплекс  будет  примыкать  к  сооружениям  второй/третьей  категории  технического  состояния,  допустимые  воздействия  на  которые  ограничены  величиной  осадок,  равной  2—3  см,  фундаменты  сооружения  должны  обеспечивать  небольшую  величину  собственных  осадок  [1].

По  результатам  инженерно-геологических  изысканий  в  качестве  надежного  опорного  слоя  для  заглубления  нижних  концов  свай  рекомендуется  использовать  ледниковые  супеси  твердые  и  пески  пылеватые,  плотные  залегающие  на  глубине  19,8—24,9  м  (абс.  отм.  минус  14,7  —  минус  22,0  м),  подстилаемые  ниже  по  разрезу  ледниковыми  и  озерно-ледниковыми  грунтами  от  тугопластичной  до  твердой  консистенции. 

Слои  характеризуется  крайней  неравномерностью  залегания  на  участке  изысканий:  резкими  перепадами  отметок  кровли  и  подошвы  слоев,  выклиниваниями,  и  не  могут  рассматриваться  в  качестве  слоев  для  опирания  острия  свай.  Кроме  того,  опирание  свай  на  верхние  слои  моренных  отложений  будет  малоэффективно  из-за  низкой  несущей  способности  свай.  Заглубление  нижних  концов  свай  целесообразно  в  грунты,  залегающие  на  глубине  более  30  м  от  поверхности.

На  рисунках  2  и  3  изображены  изолинии  отметок  кровли  слоев,  используемых  в  качестве  опорного  слоя  для  заглубления  нижних  концов  свай.

Рисунок  2.  Изолинии  отметок  кровли  слоя  пластичных  супесей  с  прослоями  твердых,  используемого  в  качестве  опорного  слоя  для  заглубления  нижних  концов  свай  в  блоках  2,  3,  4,  5,  6,  8,  9

Рисунок  3.  Изолинии  отметок  кровли  слоя  твердых  супесей  с  прослоями  пластичных  и  суглинков  твердых,  используемых  в  качестве  опорных  слоев  для  заглубления  нижних  концов  свай  в  блоках  1,7

Для  расчета  была  использована  программа  Plaxis  2D.  Этот  программный  комплекс,  предназначен  для  расчета  напряжений  и  деформаций  в  массиве  методом  конечных  элементов.

Для  обеспечения  минимального  воздействия  строительства  на  существующие  здания  и  сооружения  приняты  следующие  конструктивно-технологические  решения:

·до  начала  работ  по  устройству  котлована  выполняется  усиление  оснований,  фундаментов  и  надземных  конструкций  домов  №  11,  13  и  15,  расположенных  вблизи  проектируемого  объекта;

·для  ограждения  котлованов  используется  шпунтовая  стена.  Длина  шпунтовых  свай  —  24  м.  Шпунт  является  не  извлекаемым  (за  исключением  некоторых  внутренних  шпунтовых  стен);

·разработка  котлована  ведется  с  устройством  1  или  2-х  ярусов  распорной  металлической  системы  из  труб;

·до  начала  строительства  на  опытных  площадках  произведены  испытания  свай  для  усиления  фундаментов  и  основных  свай,  а  также  погружен  шпунт  и  отрыт  пионерный  котлован.  В  итоге  получена  подробная  информация  воздействии  погружения  на  прилегающую  территорию.

·в  процессе  строительства  производится  мониторинг  осадок  окружающей  территории  и  зданий,  мониторинг  уровня  вибрации  и  горизонтальных  отклонений  шпунтового  ограждения  [2;  4].

Одноуровневый  котлован  ограждается  шпунтовыми  сваями  зетового  профиля  AZ  42-700N.  Его  характеристики:  площадь  сечения  S=259  см²/м,  масса  стенки  m=203  кг/м²,  момент  инерции  I=104930  см³/м,  упругий  момент  сопротивления  W=4205  см³/м,  модуль  упругости  E=200000  МПа.

Распорки  представляют  собой  металлические  трубы  720х10,  установленные  на  высоте  +4,700  м.

Рисунок  4.  Расчет  подпорной  стенки  котлована  на  отметке  +0,560  м  с  помощью  программы  Plaxis  2D:  а  —  полные  перемещения;  б  —  эпюра  перемещений  по  оси  х;  в  –  эпюра  перемещений  по  оси;  г  —  эпюра  продольных  сил;  д  –  эпюра  перерезывающих  сил;  е  —  эпюра  моментов

Для  данных  задач  использовались  плоские  расчетные  схемы  и  выполнена  серия  расчетов.

В  расчетной  схеме  применена  нелинейная  модель  Кулона-Мора.  Известно,  что  она  дает  завышенные  значения  перемещений  при  анализе  задач  по  разработке  котлованов,  но,  тем  не  менее,  позволяет  оценить  геотехническую  ситуацию.

Выполнив  анализ  результатов  расчёта  получено,  что  горизонтальные  перемещения  стенки  шпунта  составляют  12  мм,  помимо  этого  наблюдается  перемещение  грунта  вверх  на  дне  котлована  на  166  мм,  что  можно  объяснить  низкими  механическими  характеристиками  грунтов.  Максимальная  осадка  грунта  рядом  с  котлованом  составляет  20  мм,  что  соответствует  предъявляемым  требованиям.

Затем  был  выполнен  расчет усиления протяжений стенки котлована.   Данный  расчет  произведен  для  отдельных  захваток. 

Рисунок  5.  Система  захваток

Общая  длина  стены  —  30480  мм.  Для  обеспечения  устойчивого  состояния  стенок  котлована  было  рекомендовано  установить  распорки.  Максимальное  горизонтальное  перемещение  стенки  котлована  составляет  5  см.

Для  решения  данной  задачи  было  рассмотрено  два  варианта:

·установление  косых  распорок,  опирающихся  на  распределительный  пояс  с  одной  стороны  и  в  бетонные  перекрытия  сооружений  нулевого  цикла  с  другой  стороны  (рисунок  6).

·возведение  дополнительной  подпорный  стены  из  труб  с  упорами  в  них  косых  распорок  (рисунок  7).

Для  более  простого  решения  данная  задача  была  представлена  в  виде  плоской  схемы  многопролетной  балки,  на  которую  действует  распределенная  нагрузка  (давление  грунта).  Нагрузка  от  грунта  была  найдена  с  помощью  расчета  в  программе  Plaxis.

Критерием  для  выбора  наилучшего  решения  стал  максимальный  прогиб  балки,  т.  е.  максимальное  горизонтальное  перемещение  стенки  шпунта.

Рисунок  6.  Вариант  1

Рисунок  7.  Вариант  2

Расчет  прогиба  балки  был  произведен  в  программе  Beam  2.05.  Решение  варианта  1  представлено  на  рисунках  8  и  9.  Решение  варианта  2  представлено  на  рисунках  10  и  11.

Рисунок  8.  Расчетная  схема  для  первого  варианта

Рисунок  9.  Эпюра  прогиба  (м^-3)  для  первого  варианта

Рисунок  10.  Расчетная  схема  для  второго  варианта

Рисунок  11.  Эпюра  прогиба  (м^-3)  для  второго  варианта

Из  рисунка  9  можно  сделать  вывод,  что  максимальные  перемещения  стенки  составят  10,6  см,  что  недопустимо.

Из  рисунка  11  видно,  что  максимальные  перемещения  стенки  составят  около  1  см. 

Следовательно,  на  основе  выполненного  расчёта  можно  принять  решение  о  необходимости  устройства  стены  из  труб.  Это  увеличит  количество  стоек  и,  как  следствие  уменьшит  длину  пролетов.

На  основе  выполненных  расчётов,  можно  сделать  достоверный  прогноз  абсолютных  величин  и  неравномерностей  осадок,  что  является  чрезвычайно  важной  задачей.  Особую  актуальность  данный  вопрос  обретает  при  применении  совместных  расчетов  основания  и  надземных  конструкций  здания,  усилия  в  которых  напрямую  зависят  от  характера  деформирования  основания. 

Список  литературы:

1. ВСН  490-87.  Проектирование  и  устройство  свайных  фундаментов  и  шпунтовых  ограждений  в  условиях  реконструкции  промышленных  предприятий  и  городской  застройки.  М.:  Ведомственные  строительные  нормы,  1987.  —  21  с.
2. Ренгач  В.Н.  Шпунтовые  стенки  (Расчет  и  проектирование):  книга.  Л.:  Издательство  литературы  по  строительству,  1970.  —  113  с.
3. СТО  48937526-001-2012.  Применение  стальных  шпунтовых  свай  в  подземных  конструкциях  зданий  и  сооружений  массового  строительства  в  обычных  условиях  эксплуатации,  подпорных  стенах  и  транспортных  тоннелях.  М.:  Стандарты  организаций,  2012.  —  65  с.
4. Chang-Yo  Ou.  Deep  Excavation.  Theory  and  Practice.  Taiwan,  Taipei:  Department  of  Construction  Engeineering,  National  Taiwan  University  of  Science  and  Tecnology,  2006.  —  551  с.