Вместе к новым решениям!

Проектирование котлованов и фундаментов в условиях городской застройки.

Р. КАТЦЕНБАХ, д-р техн. наук, директор института геотехники, Технический Университет (Дармштадт, Германия).

Рис. 1. Панорама г. Франкфурт-на-Майне.

В связи с дефицитом и высокой стоимостью сво­бодных земельных участков в центральной части та­ких мегаполисов, как Москва, Нью-Йорк, Берлин, Франкфурт-на-Майне, возведение высотных зданий проводится в условиях тесной городской застрой­ки, в непосредственной близости от существующих сооружений. Постоянный рост количества автомо­билей, особенно в больших городах, приводит к вы­сокому спросу на подземные площади для паркин­гов и гаражей. В этих условиях возросла необходи­мость производства глубоких котлованов, контроля за их деформациями и проведения мониторинга ок­ружающей застройки.

Рис. 2. Инклинометр а — схема конструкции б — результаты измерений.
Рис. 3. Схема установки динамометров и результаты измерения силы в распорной конструкции.

Проектирование и производство глубоких кот­лованов для высотного строительства соответст­вует самой сложной геотехнической задаче, так называемой геотехнической категории 3 (Euro Code ЕС 7, МГСН 2.07-2001). Для этой категории международные и российские нормы предписыва­ют проведение мониторинга.

Метод наблюдения и мониторинг

Действующий в Европе стандарт ЕС 7 «Проекти­рование, расчёт и конструкции в геотехнике» пре­дусматривает применение метода наблюдения для всех сооружений, принадлежащих к геотехничес­кой категории 3.

Метод наблюдения - это процесс, состоящий из:

•  создания теоретической модели для прогноза распределения нагрузки и осадки;
• определения пределов возможных деформа­ций и усилий в конструкциях строящегося здания и окружающей застройки;
• измерительно-технического наблюдения и конт­роля за строящимся зданием, грунтовым масси­вом и окружающей застройкой, включающих сравнение результатов измерений и расчётов;
• разработки плана конструктивных мероприя­тий на случай превышения прогнозируемых значений;

• принятия необходимых мер по обеспечению бе­зопасности в случае возникновения расхожде­ний между теорией и практикой, влияющих на безопасность и надёжность строящегося и сосед­них зданий.

Метод наблюдения применяется на всех этапах проектирования, возведения и эксплуатации здания.

Комплексный геотехнический мониторинг включает в себя измерения и контроль за:

•  нагрузками на фундамент и его деформациями;
•  деформациями крепления котлована;
•  нагрузками на отдельные элементы фундамента;
•  напряжениями в сваях;
•  распределением напряжений от давления грунта и грунтовых вод;
•  распределением осадки в зависимости от глу­бины и сжимаемости слоя грунта;

•  влиянием на окружающую застройку.

Основное преимущество этого метода состоит в том, что при различии прогнозируемых и действи­тельных деформаций или напряжений возможно вне­сение соответствующих изменений в проект или в план производства работ. Кроме того, результаты из­мерений являются прекрасной базой для коррекции имеющихся данных о характеристиках грунта и их по­ведения в напряженном состоянии. Анализ этой ин­формации и обратный расчёт с известными из изме­рений величинами деформаций и напряжений позво­ляет в дальнейшем создать более достоверные, улуч­шенные модели для расчёта и проектирования.

На сегодняшний день все высотные здания, воз­водящиеся в г. Франкфурт-на-Майне (рис. 1), сопро­вождаются измерительным контролем как перед на­чалом и во время производства работ, так и при эксплуатации зданий. В большинстве случаев из­мерения проводятся Техническим Университетом г. Дармштадт по поручению строительного надзо­ра г. Франкфурт-на-Майне. 

Инструменты для проведения мониторинга

Одним из самых важных элементов проведения коплексного геотехнического мониторинга явля­ется контроль за нагрузками и деформациями сте­нок крепления котлована вследствие выемки грун­та. Основным инструментом для мониторинга де­формаций крепления котлована являются инкли­нометры (измерители угла наклона, рис. 2).

В предварительно встроенную в стенку котлова­на трубу опускается датчик, который измеряет нак­лон относительно вертикали. Такие измерения про­водятся с регулярными интервалами и перед решаю­щими этапами строительства, например, — большой объём выемки грунта, работа тяжёлой строительной техники в непосредственной близи от крепления котлована и т.д.

Аналогичной цели служат реперы, устанавливае­мые на стенках крепления котлована, геодезическая съемка которых проводится с теми же интервалами, что и измерения инклинометром.

Для контроля нагрузки возможно измерение си­лы, действующей на распорки  котлована, с помощью тензометрических датчиков или динамометров. При постоянных измерениях, которые представлены на рис. 3, можно предсказать наступление критического состояния и соответственно изменить процесс строи­тельства или принять конструктивные меры.

Рис. 4. Свая с измерительными приборами.
Рис. 5. Экстензометр.

Измерение нагрузки на несущие конструкции, а именно на сваи и фундаментную плиту, в процессе строительства и периода эксплуатации здания даёт точные и реалистичные данные о действующих уси­лиях в этих элементах конструкции. Для измерения общей нагрузки на сваю и для раздельного описания составляющих общей несущей способности (под концом и по боковой поверхности свай) применя­ются динамометры и тензометрические датчики.

Динамометр, применяемый для измерения давле­ния в сваях, представляет собой гидравлическую подушку давления, наполненную жидкостью, изме­нение давления в которой фиксируется установ­ленным мембранным датчиком. Для достаточного контакта между динамометром на нижнем конце сваи и грунтами основания необходимо размес­тить бетонный конус на конце сваи. Второй дина­мометр располагается на верхнем конце сваи и из­меряет общую нагрузку на сваю. По длине сваи, на арматурном каркасе, расположены тензометрические датчики, фиксирующие значения дефор­маций в свае.

Для измерения вертикальных деформаций в свайных фундаментах или в других бетонных конструкциях наравне с тензометрическими датчи­ками применяется принцип колеблющейся струны. Метод измерения состоит в том, что натянутая струна приводится к определенной частоте колеба­ния посредством магнитного поля; при изменении длины струны изменяется амплитуда. На основе предварительного калибрования измерительного прибора по изменению амплитуды определяется напряжение в конструкции. Во время мониторинга также проводится измерение напряжений и дефор­маций в грунтовом массиве. Контроль выбранной модели грунтов проводится измерением осадок в различных слоях грунтов с помощью экстензометров (рис. 5). Также возможно применение экстензометров для измерения выпора грунта.

Рис. 6. Датчики порового давления.

Для измерения взвешивающего действия воды применяются датчики порового давления (рис. 6), которые устанавливаются, как правило, под фун­даментной плитой.

Рис. 7. Уровень грунтовых вод во время водопонижения
 
 Рис.8. Марка-маяк для измерения ширины трещины.

При водопонижении, в рамках мониторинга, производятся скважины для регулярного измерения уровня грунтовых вод как внутри котлована, так и за его пределами, в области влияния депрессионной во­ронки водопонижения (рис. 7).

В скважинах, расположенных внутри котлована, контролируется достижение отметки водопониже­ния. За пределами котлована уровень грунтовых вод измеряется для оценки опасности осадок грунтов и связанного с этим возможного влияния на соседние здания. При проведении строительного водопони­жения необходим контроль за объёмом водоотбора и качеством воды с экологической точки зрения. Объ­ём водоотбора контролируется калибрированными водомерами и сравнивается с предусмотренным в проекте. Экологический анализ воды регулярно про­водится в специализированных химических лабора­ториях, по его данным решается вопрос о необходи­мости и возможности водоочистки с помощью фильтров, проводится контроль за возможным заг­рязнением грунтовых вод вследствие строительного процесса или техногенного загрязнения почвы, имевшего место до начала строительных работ.

Во избежание юридических разногласий с вла­дельцами соседних зданий, а также для собственного контроля во время производства, проводится мони­торинг окружающей застройки. На первом этапе пре­дусматривается архитектурный осмотр застройки, в ходе которого производится фотодокументация и фиксируются имеющиеся повреждения зданий.

Рис. 9. Высотное здание Майнтауер (г. Франкфурт-на-Майне)

При выявлении уже имеющихся трещин ста­вятся марки-маяки с датой установки, а ширина трещины документируется (рис. 8). Для измере­ния осадки окружающей территории и соседних зданий выполняется нивелирование с привязкой к точке геодезической сети, лежащей вне зоны влияния застройки.

Вышеописанные инструменты мониторинга приводят к успеху лишь при комплексном примене­нии всех соответствующих мер. Программа монито­ринга должна быть разработана на предпроектной стадии, и ее первый этап — документация имеющих­ся повреждений зданий и предварительная геодези­ческая съемка — должен быть проведен до начала строительства. Программа должна содержать конк­ретные меры для каждой стадии проекта и претво­ряться в жизнь независимой организацией, имею­щей соответсвующую квалификацию.

Применение метода наблюдения при возведении высотных зданий по методу «сверху вниз» (Top-Down), на примере здания «Майнтауер»

Высотное здание «Майнтауер» (57 надземных и 5 подземных этажей) было построено по технологии «сверху вниз» (рис. 9). Проектом этого 200-метрового здания был предусмотрен комбинированный свайно-плитный фундамент. Глубина заложения фундаментной плиты составляет 21м ниже поверх­ности земли и 14 м ниже уровня грунтовых вод.

В общей сложности для фундамента было про­изведено 112 буронабивных свай диаметром 1,5 м и длиной 30 м. Грунты основания состоят из франкфуртской глины третичного периода, име­ющей в среднем следующие прочностные и де­формационные характеристики:

Рис. 10 План котлована.
•  угол внутреннего трения φ= 20°,

•  удельное сцепление с = 20 кПа,

эквивалентный модуль упругости, возрастающий с глубиной, Е= 7 (1 0+35z) МПа, где z—глубина, из­меряемая от верхней отметки третичной глины. При возведении этого здания была предусмот­рена, уже начиная с разработки предпроектной до­кументации, объёмная программа мониторинга.

Технология «сверху вниз»

Для уменьшения деформаций «стены в грунте» и с целью сокращения сроков строительства было при­нято решение применить технологию «сверху вниз». Принцип технологии «сверху вниз» состоит в возведении «стены в грунте» с поверхности земли и постепенное бетонирование перекрытий, которые работают как распорки во время строительного про­цесса. Под их защитой проводится последующая вы­емка грунта, который вывозится на поверхность че­рез предварительно оставленные отверстия в перек­рытиях верхних этажей. С уровня возведенных пе­рекрытий, одновременно с идущей на нижних уров­нях выемкой грунта, производится строительство вверх, при таком способе значительно сокращают­ся сроки строительства.

В данном проекте ограждение котлована было выполнено способом «стена в грунте» из 257 буросекущихся свай с диаметрами 0,9 и 1,5 м. По конструк­тивным соображениям в области ядра жёсткости возведение проводится снизу вверх, для этого остав­ляется незабетонированным отверстие, в котором выемка грунта проводится быстрее. Таким образом производится «котлован внутри котлована», ограж­дение которого благодаря проводимому водопонижению может состоять из прокатных профилей с за­бивкой из досок. Работы по возведению ядра жёсткости идут параллельно с выемкой грунта в дру­гих частях котлована.

 Рис. 11. Технологический процесс при возведении.

На рис. 10, 11 показаны котлован в плане и технологический процесс, использованный при возведении высотного здания «Майнтауер».

Мониторинг в процессе строительства высотного здания «Майнтауер»

В рамках программы мониторинга для проекта была предусмотрена следующая система конт­роля:

•  измерение горизонтальных деформаций с помощью 14-ти инклинометров, расположен­ных непосредственно за ограждающими стен­ками котлована;
•  измерение вертикальных деформаций с по­мощью 17-ти экстензометров до глубины 100 м;
•  определение нагрузки в 17-ти сваях на верх­нем конце и в 14-ти сваях на нижнем конце;
•  определение напряжений в 21-й свае по всей длине в соответствии со схемой, показанной на (рис. 4);
•  наблюдение за распределением напряжений в распорной конструкции предварительного котлована для ядра жёсткости;
•  измерение порового давления во франкфур­тской глине;
•  измерение напряжения под плитой фундамента

•  постоянное наблюдение за уровнем и химическим составом грунтовых вод, объёмом водоотбора. На рис. 12 представлен план с нанесенным на нём расположением инструментов мониторинга в про­цессе строительства. Все поступающие данные о де­формациях и напряжениях обрабатывались и архи­вировались в специальном вычислительном центре.

Применение метода наблюдения при возведении «Коммерцбанка»

В плане это высотное здание представляет собой равносторонний треугольник, длина одной сто­роны которого составляет около 60 м. В каждом из углов треугольника расположено по ядру жёсткости с двумя «мега-колоннами» (рис. 14). В непосредственной близости от нового небоск­рёба находится более раннее высотное здание Коммерцбанка (рис. 13). Проектом было предус­мотрено соединение двух подземных этажей обоих зданий.

Рис.12. План расположения инструментов мониторинга в процессе строительства.

 

Рис. 13. Новое и старое здание Коммерцбанка.

Грунтами основания являются франкфур­тские глины, подстилаемые слоем известняков, имеющих каверны и пустоты различных диамет­ров. Характеристики франкфуртского известня­ка, особенно в верхних слоях, неоднородны,в этой связи было проведено большое количество лабораторных испытаний и их статистическая обработка.

Полученные в ходе испытаний деформацион­ные и прочностные характеристики имеют сле­дующие нормативные значения: предел прочнос­ти при одноосном сжатии — 84 МПа, модуль упру­гости — 20 ООО МПа. Проектом был предусмотрен свайный фундамент при использовании буронабивных свай с переменным диаметром (те- лескопируемых) на массивной плите, толщиной от 2,5 м в центре здания до 3,5 м в области ядер жёсткости, и до 4,5 м — под «мега-колоннами».

Буронабивные сваи производились диаметром 1,8 м в первых 20-ти м сжимаемой толщи и диамет­ром 1,5 м в дальнейшем процессе бурения до про­ектной отметки сваи в слое известняка. В извест­няке из-за его неоднородных свойств и наличия пустот были проведены цементные инъекции по всей длине заделки свай, а также на 10 м под ниж­ним концом свай (рис. 15). Общая осадка здания составила 2,1 см.

Мониторинг в процессе строительства «Коммерцбанка»

В связи со сложной геотехнической задачей стро­ительства этого здания в условиях тесной городс­кой застройки, а также присоединением подземной части старого и нового зданий (геотехническая категория 3) была разработана масштабная программа мониторинга (рис. 16).

Эта программа в процессе строительства пре­дусматривала измерения деформаций грунтового массива с помощью 5 инклинометров, установлен­ных рядом с креплением котлована, 13-ти экстензометров до глубины 105 м ниже поверхности земли.

Измерения напряжений проводились в 30-ти из 111-ти телескопированных свай, при этом были встроены описанные выше динамометры на верх­них и нижних концах свай. Также применялись раз­работанные на кафедре геотехники Технического Университета г. Дармштадт интегральные измери­тельные элементы, с помощью которых проводят­ся измерения вертикальных деформаций в свае и, исходя из условий работы железобетона, определя­ется нормальная сила в свае.

Интегральный измерительный элемент состо­ит из 2-метровой стальной трубы с внешним диа­метром — 33 мм и толщиной стенок — 3 мм, с прива­ренными стальными пластинами для передачи наг­рузки (рис. 17). В середине труба сужается, здесь располагаются два тензометрических датчика, фиксирующих деформацию сваи. За счёт этого инструмента с высокой точностью определяются значения деформаций по всей длине сваи. С целью измерения давления под фундаментной плитой бы­ли вмонтированы 13 датчиков.

Для контроля за взвешивающим действием воды были установлены 4 датчика измерения порового давления: один в центре и по одному в каждом из уг­лов плиты здания (рис. 18).

Особенно интересным инструментом монито­ринга, примененным при строительстве новой баш­ни «Коммерцбанка», являются так называемые стан­ции мониторинга напряжений, представляющие со­бой 4 динамометра в виде гидравлических подушек с различным углами поворота, расположенных на раз­ных глубинах. Как показано на рис. 19, два верхних Уровня измерения находятся во франкфуртской глине, а нижний уровень — в известняках.

Основная идея станций мониторинга состоит в измерении трехмерного напряженного состоя­ния в грунтовом массиве вследствие нагрузки от здания. Особенно важно при этом достижение контакта между измерительными приборами и ок­ружающим грунтовым массивом, в связи с чем пос­ле бурения скважины и установки в ней измери­тельных приборов проводится заполнение скважины материалом, соответствующим по своим де­формационным характеристикам окружающему грунтовому массиву.

Рис. 14. Расположение колонн и ядер жёсткости в новом здании Коммерцбанка.
Рис. 15. Установка арматурного каркаса, оснащённого инструментами для проведения цементных инъекций в известняках при строительстве свайных фундаментов нового здания Коммерцбанка.

Все данные, полученные в результате прове­дения мониторинга, обрабатывались в специаль­ном вычислительном центре. В результате ана­лиза было установлено точное распределение давления под фундаментной плитой, нагрузок в отдельных сваях и в кусте свай, а также были по­лучены подтвержденные данные о несущей спо­собности франкфуртских известняков в масси­ве. Кроме того, расчётные модели были не толь­ко проверены, но и улучшены.

Опыт, полученнный в результате проведения мониторинга

Рис. 16. Расположение измерительных приборов и программа проведения мониторинга при строительстве новой башни Коммерцбанка.
Рис. 17. Интегральный измерительный элемент.

Измерение отдельных величин деформации производилось давно, но, как правило, оно носило фрагментарный характер. Во время строительства метро и возведения первых высотных зданий в г. Франкфурт-на-Майне в 70-х год. прошлого столетия, в условиях плотной город кой застройки, необходимость постоянно] наблюдения за процессом строительства ста. очевидной. Выяснилось, что теоретические модели проектировщиков не описывают достаточно точно действительное поведение грунта массиве. При строительстве высотных зданий первого поколения неоднократно наблюдали осадки и крены зданий, превышавшие проектные прогнозы осадок. Для увеличения безопасности строительства стали вводиться программы наблюдения (мониторинга) в процессе строительства, в первую очередь это касалось глубоких котлованов и связанной с ними деформацией окружающей застройки.

Проведение мониторинга во время строительства позволило провести оптимизацию фундаментов. При отклонениях наблюдаемых деформаций от проектных, превентивные меры принимались немедленно, обеспечивая не только безопасность и надёжность строительства но и возведение полноценных по своему функциональному назначению зданий.

Распространение новых технологий в строительстве и оптимизация инженерных решений получили новый импульс после широкого введения измерений деформаций и напряжений. Например, благодаря результатам наблюдений за напряжениями в сваях на разных этапах строительства и эксплуатации, стала возможной разработка модели комбинированного свайно-плитного фундамента, который в настоящее время широко применяется при строительстве на сжимаемых грунтах.

Сегодня в европейском строительстве применение метода наблюдений, включающего обширную программу мониторинга, является не­отъемлемой частью процедуры согласования и проверки проекта, подпадающего под геотех­ническую категорию 3, к которой относится возведение высотных зданий и глубоких котло­ванов. При новых постановках строительных задач и всё более высоких требованиях к каче­ству строительства лишь проведение комплекс­ного мониторинга может обеспечить достаточ­ную надёжность производства работ и финансо­вых инвестиций.

Литература

1. Gorbuпov-Posadov, M.I., Ilyichev, V.A., Krutov V.I. (1985) Bases and Underground Structures. Reference Book for a Designer. Edited by E.A. Sorochan, U.G. Trofimenkov, Moscow.

2. Ilyichev, V.A., Konovalov, P.A., Nikiforova, N.S. (2003) Management of the Monitoring Process for Structures Built Below Ground in Moscow. Proceeding of the international conference held at Imperial College, London, UK, on 17-18 July 2001.

3. Katzenbach, R, Weiclle, A., Ramm H. (2003) Geotechnical Basics in Modelling of the Soil-Structure Interaction due 10 'he Sustainable Re-use of Historical Foundations and Structures. Proceedings of the International Geotechnical Conference «Reconstruction of Historical Cities and Geotechnical Engineering», St. Petersburg, Volume 1, P. 85-94.

4.  Katzenbach, R, Hoffmann, H., Vogler, M., Moormann, C. (2001) Costoptimized Foundation Systems of High-Rise Structures, based on the Results of Actual Geotechnical Research. Int. Conf. on trends in tall buildings, Sept. 2001 Frankfurt on Main, (ed. Konig, Graubner), P. 421-443.

5.  Katzenbach, R, Moormann, Ch., (1997) Erstellung einer 20-m tiefen Hochhaus-Baugrube im Frankfurter Ton nach der Methode der modifizierten Deckelbauweise.

6.  Stuttgarter Geotechnik-Symposium an der Universitat Stuttgart, «Baugruben in Locker- und Festgestein», 24.06.1997, Mitteilungen des Institutes fur Geotechnik an der Universitat Stuttgart, Heft 42, P. 127-151.

Рис. 18. Расположение датчиков измерения давления под фундаментной плитой.
Рис. 19. Станции мониторинга напряжений и их расположение.

 

 

Связь с консультантом

+375 (17) 240-42-29

skype