Full Text

Введение Необходимость сохранения исторических зданий и памятников архитектуры при интенсивном освоении подземного пространства в условиях плотной городской застройки центральной части Санкт-Петербурга обязывает учитывать все возможные негативные факторы, связанные с производством работ нулевого цикла. В зоне негативного воздействия оказываются здания и сооружения, находящиеся в непосредственной близости к строительной площадке. При устройстве глубоких котлованов в слабых пылевато-глинистых водонасыщенных грунтах г. Санкт-Петербурга в качестве ограждающей конструкции котлована могут быть использованы шпунтовые ограждения, конструкция из секущихся буронабивных свай, закрепление массива грунта при помощи инъекционных технологий (Jet grouting). В последнее время большую популярность получила конструкция ограждения котлована «стена в грунте» (далее СВГ), которая позволяет исключить деформации грунтового массива за пределами разрабатываемого котлована. Однако по результатам исследований [1] установлено, что значительную долю дополнительных осадок существующих зданий окружающей застройки составляет технологическая осадка, возникающая в процессе устройства траншейной «стены в грунте», в связи с особенностью технологии производства работ. При этом максимальное значение технологической осадки приходится на ближайшие к СВГ фундаменты здания, вследствие этого возникает значительная неравномерность осадки здания. При этом появляются дополнительные риски для существующих зданий, которые имеют высокую степень естественного износа, и, в зависимости от категории технического состояния, возникает необходимость принятия конструктивных или технологических мер по исключению неравномерных вертикальных деформаций. В качестве защитных мероприятий для зданий, попадающих в зону влияния, по опыту работ, регулярно применяется конструктивное решение с использованием геотехнического барьера из шпунтовых свай, подгружаемых на 5 м ниже отметки забоя СВГ. В связи с жесткими нормативными ограничениями допустимых деформаций зданий, в ходе анализа результатов геотехнического мониторинга за подобными зданиями, применение вышеупомянутого защитного мероприятия является недостаточным для исключения неравномерности осадки, поэтому необходимо дополнительно предусматривать комплекс работ по инъекционному усилению грунтов основания фундаментов здания, однако в обводненных, заторфованных слабых грунтах этот процесс недостаточно изучен и требует дополнительных исследований [2-10]. Основная часть А. Анализ результатов обследования здания В качестве примера рассмотрим здание дореволюционной постройки (1900 г.), представленное 4- и 5-этажными флигелями без деформационного шва, высотой 15 и 18 м соответственно (рис. 1). Рис. 1. Схематичное расположение рассматриваемого здания относительно геотехнического барьера и конструкции «стена в грунте». Обозначенный красным цветом разрез А-А подробно рассмотрен в разделе Г Fig. 1. Sketchy location of the building with respect to the geotechnical barrier and the construction of the "cast-in-place trench wall". ectional view A-A marked in red is discussed in detail in part 4 Как и у большинства зданий того времени [11-13], фундаменты под наружными и внутренними несущими стенами представлены ленточными бутовыми на естественном основании, выложенными из известняковых камней различных габаритов на известково-песчаном растворе (рис. 2) со следующими параметрами: - ширина фундамента по подошве составляет 1,2 м; - верхний обрез фундамента расположен на 350 мм ниже уровня дневной поверхности; - глубина заложения подошвы фундамента (FL) подсечена на отм. -3 м. В процессе выборочного контроля кладки фундаментов ультразвуковым тестером установлена прочность известковых камней - 218 кг/см, что соответствуют марке М1000 согласно ГОСТ 17624-2012. Расчетно установлено предельное давление, передаваемое на грунт основания, которое составляет 125 кН/м2. По результатам проведенного обследования, фундаменты здания находятся в работоспособном техническом состоянии и не требуют дополнительного усиления, однако следует обратить особое внимание на слагающие основание фундаментов слабые грунты, склонные к неравномерным деформациям. Рис. 2. Ленточный бутовой фундамент под наружные и внутренние стены здания на естественном основании Fig. 2. Strip rubble stone footing for the outer and inside walls of the building on a sub-base По материалам, приведенным в техническом обследовании, рассматриваемое здание является историческим с несущими стенами из кирпичной кладки и, согласно нормативной документации (СП 22.13330.2016), относится к III категории технического состояния, в связи с этим предельная дополнительная осадка составляет 5 мм, а относительная разность осадок - 0,0004. Б. Анализ инженерно-геологических условий В геологическом строении рассматриваемая территория представлена характерным для центральной части города напластованием [14], по результатам лабораторных исследований определены основные параметры грунтов. Рассмотрим инженерно-геологический элемент (табл. 1), слагающий основание фундаментов и оказывающий наибольшее негативное влияние на деформации здания. В целом инженерно-геологические условия площадки неблагоприятны для строительства здания на естественном основании, и в рамках действующей нормативной документации (СП 22.13330.2016) использование фундаментов мелкого заложения с опиранием на слабые грунты было бы признано недопустимым. Учитывая вышеизложенное, а также дополнительные технологические воздействия при производстве работ по устройству ограждающей конструкции «стена в грунте» в непосредственной близости (4,2 м) к рассматриваемому зданию, отметим необходимость компенсационного укрепления подстилающих подошву фундаментов грунтов основания посредством нагнетания в рассматриваемый слой саморасширяющихся инъекционных материалов. Таблица 1 Физические свойства и гранулометрический состав грунта основания Table 1 Physical properties and grading of the base soil Супеси пылеватые текучие темно-серые тиксотропные с прослоями суглинка, песка с примесью органических веществ (m, l IV) Процент содержания частиц по фракциям (мм) >10,0 10,0-2,0 2,0-1,0 1,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 <0,005 - 1,7 0,2 0,4 2,6 8,8 22,6 44,9 10,7 8,1 Физические свойства Влажность, д. ед. Число пластичности, д. ед. Плотность, т/м3 Коэффициент пористости, дол. ед. Показатель консистенции, дол. ед. Коэффициент фильтрации, м/сут природ. на границе грунта скелет частиц W WL WP IP r rd rs e IL Kф 0,325 0,318 0,258 0,060 1,86 1,40 2,66 0,895 0,97 0,07 В. Технология компенсационного нагнетания инъекционного раствора в основание фундаментов В качестве примера такого закрепления рассмотрим наиболее неблагоприятное сечение А-А (раздел Б, рис. 1), где у здания ожидается максимальное значения относительной разности осадки [15-17] (рис. 3). Для исключения неравномерности осадки здания предусматривался комплекс работ по усилению основания фундаментов здания раствором на основе минерального вяжущего. Работы по закреплению производились в один этап в следующем технологическом порядке: 1. Бурение скважины по грунту Ø52 мм установкой колонкового бурения под углом 25° до отметки -0,7 м ниже подошвы фундамента с внешней стороны здания. 2. Установка в скважину пакера-инъектора на заданную глубину. 3. Нагнетание обойменного цементного раствора с последующей выдержкой скважины в течение 2 сут для исключения движения инъекционного раствора по затрубному пространству во время основного этапа инъектирования. 4. Нагнетание инъекционного раствора под основание фундамента здания с давлением, не превышающим 0,4 МПа, т.е. в режиме пропитки. В качестве закрепляющего инъекционного раствора использовался саморасширяющийся материал на цементной основе марки М500 с модифицирующими саморасширяющимися добавками. Согласно спецификации коэффициент расширения раствора находится в диапазоне от 1,5 до 4, объемная плотность раствора без реакции - 1500 кг/м3. Нагнетание раствора производилось до наступления давления отказа - 0,4 МПа - или закачки в скважину предельного количества раствора - 100 л на скважину (рис. 4), водоцементное отношение принимается равное 0,5. Рис. 3. Разрез А-А с обозначением высотных отметок и схематичным расположением здания относительно геотехнического барьера и конструкции «стена в грунте» Fig. 3. Sectional view A-A with the designation of elevations and a sketchy location of the building relative to the geotechnical barrier and the design of the "cast-in-place trench wall" Рис. 4. Схема компенсационного нагнетания саморасширяющегося материала на цементной основе с модифицирующими добавками в основание фундаментов здания Fig. 4. The schematic view of compensatory injection of self-expanding cement-based material with modifying additives to the base of the building foundations Инъекционный раствор изготавливался на месте производства работ путем смешивания минерального порошка с водой посредством смесительного оборудования турбулентного типа. Принцип турбулентного перемешивания заключается в создании высоких градиентов скоростей, способствующих равномерному распределению саморасширяющихся добавок в приготавливаемом растворе. Готовая смесь материала имела жидкую консистенцию, позволяющую ей проникать без давления в поры грунта, не нарушая его структуры. При закреплении массива грунта в основании фундаментов с применением инъекционного раствора на основе минерального вяжущего были назначены основные контролируемые показатели, которые являются критерием достижения положительного результата: 1. Увеличение значения модуля деформации Е более чем на 30 %. 2. Степень пропитки грунтового массива. Определяется на основании визуального освидетельствования по результатам разработки шурфа на опытно-экспериментальном участке. Г. Апробация технологии по закреплению грунтов основания фундаментов После окончательного набора прочности «грунтоцементного» массива, через 35 сут после проведения работ по закреплению грунтов основания фундаментов, в рамках проведения опытно-исследовательских работ был вскрыт шурф (рис. 5, а) со следующими параметрами: - глубина 3500 мм; - ширина 1000 мм; - длина 2000 мм. Следует отметить, что при производстве работ по компенсационному закреплению текучих пылевато-глинистых грунтов необходимо строго соблюдать технологию нагнетания раствора, а работы по инъектированию производить исключительно в режиме пропитки (давление отказа 0,4 МПа), иначе возникает эффект гидроразрыва, при котором усилия, возникающие в глинистых грунтах, становятся достаточными для неравномерного поднятия здания [20]. а б Рис. 5. Экспериментальные работы на опытном участке: а - разработанный шурф; б - образец упрочненного грунта с опытного участка Fig. 5. Work on the experimental site: a - exploratory shaft; b - injection sample from the experimental site В ходе разработки шурфа на глубину 500 мм ниже подошвы фундамента (зона усиления) был обнаружен минеральный инъекционный материал, что на основании визуального освидетельствования (рис. 5, б) косвенно подтверждает эффективность пропитки грунта с образованием цементного камня в зоне укрепления основания, сложенного преимущественно слабыми грунтами и техногенными отложениями. Образцы закрепленного грунта и в естественном сложении были отобраны из-под основания здания на участке проводимых опытно-экспериментальных работ и направлены на лабораторные исследования для определения достигнутых контролируемых параметров. Д. Лабораторные испытания На основании нормативной документации (ГОСТ 12248-2010) для определения характеристик деформируемости укрепленного грунта был выбран метод трехосного сжатия, в связи с более постоянным и более однородным распределением напряжений в образце грунта по сравнению с другими лабораторными методами. Параметры деформируемости определялись по результатам испытаний цилиндрических образцов грунта в камере трехосного сжатия (рис. 6). Деформирование образцов происходило в условиях трехосного осесимметричного как статического, так и кинематического (непрерывного, с заданной скоростью, мм/мин) нагружения при где - наибольшее главное напряжение, - промежуточное главное напряжение, - наименьшее главное напряжение. а б Рис. 6. Проведение лабораторного эксперимента в установке трехосного сжатия: а - конструктивная схема камеры прибора трехосного сжатия; б - стабилометр в лаборатории кафедры геотехники СПбГАСУ Fig. 6. Conducting a laboratory experiment in a triaxial compression device: a - the schematic view of the camera triaxial compression device; b - stabilometer in the laboratory of the Department of Geotechnics, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering Для лабораторных испытаний использовались образцы грунта диаметром 38 мм и высотой 76 мм ненарушенного сложения с природной влажностью. Образцы были отобраны с опытной площадки, при помощи металлического цилиндра с заостренной нижней гранью (рис. 7). a б Рис. 7. Отобранные образцы грунта для последующей загрузки в камеру установки трехосного сжатия: a - образец грунта ненарушенной структуры; б - образец укрепленного грунта ненарушенной структуры Fig. 7. Selected soil samples for subsequent loading into the chamber of laboratory setup: a - the sample of unreinforced soil of undisturbed structure; b - the sample of reinforced soil of undisturbed structure Испытания в стабилометре производились по схеме консолидированно-дренированного испытания. Данная схема подходит для определения характеристик прочности и деформируемости любых дисперсных грунтов в стабилизированном состоянии. Испытания вертикальной нагрузкой проводились при заданном всестороннем давлении на образец грунта. Боковое давление, создаваемое жидкостью в рабочей камере стабилометра (), поддерживалось постоянным, а вертикальное давление () увеличивалось ступенями При определенной величине разности (девиаторе) напряжений () наступало разрушение образца (рис. 8). При постоянном значении напряжений модуль деформации Е вычисляется исходя из следующей зависимости [18] (рис. 9): где - приращение осевого напряжения в пределах линейного участка зависимости «деформация - напряжение» (нач. участок кривой деформирования), кПа; - приращение осевой деформации в пределах линейного участка зависимости «деформация - напряжение» (нач. участок кривой деформирования), мм; - высота испытуемого образца, a б Рис. 8. Успешно завершенные испытания образцов лабораторной установкой трехосного сжатия при эффективном давлении в камере 300 кПа: а - образец грунта ненарушенной структуры; б - образец укрепленного грунта Fig. 8. Successfully completed testing of samples with a triaxial compression laboratory setup at an effective chamber pressure of 300 kPa: a - the sample of unreinforced soil of undisturbed structure; b - the sample of reinforced soil of undisturbed structure Рис. 9. К определению модулей деформации в условиях трехосного сжатия: а - образец грунта ненарушенной структуры; б - образец укрепленного грунта Fig. 9. To the determination of deformation moduli under triaxial compression: a - the sample of unreinforced soil of undisturbed structure; b - the sample of reinforced soil of undisturbed structure По результатам испытаний в условиях трехосного сжатия построены круги Мора при различных эффективных напряжениях. Определение характеристик прочности производилось графоаналитическим методом с использованием касательной [19] (рис. 10). Рис. 10. К определению прочностных характеристик в условиях трехосного сжатия: а - образец грунта ненарушенной структуры; б - образец укрепленного грунта Fig. 10. To the determination of strength characteristics under triaxial compression: a - the sample of unreinforced soil of undisturbed structure; b - the sample of reinforced soil of undisturbed structure По результатам испытаний определены значения модуля деформации, угла внутреннего трения, силы удельного сцепления грунта (табл. 2). Таблица 2 Результаты лабораторных испытаний Table 2 Laboratory tests results № п/п Давление в камере, кПа Вертикальное давление s1, кПа Вертикальные деформации образца h, мм Высота образца hобр, мм Модуль деформации E, МПа Прочностные характеристики Грунт естественного сложения 1 100 164,8 1,33 78 9,282 Удельное сцепление с = 76,9 кПа 175,4 1,41 2 200 284,4 1,60 78 11,520 303,6 1,73 Угол внутреннего трения j = 20° 3 300 386 1,77 78 12,275 415,9 1,96 Закрепленный грунт 4 100 152,9 0,72 78 13,260 Удельное сцепление с = 81,5 кПа 164,8 0,79 5 200 256,8 1,35 78 16,883 275,8 1,44 Угол внутреннего трения j = 28° 6 300 387,7 1,73 78 24,440 415,9 1,82 По результатам проведенных лабораторных исследований были испытаны образцы укрепленного в возрасте 35 сут массива грунта и находящийся в естественном сложении грунт. В ходе исследований был определен основной контролируемый параметр, показывающий увеличение деформационного показателя укрепленного грунтового массива минимум на 40 % по отношению к грунту в естественном сложении. Е. Оценка эффективности рассмотренной технологии методом математического моделирования Численное моделирование деформаций основания сооружения производилось в программном комплексе PLAXIS 2D, реализующем метод конечных элементов в плоской постановке задачи с использованием модели упрочняющегося грунта (Hardening Soil Model). Данная модель использует модуль разгрузки при снижении напряжений в элементе. Кроме того, в этой модели используется гиперболическая зависимость деформаций от девиаторных напряжений, что точнее отражает реальное поведение грунта. Для оценки эффективности применения метода инъекционного укрепления основания фундаментов под всем зданием в качестве компенсационного мероприятия от возникновения неравномерных технологических осадок при устройстве конструкции «стена в грунте» было выполнено физико-математическое моделирование для двух случаев: I. Напластование грунтов находится в естественном сложении (рис. 11), при этом расчетные фазы для моделирования геотехнической ситуации приняты следующие: 1. Начальная фаза (Initial phase) - для формирования природных напряжений в массиве грунта. 2. Активация нагрузки от здания и геотехнического барьера. Допущением является моделирование нагрузки от здания в виде равномерно распределенной, в связи с незначительным расстоянием в свету между ленточными фундаментами. 3. Разработка траншеи для СВГ с последующим заполнением бентонитовым раствором. 4. Устройство железобетонной СВГ. Рис. 11. Физико-математическое моделирование ситуации без учета усиления основания фундаментов здания Fig. 11. Physico-mathematical modeling of the situation without the use of injection grouts of the sub-base building II. В основании фундаментов здания проведены работы по его укреплению (рис. 12), при этом расчетные фазы для моделирования геотехнической ситуации приняты следующие: 1. Начальная фаза (Initial phase) - для формирования природных напряжений в массиве грунта. 2. Активация нагрузки от здания и геотехнического барьера. Допущением является моделирование нагрузки от здания в виде равномерно распределенной, в связи с незначительным расстоянием в свету между ленточными фундаментами. 3. Приращение значений физико-механических характеристик грунтового массива, полученных в результате лабораторных испытаний, под фундаментами здания посредством замены грунта. 4. Разработка траншеи для СВГ с последующим заполнением бентонитовым раствором. 5. Устройство железобетонной СВГ. Рис. 12. Физико-математическое моделирование ситуации с учетом усиления основания фундаментов здания Fig. 12. Physico-mathematical modeling of the situation with the use of injection grouts of the sub-base building По результатам численного моделирования получены значения неравномерности деформаций здания, вызванных технологическими особенностями при производстве работ по устройству СВГ (табл. 3). Таблица 3 Результаты численного моделирования Table 3 Results of physico-mathematical modeling Осадка Относительная неравномерность осадки Допускаемая 5 мм 0,0004 Без учета усиления 8 мм 0,0007 С учетом усиления 4 мм 0,0001 Заключение Выполненные опытно-экспериментальные работы, лабораторные испытания, а также физико-математическое моделирование позволили сформулировать следующие основные выводы: 1. Экспериментально подтверждена эффективность выбранного режима инъекционного нагнетания - пропитка грунта с образованием цементного камня в зоне укрепления основания фундаментов здания, сложенного преимущественно слабыми текучими пылевато-глинистыми грунтами и техногенными отложениями. 2. При сопоставлении результатов лабораторных испытаний установлена зависимость основного контролируемого параметра - модуля деформации, показывающая увеличение деформационных показателей укрепленного грунтового массива минимум на 40 % по отношению к грунту в естественном сложении. 3. По результатам физико-математического моделирования установлена эффективность применения компенсационного инъекционного закрепления грунтов в качестве превентивной меры по исключению неравномерных технологических осадок здания, попадающего в зону влияния производства работ по устройству ограждающей конструкции котлована «стена в грунте».

About the authors

F. N Kalach

Saint-Petersburg State Architectural and Civil Engineering University

References

Statistics

Views

Abstract - 593

PDF (Russian) - 294

Refbacks

• There are currently no refbacks.