ВВЕДЕНИЕ

В условиях бурного экономического роста и урбанизации появляется множество «городских болезней». Среди них – транспортные пробки, трудности с парковками и другие проблемы, связанные с нехваткой земельных ресурсов. А само по себе возведение высотных зданий в конечном итоге только ухудшает положение. Однако рациональное освоение подземного пространства помогает решить вышеуказанные проблемы. Это могут быть подземные парковки, метро, подземные этажи зданий. Но проведение земляных работ на застроенных территориях неизбежно меняет исходные поля напряжений в грунтовых массивах и может вызвать такие неблагоприятные последствия, как неравномерные осадки окружающих зданий, образование в них трещин и даже обрушение. Избежать таких последствий поможет правильное проектирование на основе достаточных и достоверных инженерных изысканий и расчетов с использованием численного моделирования, а также хорошо организованный мониторинг строительных работ.

Многие исследователи проводили углубленное изучение указанных вопросов на примерах влияния на окружающую застройку со стороны проходки тоннелей метро или строительства котлованов на основе двумерных и трехмерных конечноэлементных моделей.

Есть и работы, описывающие с помощью численных моделей поведение зданий и их свайно-ростверковых и свайно-плитных фундаментов во время земляных работ непосредственно под ними, особенно в случаях слабых грунтовых оснований. В том числе исследовалось влияние выемки грунта под существующими зданиями на трение по боковой поверхности и на сопротивление под нижними концами существующих свай, на перераспределение нагрузок между сваями и на их осадки. Выемка грунта увеличивает свободную длину сваи фундамента, что может вызвать потерю ее продольной устойчивости на изгиб и разуплотнение грунта вокруг сваи ниже дна выемки, а это может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому подобные проекты требуют тщательного изучения факторов, влияющих на устойчивость фундаментных свай, и достоверных расчетов.

Но, несмотря на множество теоретических исследований по этой теме, по крайней мере в Китае выходит довольно мало статей, описывающих реальные случаи земляных работ под существующими зданиями (следует отметить, что в России подобные работы успешно выполняются и есть немало соответствующих публикаций. – Ред.). В связи с этим китайские специалисты Хуа-фэн Шань (Hua-feng Shan), Шао-хэн Хэ (Shao-heng He), Юй-хуа Лу (Yu-hua Lu) и Вэй-цзянь Цзян (Wei-jian Jiang), которые являются сотрудниками Тайчжоуского и Чжэцзянского университетов, а также компании Fangyuan Construction Group, решили исследовать указанную проблему на конкретном примере. Полученные результаты они опубликовали в статье «Случай из практики и численное моделирование земляных работ под существующими зданиями» [1], опубликованной в 2020 году в журнале Advances in Civil Engineering («Достижения в гражданском строительстве»), выпускаемом научным издательством Hindawi.

Х.-Ф. Шань с соавторами [1] рассмотрели практический случай создания полноценного подземного этажа под существующим зданием. Они провели мониторинг процесса строительства, разместив контрольно-измерительные приборы in situ, и выполнили анализ результатов этих измерений. Авторы [1] также создали трехмерную модель одного из участков подземного строительства в конечноэлементном программном комплексе PLAXIS 3D и провели анализ с ее помощью.

Поскольку надземная часть этого здания была двухэтажной и локально одноэтажной, Шань с коллегами [1] рассматривали влияние только постоянной (статической) нагрузки от собственного веса надземной части. Влияние же ветровой и сейсмической нагрузок они не учитывали. 

СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТЕ

Подземный этаж под существующим корпусом № 3 группы зданий «Ганьшуйсян» строился на улице Чжакоу в городе Ханчжоу (Китай) рядом с живописной ландшафтной зоной парка «Белая пагода». Вокруг него не было многоэтажных домов. План расположения указанной группы зданий представлен на рисунке 1.

Корпус № 3 имел двухэтажную (и частично одноэтажную) каркасную конструкцию, и изначально он был без подземного этажа. Общая высота здания над поверхностью земли составляла 8,01 м. Поскольку нагрузка от его надземной части была не очень большой, оно изначально имело под несущими колоннами отдельные фундаменты с заглублением 1,8 м.

Инженерные изыскания для строительства показали, что эта площадка сложена слабыми грунтами. Их физико-механические свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические свойства грунтов основания объекта строительства [1]

Далее авторы работы [1] рассматривают эти этапы более подробно.

1. Перед выемкой грунта вокруг подземной части корпуса № 3 была построена подпорная стенка из грунтоцементных свай (рис. 3), в каждой из которых (в вершинах равностороннего треугольника на поперечном срезе) в качестве арматурного каркаса было размещено по три стальных трубы диаметром 48 мм с толщиной стенки 3 мм.

2. При проектировании котлована глубина сниженного уровня грунтовых вод должна  быть больше глубины окончательной выемки грунта. В случае обсуждаемого проекта – по крайней мере на 0,5 м. Поэтому внутри и вокруг площадки корпуса № 3 было устроено 23 водопонижающих скважины диаметром 0,6 м и глубиной 7 м (9 скважин – внутри котлована (D1) и 14 – вне котлована (D2), см. рис. 3).

3. Затем был вынут первый слой грунта до глубины 1,8 м от поверхности земли, то есть до глубины заложения исходных отдельных фундаментов. Перепад высот подошвы этого котлована в соответствии с проектом оставался в пределах 1,5 м, а ее уклон не превышал 1:1,5. После этого был сооружен первый сверху ярус крепления подпорной стенки грунтовыми анкерами, как показано на рисунке 4.

4. Далее была создана система буроопускных свай усиления фундамента. Работы велись с пола первого надземного этажа с использованием малогабаритной буровой установки. Скважины пробуривались до несущего слоя грунта (см. слой 10-2 в таблице 1). Затем в них погружались стальные трубчатые сваи с внешним диаметром 250 мм и толщиной стенки 8 мм (рис. 5). Чтобы повысить прочность этих свай на сжатие, в них заливали мелкозернистый бетон (рис. 6). В конце была залита плита перекрытия (ростверк) между подземной частью и первым этажом, чтобы сформировать со сваями единое целое для распределения и выдерживания нагрузки от надземной части здания. Таким образом было завершено усиление фундамента (см. рис. 4, рис. 7)

5. Второй слой грунта был вынут до глубины 3 м от поверхности земли. По мере экскавации увеличивалась длина свободных частей свай, а ниже уменьшалась плотность грунта. Под действием осевой нагрузки сваи могли согнуться и потерять устойчивость. Поэтому, когда глубина выемки достигла 3 м, между сваями усиления (в пределах их кустов из 4 штук, см. рис. 3) приварили стальные распорки (рис. 8, 9). После этого был построен второй ярус грунтовых анкеров для крепления ограждения котлована из грунтоцементных свай.

6. Третий слой грунта был вынут до глубины 4,42 м, и был построен третий ярус грунтовых анкеров для крепления подпорной стенки из грунтоцементных свай. После этого была создана подушка фундамента и залита фундаментная плита. Затем исходные отдельные фундаменты были демонтированы (рис. 10).

7. Посередине каждого куста из четырех трубчатых свай усиления были залиты железобетонные несущие колонны нового подземного этажа (см. рис. 9, рис. 10). Квадратное сечение каждой несущей колонны составляло 0,45 м х 0,45 м.

8. После полного затвердевания железобетонных несущих колонн и достижения проектного значения их прочности наступил этап срезки и удаления трубчатых свай усиления между полом и потолком нового подземного этажа для повышения коэффициента использования подземного пространства. Сначала убрали стальные распорки между сваями усиления. Затем разрезали стальные оболочки трубчатых свай у потолка и у пола подземного этажа. А для удаления бетона из них в местах срезки использовали пневматический отбойный молоток (рис. 11, а). Затем к середине полностью распиленной сверху и снизу трубчатой сваи привязывали прочный трос, вытаскивали ее из вертикального положения (рис. 11, б) и вывозили со стройплощадки. Здесь авторы статьи [1] отметили, что при срезке было замечено следующее. Мелкозернистый бетон в верхней части сваи был хорошо уплотнен, а в нижней части он был уплотнен плохо и даже был рыхлым (рис. 12) (возможно, это было связано с уровнем грунтовых вод). На этом этапе основная часть строительства (без отделки) подземного этажа корпуса № 3 была завершена (рис. 13, 14).

МОНИТОРИНГ СТРОИТЕЛЬСТВА

Из-за редких случаев подобных земляных работ влияние выемки грунта на несущие характеристики свай усиления фундамента, а также воздействие их срезки на поведение несущих колонн подземного этажа раньше никем не выяснялось, насколько было известно авторам статьи [1] во время ее подготовки. Поэтому при строительстве подземного этажа корпуса № 3 к наружной поверхности стальных трубчатых свай кустов 7C, 7D и 13D и к арматуре находящихся посередине них железобетонных несущих колонн на разных вертикальных уровнях были приварены струнные тензометры (см. рис. 3, рис. 15). С их помощью можно было отслеживать влияние выемки грунта на несущие свойства свай усиления и воздействие срезки этих свай на новые несущие колонны. Осевые усилия в сваях в этот период измерялись 2 раза в день. В течение периода срезки осевые усилия в оставшихся сваях и в несущей колонне подземного этажа контролировались непрерывно. В статье [1] в качестве примера для представления и анализа результатов измерений использовался свайный куст 7С (см. рис. 3).

На основе измеренных частот колебаний струнного тензометра, приваренного к внешней стороне стальной трубчатой сваи усиления фундамента, значение осевого усилия в этой свае на соответствующей глубине может быть преобразовано следующим образом.

Осевое усилие в i-м поперечном сечении сваи по данным соответствующего тензометра (P_sgi) можно записать так:

В соответствии с последовательностью строительства реального объекта при моделировании анализировались следующие этапы.

1. Вычислялось поле начальных напряжений в грунтовом массиве.
2. Активировались нагрузки от надземной части здания и отдельного фундамента. Согласно данным измерений in situ нагрузка на ростверк свайного куста 7C от надземной части здания составила 672,59 кН.
3. Вынимался первый слой грунта до глубины 1,8 м от поверхности, то есть до глубины заделки исходных отдельных фундаментов.
4. Активировались сваи усиления фундамента куста 7C и их ростверк, чтобы убрать исходный отдельный фундамент мелкого заложения.
5. Производилась выемка слоев грунта в четыре этапа: первые три раза – мощностью 0,60 м, а в четвертый раз – мощностью 0,82 м. После этого активировался моделируемый участок нового подземного этажа и его несущая железобетонная колонна.
6. Убирались сваи усиления фундамента от пола до потолка подземного этажа. На этом основные этапы реконструкции (без отделки) завершались.

Основное внимание при моделировании Шань с коллегами [1] уделили изучению влияния срезки и удаления свай усиления на поведение расположенной между ними несущей железобетонной колонны нового подземного этажа (на примере свайного куста 7C)

РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Поведение трубчатых свай усиления фундамента по результатам мониторинга

Выемка грунта под существующим корпусом № 3, как всегда в подобных случаях, нарушила исходный баланс напряжений между сваями и грунтом. Как уже отмечалось, влияние глубины выемки на осевые усилия в стальной трубчатой свае усиления фундамента, заполненной бетоном, измерялось с помощью приваренных к ней снаружи струнных тензометров (см. рис. 15). Авторы работы [1] отмечают, что слой грунта до глубины 1,8 м от поверхности земли был выкопан еще до усиления фундамента буроопускными трубчатыми сваями. Следовательно, в этом диапазоне осевое усилие в свае осталось неизменным, а трение по ее боковой поверхности было равно нулю.

На рисунке 17 показано, что осевые усилия в свободной части сваи из куста 7C растут с увеличением глубины выемки грунта и длины свободной части. Но чем больше глубина от дна выемки, тем больше трение грунта по боковой поверхности сваи и тем меньше осевые усилия в ней. Сопротивление под нижним концом сваи в течение всего процесса было нулевым.

Трение по боковой поверхности может быть получено путем дифференцирования разницы в осевых усилиях в свае между двумя сечениями по соответствующей площади контакта. Тогда трение по боковой поверхности сваи в том или ином диапазоне в процессе выемки грунта будет средним значением, как показано на рисунке 18. Как видно из этого рисунка, трение по боковой поверхности постепенно «включалось» сверху вниз в процессе выемки грунта – разгружающего процесса, в результате которого вертикальное эффективное напряжение постепенно уменьшалось. На основе использования β-метода в соответствии с китайским стандартом GB 50007-2011 можно понять, что трение по боковой поверхности сваи в неглубоко залегающем слое грунта уменьшалось в процессе выемки. Но, поскольку нагрузка от надземной части здания в рассматриваемом случае оставалась неизменной, трение по боковой поверхности в глубоко залегающем слое росло в процессе выемки (см. рис. 18).

Влияние срезки свай усиления фундамента на поведение несущих колонн нового подземного этажа по результатам мониторинга

Железобетонные колонны нового подземного этажа были построены в качестве важных вертикальных несущих элементов. Для того чтобы повысить коэффициент использования подземного помещения, надо было срезать части свай усиления фундамента между потолком и полом нового подземного этажа. В процессе срезки этих свай нагрузки от надземной части здания стали перераспределяться и в конце концов их взяли на себя новые несущие железобетонные колонны.

Китайские авторы [1] еще раз подчеркивают, что в настоящее время сообщения о подобных проектах, связанных с выемкой грунта под существующими зданиями, редки и ограниченны, а о влиянии процесса срезки свай усиления на поведение несущих колонн подземного пространства до написания статьи [1] вообще не сообщалось. Поэтому Шань с коллегами [1] и взялись за это на основе проекта строительства подземного этажа корпуса № 3 группы зданий «Ганьшуйсян». Результаты измерений при мониторинге симметричной срезки (рис. 19) показали, что при увеличении числа удаленных трубчатых свай в кусте 7С осевые усилия в несущей колонне, построенной ранее между ними, резко увеличивались (см. рис. 19). Приращение осевого усилия в несущей колонне достигло максимума, когда была удалена свая 3 (см. рис. 19). Это могло быть вызвано резким уменьшением жесткости куста свай усиления. Причина этого должна быть связана с жесткостью на сжатие системы, которая до срезки состояла из четырех свай усиления и одной несущей колонны.

Влияние последовательности срезки свай усиления на поведение несущих колонн по результатам моделирования в PLAXIS

Поскольку авторы статьи [1] вполне резонно предположили, что различные варианты последовательности срезки свай усиления могут влиять на поведение несущих колонн, они использовали для соответствующего анализа трехмерную модель куста свай 7C с вынутым грунтом между полом и потолком подземного этажа (то есть между соответствующими железобетонными плитами). Результаты этого анализа, а также их сравнение с данными мониторинговых измерений кратко представлены в таблице 3. Из нее видно, что осевые усилия в несущей колонне сильно растут при увеличении числа срезанных свай. В процессе срезки свай вокруг несущей колонны по часовой стрелке пик приращения осевого усилия в несущей колонне достигался при удалении четвертой сваи (см. таблицу 3). При симметричной же срезке свай (см. рис. 19) пик приращения был достигнут после удаления третьей сваи, а после удаления четвертой сваи приращение немного снизилось (см. таблицу 3). То есть моделирование показало, что различные варианты последовательности срезки свай усиления должны оказывать определенное влияние на осевые усилия в несущих колоннах нового подземного этажа.

Причина описанного выше явления, как считают китайские исследователи [1], может быть связана с симметрией оставшейся жесткости после срезки свай. По сравнению с симметричной срезкой свай их удаление по часовой стрелке с большей вероятностью вызовет неравномерную жесткость (то есть после срезки очередной сваи система оставшихся свай усиления и несущей колонны будет асимметричной по жесткости с противоположных сторон). Таким образом, как заключают Шань с соавторами [1], симметричная срезка свай более благоприятно влияет на несущее поведение новой колонны по сравнению с последовательностью срезки свай по часовой стрелке.

Из таблицы 3 также видно, результаты измерений in situ достаточно близки к итогам моделирования при симметричной срезке свай.

Таблица 3. Влияние последовательности срезки четырех трубчатых свай на осевые усилия в находящейся между ними несущей колонне нового подземного этажа (по [1])

Из рисунка 20 видно, что от начала выемки грунта до заливки несущих колонн подземного этажа осадки здания постепенно увеличивались. Причина этого, по мнению китайских исследователей [1], могла заключаться в том, что выемка грунта и связанная с этим разгрузка изменили исходное поле напряжений в грунтовом массиве, а строительные работы в период от заливки и твердения бетонного пола до заливки несущих колонн вызывали нарушения в напряженно-деформированном состоянии вмещающего грунтового массива. Его форма изменялась, и в нем развивались вторичные деформации уплотнения. В период твердения бетона несущих колонн величины осадок корпуса № 3 практически не менялись. На этапе срезки свай усиления в пределах нового подземного этажа осадки увеличились на 1,0–2,3 мм. Это связано с изменением путей передачи нагрузок от надземной части здания. После завершения срезки свай осадки в разных точках мониторинга уменьшились в разной степени, что также может быть связано с перераспределением нагрузок от надземной части здания.

Однако в целом, как отмечают авторы работы [1], надземная часть здания имела небольшие осадки. Максимальная из них составила всего 6,1 мм (в точке мониторинга S8). Это не противоречило допустимым значениям и указывало на то, что порядок строительства и новые несущие и фундаментные конструкции в рассматриваемом проекте были вполне приемлемыми.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В своем исследовании китайские авторы [1] проводили мониторинг процесса строительства подземного этажа под существующим корпусом № 3 группы зданий «Ганьшуйсян» в городе Ханчжоу. Кроме того, они использовали конечноэлементный программный комплекс PLAXIS 3D для изучения влияния различных последовательностей срезки свай усиления фундамента между полом и потолком построенного подземного этажа на поведение его новых железобетонных несущих колонн. На основе полученных результатов Х.-Ф. Шань с коллегами [1] сделали следующие выводы.

1. Осевые усилия в заполненных бетоном стальных трубчатых сваях усиления фундамента (и потолка нового подземного этажа) росли в их освободившихся частях в процессе выемки грунта, но уменьшались в их заделанных частях с увеличением глубины от дна выемки (трение по боковой поверхности свай постепенно включалось в работу сверху вниз). Сопротивление под нижними концами свай было нулевым в течение всего процесса реконструкции.

2. Осадки надземной части здания в период от начала выемки грунта до твердения бетона несущих колонн медленно увеличивались со временем. На стадии твердения бетона несущих колонн они оставались более или менее постоянными, но достаточно резко увеличивались в процессе срезки свай усиления, а после этого постепенно снижались.

3. Осевые усилия в рассмотренной железобетонной несущей колонне нового подземного этажа значительно увеличивались с ростом числа срезанных вокруг нее свай, особенно когда была удалена свая 3 (из четырех) при симметричной срезке. Как показало моделирование в PLAXIS 3D, осевые усилия в несущей колонне зависели от последовательности срезки окружавших ее четырех свай. Симметричное удаление свай оказалось предпочтительнее их срезки по часовой стрелке.

Х.-Ф. Шань с коллегами [1] выразили надежду, что их работа может быть полезной для похожих проектов. Они также указали, что полные данные, использованные ими для подтверждения результатов выполненного исследования, доступны по запросу у Хуа-фэн Шаня (Hua-feng Shan) по электроному адресу shanhf@zju.edu.cn.