Инженерно-геологические и геотехнические изыскания при высотном строительстве (Авторская лекция на 100+ Forum Russia 2016)

На стыке изысканий и проектирования к сегодняшнему дню накопилось много вопросов, которые требуют скорейшего решения.

Представленный ниже материал основан на опыте научно-технического сопровождения трех уникальных высотных объектов. Это ОДЦ «Охта», позднее – МФК «Лахта Центр» в Санкт Петербурге, проектной высотой 462 м, два здания многофункционального высотного комплекса «Москва-Сити» в Москве высотой 228 и 336 м и МФК «Ахмат Тауэр» в Грозном, высотой 435 м.

Инженерно-геологические условия этих площадок строительства совершенно различны, однако их объединяют общие проблемы высотного строительства.

Рис. 1. Многофункциональный высотный комплекс Лахта Центр. Высота – 462 м, Площадь – 5550 кв.м, нормативная нагрузка от Башни – 501 000 т, расчетная нагрузка от Башни – 672 000 т, максимальная глубина изысканий – 150 м

Особенности высотного строительства

К основным особенностям взаимодействия высотных зданий с грунтовым основанием, которые необходимо учитывать при инженерно-геологических изысканиях, относятся следующие:

1. Высотные здания по сравнению с обычными сооружениями передают на грунтовое основание значительно большие по величине нагрузки. Удельное давление на основание под фундаментной конструкцией ряда возведенных и эксплуатируемых высотных зданий достигает 0,6-0,8 МПа.
2. Уникальные высотные сооружения, как правило, имеют глубокую подземную часть. С учетом высоких нагрузок на основание активная зона от воздействия фундаментов высотных сооружений распространяется на глубину до 100 м и более.
3. Строительство любого высотного здания вызывает значительное изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и вследствие этого расширение зоны влияния нового строительства на существующую застройку.

Наибольшие проблемы при инженерно-геологических изысканиях создают большие глубины изысканий и высокий уровень нагрузок. Изыскатели сталкиваются со слабой изученностью нижних слоев активной зоны. Архивные материалы по инженерно-геологическим изысканиям, как правило, ограничиваются глубинами до 40 м, в то время как при высотном строительстве глубина активной зоны достигает 100 м и более. Кроме того, нормативные документы, учитывающие особенности изысканий под высотное строительство, либо отсутствуют, либо находятся в стадии разработки. 

Остановимся на этих вопросах более подробно.

Рис. 2. Геологическое строение грунтов основания МФК «Охта Центр»

Проблемы изысканий под высотное строительство и пути их решения

С проблемами изысканий при высотном строительстве нам впервые пришлось столкнуться на объекте строительства Многофункционального высотного центра Газпрома в Санкт Петербурге, который изначально предполагалось расположить в районе впадения реки Охта в Неву, а впоследствии, под давлением общественности, были перенесены в район Лахты. Представленные на отзыв в НИИОСП результаты изысканий на первой площадке не выдерживали никакой критики. Несмотря на подготовленные 53 тома отчета, детально оказалась исследована только верхняя толща на глубину до 40 м. При этом глубина свай уже тогда планировалась около 60 м. Исследования на глубинах свыше 40 м были представлены только лабораторными испытаниями и частично прессиометрией. Результаты прессиометрических испытаний не могли быть использованы в связи с ярко-выраженными анизотропными свойствами грунтов, а лабораторные исследования в силу ограниченных возможностей по нагрузкам были выполнены в диапазонах давлений, не соответствующих реальным. В результате нормативные и механические характеристики грунтов принимались по данным только лабораторных испытаний, что привело к существенному занижению характеристик грунтов.

По нашему предложению Заказчиком было принято решение о проведении дополнительных изысканий. НИИОСП было поручено провести их научно-техническое сопровождение.

Пробоотбор

Первое, с чем пришлось столкнуться – это качество отбора образцов грунта.

Геологическое строение площадки строительства с поверхности представлено слабыми водонасыщенными глинисто-песчаными грунтами четвертичных отложений различного генезиса.

В наибольшей степени при изысканиях под строительство Лахта Центра нас интересовали «вендские глины» (Vkt2). Данные грунты являются наиболее оптимальным основанием для восприятия нагрузок от высотных сооружений в сложных геологических условиях Санкт-Петербурга. В связи с этим они были выбраны в качестве несущего основания.

Вендские глины относятся к верхнепротерозойским отложениям вендской системы котлинского горизонта (Vkt2). Их возраст составляет 680—570 млн. лет, что относит их к одним из самых древних отложений планеты. Фактически, по числу пластичности их следует относить не к глинам, а к суглинкам, представленным в основном твердой консистенцией. Грунты имеют тонкослоистую структуру с включением прослоек сцементированного песчаника, что делает их довольно неоднородными по своим физическим и механическим свойствам.

В соответствии с программой дополнительных инженерно-геологических изысканий для получения максимально возможной представительности результатов требовалось произвести сплошной отбор монолитов на всю глубину исследуемой толщи. Опытный пробоотбор вендских отложений двойной колонковой трубой дал лишь 30-40% выход керна, что не отвечало поставленным задачам. В результате пробоотбор осуществлялся одноколонковой трубой, обеспечивающей 90-100% выход керна.

Рис.3. Извлечение керна из колонковой трубы

Вместе с тем, возможные механические повреждения при одноколонковом бурении, изменение напряженного состояния монолита в процессе подъема на поверхность с большой глубины и его непосредственный контакт с буровой жидкостью вызывали опасения относительно качества отбираемых образцов. В связи с этим в рамках научно-технического сопровождения на базе ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева были проведены исследования по моделированию процесса пробоотбора.

В ходе проведенных исследований было установлено, что механические нарушения, связанные с процессом пробоотбора, существенного влияния на состояние монолитов вендских отложений не оказывали. Это подтверждалось отсутствием нарушений субгоризонтальной слоистости в краевых зонах монолита на его поперечном разрезе.

Рис.4. Поперечный разрез монолита вендской глины

Наличие прямого контакта поверхности монолитов вендских отложений с окружающим глинистым раствором в течение времени их извлечения на поверхность также оказалось несущественным, и касалось оно только самого наружного слоя монолита. Для решения этой проблемы было рекомендовано удалять путем обрезки наиболее увлажненный пятимиллиметровый слой монолита сразу же после извлечения его на поверхность.

Наибольшее влияние на состояние монолитов по результатам моделирования процесса пробоотбора в приборах трехосного сжатия оказало изменение их напряженно-деформированного состояния в результате отделения образца грунта от массива и подъема на поверхность, в ходе чего происходило снижение порового давления.

Данный процесс был промоделирован в приборах трехосного сжатия. После всестороннего обжатия бытовым давлением образец за промежуток времени, соответствующий времени его подъема на поверхность, разгружался до атмосферного давления. При этом фиксировалось изменение порового давления. Затем образец выдерживался в разгруженном состоянии еще продолжительный период времени, что моделировало процесс его хранения.

Рис. 5. Моделирование процесса отделения образца от массива, подъема на поверхность и хранения. А - График изменения порового давления на этапе отделения образца от массива грунта и подъема на поверхность; Б - График изменения порового давления в процессе хранения во времени; В - График зависимости изменения пористости образца от времени.

Падение порового давления продолжалось длительное время и после моделирования процесса извлечения монолита на поверхность. При этом поровое давление падало ниже атмосферного.

В результате падения давления из поровой жидкости выделялся пар и растворенный газ, грунт из двухфазного состояния (скелет грунта и поровая жидкость) переходил в трехфазное (скелет грунта, поровая жидкость и газ). На практике это подтвердилось тем, что практически все монолиты вендских глин, залегающие ниже уровня грунтовых вод, перед испытаниями имели степень влажности меньше единицы, т.е. находились в трехфазном состоянии. Это подтверждалось изменением объема образца в процессе моделирования пробоотбора и последующего хранения.

Очевидно, чем больше глубина пробоотбора, тем больший перепад давлений испытывает образец и тем больше он разуплотняется в результате паро-газовыделения. Особенно это становится актуальным для исследования глубокозалегающих грунтов при высотном строительстве.

Результаты моделирования были доложены на Международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов» и впоследствии опубликованы.

В настоящее время в арсенале изыскателей отсутствуют средства пробоотбора, исключающие изменение напряженного состояния монолита в процессе извлечения образцов на поверхность. Вместе с тем, возможность учесть это явление при подготовке образов для лабораторных испытаний существует, но об этом позже.

ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ

Следующей проблемой стала достоверность определения деформационных характеристик глубоко залегающих грунтов, влияющая на точность прогноза осадок сооружений и выбор оптимальной конструкции фундамента. Как известно, основными методами определения деформационных характеристик грунтов являются полевые штамповые и прессиометрические испытания. Однако при работе на больших глубинах есть свои нюансы.

Винтовой штамп

Используемые в настоящее время конструкции винтовых штампов, как правило, обеспечивают глубины испытаний до 20 м, что в данном случае было явно недостаточно. Совместными усилиями НИИОСП, Су-299 и компании «Пилон» была разработана специальная конструкция винтового штампа.

Для исключения влияния сил трения по боковой поверхности снаряда на результаты, измерение вертикальной нагрузки производилось непосредственно над лопастью винтового штампа. Измерение перемещений штампа осуществлялось при помощи прогибомеров посредством струн, также закрепленных непосредственно на винтовом штампе, что исключало влияние собственной деформации вертикальной колонны, передающей давление на штамп. Для предотвращения переуплотнения или разуплотнения грунта в процессе погружения штампа было использовано запатентованное нами устройство для синхронизации процесса завинчивания штампа. Данная конструкция была успешно применена для грунтов, залегающих выше кровли вендских отложений до 40 м, что в 2 раза превысило обычные глубины таких испытаний.

Однако было очевидным, что внедрить лопасть винтового штампа в твердые вендские глины полутвердой консистенции не удастся. Необходимо было искать другие решения.

Плоский штамп с зачистным устройством

Для штамповых испытаний в полутвердых глинистых грунтах вендских отложений была разработана конструкция плоского штампа со встроенным зачистным устройством, снабженным выдвижными ножами.

Такая конструкция штампа обеспечивала зачистку забоя и проведение испытаний в один заход без промежуточного извлечения зачистного устройства на поверхность. В результате на объекте «Лахта Центр» были проведены успешные штамповые испытания вендских отложений с максимальной глубиной испытаний до 40 м. Такая глубина штамповых испытаний является рекордной и, по-видимому, предельной. В настоящее время данное устройство патентуется.

Если результаты штамповых испытаний на глубинах до 40 м можно было принять за эталон, то вопрос определения деформационных характеристик на глубинах свыше 40 м оставался открытым.

Прессиометрические испытания

Очевидно, что единственным прямым полевым методом определения деформационных характеристик грунтов на больших глубинах являются прессиометрические испытания. Проведение данных работ было поручено «Центру геодинамических исследований».

В диапазоне глубин 25-70 м использовался нестандартный, но хорошо зарекомендовавший себя прессиометрический комплекс ПК-3М конструкции «Гидропроекта» с выдвижным сектором.

Рис. 6. Прессиометр ПК 3М

Однако максимальная глубина испытаний прессиометром ПК3М тоже была ограничена и составляла не более 70 м, что не охватывало всю исследуемую толщу грунтов. В связи с этим для работ на глубинах 70-130.5 м был приобретен зарубежный радиальный прессиометр (дилатометр) IF096-3 германо-голландской фирмы Boart Longyear Interfels GmbH. Параллельные испытания грунтов двумя видами прессиометров показали хорошую сходимость результатов.

Потенциально предел возможности прессиометрического метода по глубине испытаний ограничивается только длиной коммуникаций. Вместе с тем, существенным недостатком метода является не вертикальное, а горизонтальное приложение нагрузки. Для анизотропных грунтов, к каким относятся и вендские отложения, результаты прессиометрических испытаний требовали специальной корректировки путем введения поправочного коэффициента, учитывающего геометрическую анизотропию грунта.

Результаты штамповых и прессиометрических испытаний, проведенных на глубинах до 40 м в вендских отложениях, с учетом коэффициента анизотропии практически совпали. Так среднее значение модуля деформации для ИГЭ 7, полученное по результатам штамповых испытаний, составило 37,0 МПа, а по результатам прессиометрических испытаний с учетом коэффициента анизотропии – 38,0 МПа. Нормативное значение модуля деформации для ИГЭ 7, принимаемое по результатам штамповых испытаний, составило 37,0 МПа.

Это дало уверенность в справедливости выбранного подхода. Таким образом, для глубин свыше 40 м был найден новый «эталонный» метод определения деформационных характеристик грунтов, заменяющий штамповые испытания.

Следует отметить, что выбор «эталонного» метода при проведении изысканий является крайне важным, поскольку именно с ориентацией на эти данные следует выбирать нормативные значения модуля деформации (а не по минимальным значениям, как это часто бывает в практике изысканий).

Полученные таким образом значения модуля деформации были подтверждены результатами прямых полномасштабных испытаний свай с использованием ячеек Остерберга, выполненных на этапе геотехнического проектирования. В качестве штампа здесь использовался независимо перемещаемый нижний конец сваи.

Испытания в крупногабаритной установке

Отдельно следует остановиться на вопросе определения прочностных характеристик испытаний галечниковых грунтов, широко представленных в разрезе грунтов основания МФК «Ахмат Тауэр» в г. Грозный. Здесь проблема состояла в том, что наличие крупных включений ограничивало получение данных характеристик в приборах трехосного сжатия, а осуществление срезных испытаний целиков на большой глубине представлялось практически невыполнимой задачей. В результате ЦГИ предложил проводить испытания галечников в крупногабаритной сдвиговой установке. Для искусственного формирования образца использовался грунт природной влажности из скважины соответствующей глубины. Образец трамбованием уплотнялся до заданной плотности. Затем при различных значениях вертикальной нагрузки производился сдвиг.

В целом такой подход себя оправдал и необходимые результаты были получены.

Статическое зондирование

Как известно, статическое зондирование является косвенным методом определения механических характеристик грунтов, однако оно имеет важное преимущество перед другими методами – это непрерывность получения информации испытания в условиях природного залегания грунта и относительно низкая себестоимость.

Кроме того, только по результатам статического зондирования можно получить ориентировочные значения плотности несвязных водонасыщенных грунтов, необходимые для искусственного формирования образцов при трехосных испытаниях. Это было особенно важно при проведении изысканий в Грозном, где половина разреза представлена несвязным песчаным водонасыщенным грунтом.

Вместе с тем, статическое зондирование имеет существенное ограничение по глубине и видам грунтов, что связано с техническими возможностями по вертикальным нагрузкам и механической прочности зонда. Для проведения статического зондирования на больших глубинах был предложен вариант поинтервального зондирования из скважины. При невозможности дальнейшего продолжения зондирования, связанного с ростом трения по боковой поверхности или наличием непроходимых слоев грунта, производилось разбуривание пройденного участка, после чего зондирование продолжалось. Этот вариант зондирования был с успехом применен на объекте «Ахмат Тауэр» в Грозном. Используя предложенную технологию, удалось достигнуть необходимой глубины статического зондирования.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Учитывая новизну вопроса и сложность поставленных задач, для выполнения лабораторных испытаний грунтов на объекте «Охта», затем и «Лахта Центра» основным подрядчиком – Су-299 к выполнению работ были привлечены лаборатории МГУ им. М.В. Ломоносова, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Горного университета и НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Состав лабораторных испытаний включал все основные методы определения механических грунтов. Перечисление и описание их всех не представляет особого интереса, стоит остановиться лишь на некоторых особенностях, связанных с лабораторными испытаниями грунтов глубокого залегания.

Трехосные испытания. Метод ВФС

Как отмечалось выше, основной причиной снижения качества образца в результате пробоотбора является изменение его фазового состава в результате снятия бытового давления. Еще в 1986 применительно к глубоко залегающим грунтам континентального шельфа нами был разработан метод восстановления плотности образца перед трехосными испытаниями – метод ВФС. Изначально данный метод был предназначен для реконсолидации образцов грунта континентального шельфа и вошел в соответствующие отраслевые нормативные документы.

Рис.7. Реконсолидация образца грунта методом восстановления фазового состава (ВФС)

Позже метод был включен в ряд зарубежных стандартов BS и ISO уже для испытаний грунтов суши. В настоящее время он включен и в последнюю редакцию ГОСТ 12248-2011 на проведение лабораторных испытаний грунтов. В нашем случае, для грунтов, залегающих на больших глубинах в основании высотных зданий, этот метод оказался как нельзя кстати.

Суть метода проста и заключается в создании условий, при которых выделившийся в результате пробоотбора газ вновь растворяется в поровой жидкости. Пояснить это можно на той же модели грунта Терцаги.

Достигается растворение выделившегося газа путем всестороннего обжатия образца в приборе трехосного сжатия без возможности оттока поровой жидкости. Критерием восстановления фазового состава является выравнивание приращений полного всестороннего давления в камере прибора и порового давления.

Данный метод и был предложен для реконсолидации образцов при проведении лабораторных испытаний грунтов оснований высотных зданий. Для его реализации потребовалось оборудование для трехосных испытаний, обеспечивающее высокие уровни давлений, которое в нашей стране есть лишь в лабораториях ВНИИГ им Б.Е. Веденеева, МГУ им. М.В. Ломоносова и Горного университета.

Однако в процессе реконсолидации по методу ВФС возникли проблемы. В частности, не удавалось достигать критерия завершения восстановления фазового состава, т.е. равенства приращений между всесторонним и поровым давлением, чему соответствует значение коэффициента порового давления (коэффициента Скемптона) В=1.

Причин этого оказалась две: наличие воздуха в системе измерения порового давления и использование датчиков давления расходного типа.

Для решения первой проблемы мы предложили перед каждым испытанием проводить вакуумирование штампов и подводящих магистралей в подводном состоянии. Для этого камера стабилометра частично заполнялась водой таким образом, чтобы верхний и нижний штампы оказывались полностью погружены. Затем производилась откачка воздуха из верхней части камеры. Вакуумирование продолжалось до полного прекращения выделения пузырьков газа из пористых штампов. В результате реконсолидация была налажена, график зависимости порового давления от давления в камере стал выходить на прямую линию, что соответствовало полному растворению газовой фазы. Однако, несмотря на линейный характер, приращение порового давления отставало от приращения давления в камере. Это объяснялось особенностью современных приборов трехосного сжатия, в которых вместо компенсационного метода определения порового давления стали использоваться датчики расходного типа. Поэтому даже с переходом образца в двухфазное состояние благодаря росту давления в камере, уплотнение образца продолжалось за счет собственных деформаций датчика порового давления. В связи с этим было принято решение о прекращении повышения давления в камере сразу же после выхода графика на прямую линию, не дожидаясь достижения коэффицента В=1. При дальнейшем использовании датчиков расходного типа предлагается в программном обеспечение таких приборов предусмотреть соответствующие компенсационные мероприятия, предотвращающие влияние деформации датчиков на величину измеряемого порового давления.

Еще одной причиной проблем с ВФС являются конструктивные изменения в современных приборах трехосного сжатия. Если раньше штампы были снабжены встроенными пористыми вставками, то сейчас используются независимые пористые вкладыши. Это создает дополнительные возможности для появления пузырьков газа в системе дренажа и усложняет процедуру предварительного вакуумирования. Конструкторам следует учесть замечания при разработке оборудования для трехосных испытаний.

Компрессионные испытания. Метод релаксации напряжений

Сжатые сроки проведения изысканий потребовали поиска путей сокращения их продолжительности. Львиную долю времени занимало проведение компрессионных и консолидационных испытаний грунтов, что серьезно отражалось на общей продолжительности изысканий. На помощь пришел разработанный нами метод проведения испытаний в режиме релаксации напряжений. Суть его заключается в ступенчатом, условно мгновенном деформировании образца заданной ступенью деформирования с последующим контролем изменения напря­жения и деформации. Приложение очередной ступени деформирования осуществляется после стабилизации (релаксации) напряженно-деформированного состояния.

Данный режим нагружения можно продемонстрировать на условной модели грунта Терцаги, где грунт представлен в виде пружины, окруженной водой и ограниченной сверху пористым штампом.

Наличие отверстий в штампе обеспечивает отток воды при нагружении, что моделирует процесс фильтрационной консолидации. При стандартных испытаниях нагружение на каждой ступени осуществляется заданной величиной вертикальной нагрузки, что на модели показано в виде гири, установленной на пористый штамп. При испытаниях по методу релаксации напряжений нагружение осуществляется заданием перемещений (на модели представлено в виде винтовой пары). Принудительное деформирование грунта осуществляется посредством вращения винта.

Изменение напряженно деформированного состояния грунта в процессе испытания по методу МРН можно пояснить на графиках зависимости относительной деформации от полного напряжения, а также полного давления σ и относительной деформации ε от времени.

Рассмотрим произвольно выбранную ступень нагружения АВС (Рис. 8, а). После принудительного деформирования образца (участок АВ на (Рис.8, а, б) происходит изменение (релаксация) напряжения (участок ВС на рис.8, а). Одновременно с падением напряжения происходит дополнительная деформация, вызванная упругими свойствами нагрузочно-измерительной системы (участок ВС на рис.8, в).

Стабилизация напряжения и деформации образца грунта в точке С говорит о завершении процессов фильтрационной консолидации на данной ступени. Таким образом, определяется точка, соответствующая искомой компрессионной кривой. Далее процесс многократно повторяется. По конечным точкам ветвей релаксации каждой ступени нагружения строится компрессионная кривая KL (Рис.8, а). Испытание завершается при достижении компрессионной кривой вертикального эффективного напряжения, предусмотренного программой испытаний.

Релаксометры

Для проведения компрессионных испытаний в режиме релаксации напряжений были использованы простые, но мощные приборы КР-2. Они развивают максимальное усилие до 6 МПа и выше. Такой уровень нагрузок обеспечивает возможность испытаний глубоко залегающих грунтов при высотном строительстве и определения параметров переуплотнения РОР и OCR.

Давление создается встроенным винтовым прессом с червячной передачей. Измерение давления осуществляется стандартным динамометром ДОСМ 50. Деформация образца в процессе испытаний фиксируется при помощи 2-х стандартных индикаторов часового типа.

В настоящее время уже существует пять разновидностей компрессиометров-релаксометров, выпускаемых в России (Новосибирск, Пенза, Москва, Ижевск), осуществляющих проведение испытаний в полностью автоматическом режиме. Кроме определения деформационных характеристик, режим релаксации напряжений был использован для определения параметров консолидации, что защищено соответствующим патентом на изобретение.

Использование метода МРН в значительной степени позволило решить задачу по сокращению продолжительности изысканий. Так, в результате его применения удалось как минимум в 10 раз сократить затраты времени на проведение компрессионных и консолидационных испытаний грунтов.

Кроме этого, метод МРН позволил решить и другие задачи, связанные с определением нестандартных характеристик.

На данный метод разработан соответствующий стандарт организации СТО 60284311-003-2012. Стандарт прошел экспертизу в ТК 465, что дает право на его использование любой изыскательской организацией при условии заключения договора на передачу и лицензионного соглашения с патентообладателем.

Параметры переуплотнения грунтов

Современные методы расчета, использующие более совершенные модели грунта, требуют параметров, определение которых не отражено в отечественных нормативных документах или определяется достаточно редко. К ним относятся: (1) давление предварительного (или исторического) уплотнения pc' (максимальное условное эффективное вертикальное давление, которое грунт испытал в прошлом); (2) давление переуплотнения POP (pre-overburden pressure); (3) коэффициент переуплотнения OCR (over consolidation ratio).

По существу, для определения параметров переуплотнения экспериментально необходимо определить только один параметр – давление предварительного уплотнения - pc'. Остальные параметры являются производными от него.

Давление переуплотнения POP – определяется как разница между вертикальным эффективным давлением предварительного уплотнения рс' и вертикальным эффективным бытовым давлением на глубине залегания образца рo':

РОР = рс' - рo' (1)

Коэффициент переуплотнения OCR определяется из отношения:

OCR= pо'/pc' (2)

Для определения давление предварительного уплотнения нами были использованы методы Казагранде и энергетический Беккера, при этом метод Казагранде включен в систему американских стандартов ASTM.

Однако и тут возникли некоторые сложности. Дело в том, что для определения данного параметра требовались давления, в 10 раз превышающие возможности стандартного компрессионного оборудования. Существующие образцы импортного оборудования, способного создавать подобный уровень нагрузок, имелись в России в единичных экземплярах. На подобном приборе были выполнены испытания при изысканиях на площадке Охты во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. Однако при изысканиях на новой площадке в районе Лахты с учетом сжатых сроков и требуемых объемов определений данный подход поставленные задачи не решал.

Выход был найден при помощи того же метода релаксации напряжений. Релаксометры, используемые при МРН, как указывалось выше, развивали максимальное усилие до 6 МПа, чего как раз хватало для реализации методики Казагранде и Беккера по определению давления исторического уплотнения pc' и, соответственно, остальных параметров переуплотнения - РОР и OCR. Кроме того, использование метода релаксации соответствовало поставленным задачам по сокращению сроков проведения испытаний.

В связи с применением нестандартных методов испытаний грунтов в рамках научно-технического сопровождения НИИОСП им. Н.М.Герсеванова разработал целый пакет специальных нормативных документов, включая «Технические указания» на проведение отдельных видов работ, включенные в «Специальные технические условия», необходимые для представления результатов в Госэкспертизу.

Коэффициент анизотропии

Еще одно применение МРН нашел при определении коэффициента геометрической анизотропии для корректировки прессиометрических испытаний (Ка). Он определялся по результатам компрессионных испытаний, выполненных в режиме релаксации напряжений, как отношение модулей деформации в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Следует отметить, что использование коэффициента анизотропии существенно повлияло на результаты определения модуля деформации. В среднем значение коэффициента анизотропии для вендских глин оказалось в 2 раза выше, чем в горизонтальном (Ка =2), что объясняется выраженной субгоризонтальной слоистостью этих отложений. Этот коэффициент и было предложено вводить в качестве поправочного к результатам прессиометрических испытаний, что в 2 раза увеличило нормативное значение модуля деформации.

Надежность результатов

Высокий уровень ответственности высотного строительства требует и высокой надежности результатов инженерных изысканий. При работах с небоскребами это обеспечивалось следующим образом.

Определение наиболее важных механических характеристик грунтов производилось параллельно сразу несколькими методами. Так, например, получение деформационных характеристик осуществлялось по результатам штамповых и прессиометрических испытаний, статического зондирования, лабораторных трехосных и компрессионных испытаний.

Кроме этого, одни и те же виды испытаний производились параллельно сразу в нескольких различных лабораториях, что обеспечивало перекрестный контроль за полученными результатами.

В рамках научно-технического сопровождения производился непрерывный текущий контроль за результатами испытаний. Если результаты какой-либо лаборатории существенно отличались от остальных, это служило сигналом для анализа ее деятельности и внесения соответствующих корректив в процесс испытаний. Таким образом удалось минимизировать ошибки, вызванные субъективными факторами.

Следует подчеркнуть, что при обработке результатов испытаний использовался весь массив полученных данных. При этом все результаты, полученные из трехосных и компрессионных испытаний, были предварительно откорректированы введением поправочных коэффициентов. Такой подход позволил уточнить характер изменения свойств грунтов в пределах выделенных ИГЭ, залегающих в основании Лахта Центра и являющихся потенциальными несущими горизонтами.

Результаты прессиометрических исследований в пределах 8 и 9 ИГЭ показали общую тенденцию к росту модуля деформации с глубиной по линейному закону, описываемому уравнениями регрессии. Такой же характер изменения модуля с глубиной показали результаты трехосных и компрессионных испытаний.

Вместе с тем, для трехосных испытаний средние значения модуля деформации оказались ниже в среднем в 1,37 раза. Это можно объяснить особенностями трехосных испытаний, при которых горизонтальные напряжения в процесе вертикального нагружения не изменяются, что не соответствует реальной работе грунта под сооружением.

Результаты компрессионных испытаний оказались в среднем в 3,1 раза ниже, чем результаты прессиометрических испытаний, приведенных к штамповому модулю. Это также можно объяснить различием в условиях работы грунта в сравнении с испытаниями штампом. Зависимость изменения модуля деформации, определенного различными методами, с глубиной приведена на рис.9

Рис.9. Графики зависимости модуля деформации, определенного различными методами, с глубиной (R = 0,71)

Следует иметь ввиду, что компрессионный модуль деформации вендских отложений определялся в диапазоне от бытового давления до суммы бытового давления и строительной нагрузки.

На рис. 10 представлены графики изменения модуля деформации с глубиной, построенные для трехосных и компрессионных испытаний с учетом корректирующих коэффициентов - 1.37 и 3,1 соответственно.

Рис. 10. Графики зависимостей модуля деформации с глубиной после корректировки

Как видим, линии тренда всех видов испытаний после введения поправочных коэффициентов оказались очень близки. Это позволило получить общую зависимость по результатам полевых и лабораторных испытаний.

На рис.11 представлен объединенный график зависимости модуля деформации с глубиной для всех испытаний. Данный график описыватся уравнением регрессии

Е = 7,2h - 141,8

где: Е – модуль деформации, МПа, h – глубина, м.

Рис. 11. Объединенный график зависимости модуля деформации от глубины (R = 0,77)

Эта зависимость была положена в основу определения нормативных значений модуля деформации для ИГЭ 8 и 9.

Объединение результатов полевых и лабораторных испытаний при определении нормативного значения модуля деформации позволило учесть весь объем данных, что повысило статистические параметры надежности результатов. Так, в сравнении с результатами прессиометрических испытаний, коэффициент детерминации увеличился с 0,51 до 0,59, а коэффициент корреляции, соответственно, с 0,71 до 0,77.

Эффективность научно-технического сопровождения

Научно-техническое сопровождение является обязательным условием проведения инженерно-геологических изысканий при высотном строительстве, что закреплено в СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений».

НТС обеспечивает:

• Сокращение продолжительности изысканий
• Оптимизацию объемов и состава работ
• Повышение надежности результатов
• Выбор наиболее оптимальных конструкций фундаментов
• Снижение стоимости изысканий и фундаментов

Перенос площадки высотного строительства из Охты на Лахту предоставил исключительную возможность частично оценить эффективность научно-технического сопровождения в отношении стоимости изысканий за счет оптимизации состава работ. Так, по данным Заказчика, стоимость изысканий на Лахта Центре с учетом затрат на научно-техническое сопровождение оказалась в 4 раза ниже, чем стоимость основного этапа изысканий на Охта Центре. При том, что необходимые результаты на основном этапе изысканий так и не были получены.

Общий экономический эффект от сокращения продолжительности изысканий и выбора оптимальной конструкции фундамента оценить не представляется возможным в силу дополнительных факторов, не связанных непосредственно с проведением изысканий.

Таким образом, можно констатировать, что проведение научно-технического сопровождения специализированными организациями является необходимым условием качественного и эффективного выполнения инженерно-геологических и геотехнических изысканий при высотном строительстве.

Нормативная база

Как отмечалось выше, в ходе инженерно-геологических изысканий под высотное строительство выявились недостатки существующей нормативной базы в отношении исследований грунтов глубокого залегания. Поэтому косвенным результатом научного сопровождения данных изысканий стали предложения по корректировки некоторых из них.

В частности, это коснулось новой редакции ГОСТ 20276- 2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».

В данный документ были внесены сразу несколько изменений.

Так, был добавлен новый вид штампа с зачистным устройством, о котором упоминалось выше, что обеспечивает возможность его использования на вполне легальных условиях.

В ГОСТ 20276 в качестве рекомендуемого также был включен способ испытаний грунтов прессиометром с секторным приложением нагрузки. Основанием для этого послужил положительный опыт его применения при изысканиях под высотное строительство.

Для возможности использования прессиометрических испытаний в анизотропных грунтах в расчетную формулу определения модуля деформации был дополнительно включен коэффициент анизотропии. Это значительно расширило область применения метода, поскольку сняло ограничение по использованию прессиометрических испытаний в анизотропных грунтах. Кроме того, это дает возможность использовать результаты прессиометрии в качестве «эталонных» на глубинах, где проведение штамповых испытаний уже невозможно.

Распространение прессиометрического метода на анизотропные грунты нашло отражение и в подготавливаемой к выпуску новой редакции СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений».

В области лабораторных испытаний была подтверждена необходимость и целесообразность включения метода ВФС при реконсолидации образцов в последнюю версию ГОСТ 12248-2011 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости».

Еще одним примером косвенного влияния опыта высотного строительства на действующие нормативные документы является изменение в новой редакции СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», связанное с результатами трехосными испытаний. Так, было установлено, что полученные из трехосных испытаний значения модуля деформации дают заниженные значения и требуют введения соответствующего поправочного коэффициента. Данный коэффициент, как указывалось выше, определяется из прямого сопоставления с результатами прямых полевых «эталонных» методов.

Что касается испытания в режиме релаксации напряжений, хорошо зарекомендовавших себя при изысканиях под высотное строительство, то они также нашли отражение в нормативных документах. Поскольку метод защищен действующим патентом, оформленным на физическое лицо, то в государственный стандарт его включать нельзя. Однако по инициативе и с участием СРО НП «КубаньСтройИзыскания» нами был разработан альтернативный документ – стандарт организации СТО 60284311-003-2012 «Грунты. Метод компрессионных испытаний грунтов в режиме релаксации напряжений». Данный документ легализует использование метода МРН наравне с действующими ГОСТами, при условии заключения договора на передачу СТО и лицензионного соглашения с автором метода.

Очевидно, что изыскания под высотное строительство требуют разработки собственных нормативных документов, учитывающих специфику их проведения. Частично они нашли отражение в Своде Правил «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования», который в настоящее время готовится к выпуску. Частично – в некоторых нормативных документах, разработанных и введенных в действие на территории Москвы [МГСН 4.19-2005, МДС 50-1.2007]. Однако этого явно недостаточно.

Заключение

В заключении хотелось бы подчеркнуть наиболее важные моменты, на которые необходимо обращать внимание при проведении изысканий под высотное строительство.

1. Одни и тех же виды испытаний следует выполнять параллельно в 2-3 независимых лабораториях.

2. Определение механических характеристик грунтов следует производить параллельно тремя или четырьмя различными методами при обязательном использовании «эталонных» видов испытаний.

3. При определении деформационных характеристик грунтов в верхних слоях разреза в качестве «эталонных» методов следует использовать штамповые испытания, ниже – прессиометрические, откорректированные с учетом анизотропии.

4. В качестве «эталонного» метода при определении прочностных характеристик грунтов следует использовать лабораторные трехосные испытания грунтов.

5. К результатам «неэталонных» методов следует вводить поправочные коэффициенты, определяемые из сопоставления с результатами «эталонных» методов испытаний.

6. Для получения нормативных значений механических характеристик и характера их изменения в пределах ИГЭ, предлагается совместное использование всего массива данных, как «эталонных», так и откорректированных «неэталонных» методов испытаний грунтов.

7. Необходимо использовать наиболее передовые методы исследований грунтов, обеспечивающие надежный результат при значительном сокращении продолжительности испытаний.

8. Научно-техническое сопровождение инженерно-геологических изысканий следует начинать с момента начала разработки Технического задания и выбора подрядчика на изыскания.

9. Наконец, очень важно осуществлять тесную взаимосвязь с проектировщиками в течение всего процесса получения результатов изысканий с целью возможной корректировки Программы работ.

Опыт инженерно-геологических изысканий на ОДЦ «Охта» убедительно доказал необходимость привлечения научных организаций для сопровождения проектно-изыскательских работ при строительстве уникальных объектов. Причем, это необходимо делать на самых ранних этапах строительства, что позволит, с одной стороны, значительно сократить сроки и повысить качество проектно-изыскательских работ, с другой – снизить финансовые затраты за счет выбора наиболее рационального проекта фундамента.

Наш опыт можно расценивать как один из первых шагов в отечественной практике изысканий под высотное строительство на нескальных грунтах и основу для будущих исследований.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ Труфанова.pdf