К.т .н Чунюк Д.Ю, Ярных В.Ф. .

Московский государственный строительный университет,

Российская Федерация

Учет составляющих геотехнических рисков связанных с проектированием глубоких котлованов

 

В современных условиях при строительстве промышленных или гражданских зданий или сооружений используется та же технологическая цепочка, что и раньше. От идеи до введения объекта в эксплуатацию мы проходим, в том числе и стадию проектирования, включающую в себя все необходимые работы, включая выпуск рабочих чертежей, все решения на которых имеют соответствующее расчетное обоснование.

За последние десятилетия с ростом вычислительных возможностей компьютеров и совершенствованием расчетных комплексов не является проблемой проведение необходимых расчетов как здания в целом (в том числе и во взаимодействии с грунтовым массивом), так и отдельных конструкций, включая ограждения котлованов.

При строительстве в крупных мегаполисах, в условиях дефицита территории, когда всё что можно уже застроено, появилась необходимость, так называемой, точечной застройки. Проектируемое здание, имеющее зачастую развитую подземную часть, включающую, например, многоуровневую подземную парковку, "встраивается" в существующую застройку. В этом случае не может быть и речи об устройстве котлована с естественными откосами и инженерам приходится проектировать ограждающие конструкции котлована соответствующие инженерно-геологическим условиям площадки.

Приведем пример из собственной практики. Строящееся в Москве здание многофункционального торгово-офисного комплекса. Оставим без внимания его 11-ти этажную надземную часть и остановимся подробней на подземной части. Подземная часть здания имеет в плане практически прямоугольную форму с габаритными размерами 48.3х62.6м, в которой располагается 2-х уровневая подземная стоянка, оборудованная парковочными системами KLAUS . Отметка дна котлована составляет -14.65м от уровня чистого пола 1 этажа. Глубина котлована 13.4м. Инженерно-геологические условия строительной площадки относятся к III категории (сложные) по сложности. В зону влияния строительства попадает шесть соседних зданий, одно из которых (одноэтажное здание распределительной трансформаторной подстанции) находится на пятиметровой насыпи в 1.5м от котлована.

При приведенных выше исходных данных проектировщики приняли абсолютно правильно решение об использовании в качестве ограждающей конструкции котлована "стены в грунте" траншейного типа. Как и полагается, проектная организация должна была выполнить соответствующие расчеты ограждающих конструкций котлована. Согласно проведенным расчетам действующим нормам и правилам удовлетворяет "стена в грунте" толщиной 600мм с заделкой ниже дна котлована на 10.6м. Крепление ограждения выполняется из одного яруса горизонтальных распорок из труб ? 630х10 с шагом 8.1м упираемых в простенки и колонны, возведенные с пионерной фундаментной плиты. Устройство металлической распределительной балки в уровне распорок проектом не предусматривалось. Устойчивость ограждения при поэтапной разработке котлована обеспечивалась путем устройства грунтовых берм. На фото 1 показаны фрагменты котлована с частично смонтированной в углах распорной системой.

Фото 1. Фрагменты котлована со смонтированными в углах горизонтальными распорками (на фото справа – 5м подпорная стена одноэтажного здания ТП, за которым жилой дом, попадающий в зону влияния)

 

Допустим, что все проектные решения по ограждающим конструкциям и распорной системе имеют соответствующее расчетное обоснование. В том числе, было проведено конечно-элементное моделирование работы системы "массив грунта – ограждающая конструкция – котлован – здание" (с учетом, естественно, окружающей застройки) и получены соответствующие усилия в конструкциях "стены в грунте", распорках и т.д. Идет обычный процесс конструирования: производится подбор арматуры в "стене в грунте", профилей для распорной системы, проработка узлов сопряжений между ограждением, распорками и несущими конструкциями здания, уточняются технологические параметры для производства работ по возведению "стены в грунте". Казалось бы, никаких трудностей.

Но выяснилось следующее. Проектировщики, как и полагается, заложили в проект устройство бетонной обвязочной балки по верху «стены в грунте», обеспечив тем самым перераспределение напряжений от массива грунта на ограждающую конструкцию и вовлечение в совместную работу всех «панелей» «стены в грунте» (длина «панелей» варьируется от 1,6м до 5,6м). Однако при конструировании элементов распорной системы они, по каким-то своим причинам, отказались от устройства металлической распределительной балки в уровне крепления горизонтальных распорок (на отн . отм . -4,750). Таким образом, при шаге распорок около 8.1м давление от грунта передается через конструкцию «стены в грунте» на распорки не равномерно и, соответственно, из-за, так называемого, «клавишного» эффекта величины усилий в каждой распорке будут иметь значительный разброс. Максимальные значения усилий в распорках могут превысить «среднее» значение усилия (полученного при равномерном загружении ограждения), исходя из которого были подобраны металлические профили распорок, что, в свою очередь, будет способствовать развитию аварийной ситуации на объекте со всеми негативными последствиями.

Усугубляет ситуацию тот факт, что при производстве работ по устройству «стены в грунте» были допущены грубейшие нарушения, приведшие, в том числе и к значительным геометрическим отклонениям по высоте конструкции. Качество выполненных арматурных и бетонных работ, а также качества самого бетона, не соответствовало проектным требованиям. Откопка котлована с грунтовыми бермами, открыв поверхности выполненной "стены в грунте", показала многочисленные дефекты поверхности, отсутствие защитных слоев бетона, повреждение горизонтальной арматуры, "наплывы" бетона и пр.

 

Фото 2. Фрагмент котлована с частично смонтированной новой распорной системой, включающей распределительную балку в уровне подкосов (на фото справа – усиление металлическими рамами подпорной стены здания ТП)

 

Все вышеперечисленное привело к необходимости как проведения ремонтно-восстановительных работ конструкции «стены в грунте», так и ее усиления путем устройства металлической распределительной балки с опиранием в нее новой распорной системы (см. фото 2), что потребовало дополнительного финансирования и значительного увеличения сроков строительства конструкций "нулевого цикла".

К сожалению, приведенный нами выше пример не является единичным (см. фото 3), что лишний раз подтверждает необходимость привлекать к строительству, как высококвалифицированных инженеров-проектировщиков, так и специализированные подрядные организации, способные даже сложнейшие геотехнические проектные решения безупречно воплощать на строительной площадке.

 

Фото 3. Фрагмент другого котлована со смонтированными горизонтальными распорками

 

Метод конечных элементов дает нам практически неограниченные возможности в наших экспериментах и огромное количество информации для анализа этих экспериментов. Однако не стоит забывать и о том, что это всего лишь один из инструментов в руках Инженера. И что использование этого инструмента может оказать проектировщику неоценимую помощь только в том случае, когда он обладает фундаментальными знаниями в данной отрасли и четким пониманием того как работают все конструкции и элементы ограждения котлована во взаимодействии с массивом грунта и окружающей застройкой, когда он имеет практический опыт устройства подобных конструкций и может технически грамотно интерпретировать результаты этих расчетов.

Все вышеперечисленные моменты и необходимо учитывать в реальном проектировании для снижения геотехнических рисков в строительстве и, как следствие, минимизации сроков и стоимости строительства, а также оптимизации всего строительного процесса.