Роль геотехнического мониторинга при проектировании фундаментов и верификации принятых решений. Часть 1

Введение

Все более популярным становится мнение о приоритете расчетов по второй группе предельных состояний (по эксплуатационной пригодности, по деформациям) по сравнению с первой группой (по несущей способности). Безусловно, у такого взгляда есть рациональное зерно: совершенствование расчетных методов приводит ко все более редким случаям повреждения конструкций из-за превышения несущей способности, в то время как чрезмерные или неравномерные осадки остаются актуальной проблемой в разных странах [1].

В данной работе представлены рассчитанные осадки здания торгового центра в городе Жилина, которые сравниваются с фактическими (измеренными) их значениями, полученными путем геодезической съемки с применением высокоточного нивелирования.

Это здание было возведено на ряде отдельных квадратных фундаментов мелкого заложения. Такое решение стало возможным благодаря подходящим геологическим условиям строительной площадки, где активная зона грунтового основания была представлена аллювиальными гравийными отложениями.

Однако была выявлена локальная геологическая аномалия: в правой части площадки мощность гравийных грунтов была очень небольшой, а на уровне подошвы фундамента они в основном имели глинистое заполнение.

Расчеты осадок аналитическими методами не подтвердили допущение проектировщиков о том, что предельное состояние по эксплуатационной пригодности менее чувствительно к входным параметрам. А такая ошибка ведет к недооценке важности модуля упругости, что иногда случается, особенно когда основание сложено несвязными грунтами. В результате обычно возникают значительные осадки, неравномерные осадки и повреждения конструкций фундаментов [2].

Методика инженерно-геологических изысканий

Современная ситуация в строительной отрасли характеризуется усиленным давлением на инженеров с целью сокращения времени и затрат на стадии проектирования, что оказывает влияние в том числе на этапы инженерных изысканий и подготовки строительной площадки.

Важную роль в изысканиях играют полевые геотехнические испытания [3]. И наблюдаемая тенденция к более широкому применению таких испытаний по сравнению с классическими методами геологических исследований (такими как вращательное бурение с отбором образцов грунта и последующие лабораторные исследования) имеет ряд преимуществ [4]. Прежде всего такой подход дает возможность непрерывной оценки геологического разреза, а также обеспечивает экономическую эффективность и сокращение временнЫх затрат по сравнению с лабораторными испытаниями. С помощью статического зондирования грунтов с измерением порового давления (пьезоконусом, CPTu) можно определить тип грунта и многие его свойства. Однако из процесса инженерно-геологических изысканий нельзя полностью исключить лабораторные исследования [2].

В зависимости от характеристик будущего здания или сооружения и геологических условий площадки строительства для проектирования ряда отдельных квадратных фундаментов предлагаются методы изысканий, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Предлагаемые методы полевых испытаний для проектирования отдельных фундаментов мелкого заложения [5]

Геологические условия рассматриваемой территории

Геологические условия рассматриваемой площадки представлены главным образом палеогеновой толщей, в разрезе которой преобладают переслаивающиеся песчаники и аргиллиты, в верхней части полностью выветрелые до состояния глин. Палеогеновое основание перекрыто мощной толщей отложений верхней террасы реки Ваг, подтвержденная мощность которой составляет от 20 до 21 м. Эта терраса сложена гравийным грунтом с пылевато-глинистым заполнителем при содержании мелких фракций от 5 до 15% (класса G-F – Gravel-Fines) или глинистым гравием с содержанием глинистых частиц более 15% (класса GC – Gravelly Clay). Данные грунты местами перекрыты четвертичными песчанистыми глинами с содержанием частиц песка более 15–25% (класса CS – Sandy Clay) или низкопластичными глинами (класса CL – Clay of Low plasticity). (Отметим, что классы грунтов приведены здесь и далее в соответствии с международным стандартом ISO 14688. – Ред.) В южной части площадки мощность глин невелика (максимум 1,5 м), а в некоторых местах они отсутствуют вовсе – там они были в свое время заменены техногенным насыпным грунтом. Однако в северной части их мощность достигает 4–10 м. Песчанистые глины имеют тугопластичную консистенцию, низкопластичные глины — от тугопластичной до текучепластичной. Верхний слой на изучаемой территории представлен антропогенными отложениями различной мощности – от 0,3 до 1,9 м (рис. 1).

Рис. 1. Расположение скважин при детальных инженерно-геологических изысканиях в зоне малой мощности террасовых отложений на схематичном плане площадки (а) и геологический профиль между скважинами J-6, J-9 и J-5 в масштабе 1:250 по горизонтали и 1:100 по вертикали (б). Скважина J-5 расположена в аномальной части террасовых отложений [6]

Гидрогеологические условия на рассматриваемой площадке отражают ее геологическое строение и в основном зависят от количества атмосферных осадков и местного климата. Уровень грунтовых вод приурочен к нижнему слою террасы, сложенной гравием. По данным глубоких скважин, он находится на глубине 15,2–17,1 м от дневной поверхности. Грунтовые воды на данной площадке неагрессивны по отношению к бетону и стальной арматуре.

Получение геотехнических параметров

Предполагаемая глубина заложения фундамента составляла 8–10 м. Для ускорения инженерно-геологических изысканий сначала были пробурены скважины глубиной до 8 м (отметим, что данные выработки после окончания изысканий были затампонированы). После завершения бурения в тех же точках были выполнены испытания методом динамического зондирования – начиная с дна скважин и до подошвы террасы, то есть на глубине от 8 до 14–16 м. По результатам этих испытаний и были в основном определены геотехнические параметры гравийных отложений [3, 5]. По значениям динамического сопротивления (q_dyn) были рассчитаны модули деформации (E_def) с использованием следующих корреляционных зависимостей (с учетом известной информации о геологическом разрезе):

где n – эмпирический коэффициент, зависящий от типа и свойств грунта.

Наиболее приемлемые результаты были получены с помощью уравнения (1). Для гравийного грунта с пылевато-глинистым заполнителем класса G–F использовался локальный эмпирический коэффициент n=5,3. Для глинистого гравия класса GC применялось значение n=3,8. При этом рекомендованное поначалу уравнение (2) в итоге не использовали, поскольку при сравнении его результатов с модулем деформации, полученным по данным статических испытаний грунта штампами на дне котлована (рис. 2), расхождения были больше, чем в случае использования формулы (1).

Рис. 2. Испытание штампом в зоне замены грунта под отдельный квадратный фундамент

Для расчета консолидационных осадок наиболее важным параметром является одометрический модуль деформации (E_oed), который может быть рассчитан по следующей формуле:

где β – переходный коэффициент, являющийся функцией коэффициента Пуассона (ν):

Наиболее широко используемый полевой метод оценки деформационных свойств исследуемого слоя, особенно при контроле качества земляных работ, – статическое испытание штампом [7, 8]. В зависимости от прочности грунта и диаметра штампа (d), эффективная глубина активной зоны (мощность сжимаемой толщи) составляет (1,5÷3)d. С применением рекомендуемой стандартной методики можно рассчитать модули деформации по первому (E_def,1) и по второму (E_def,2) циклам нагружения.

Затем модули деформации, полученные по данным динамического зондирования с помощью формулы (1) и штамповых испытаний, были сопоставлены для одних и тех же глубин. В результате выявили хорошую корреляцию в случае использования величин E_def,2. С учетом более высокого вертикального напряжения на уровне контакта между подошвой отдельного фундамента и основанием, максимальный уровень давления (напряжения) под подошвой штампа при испытаниях составлял 400 кПа.

Проектирование отдельных квадратных фундаментов

Генеральный проектировщик рассматриваемого здания с двумя подземными и тремя надземными этажами принял решение использовать отдельные квадратные фундаменты вместо свайного фундамента, в том числе и в зоне крупной аномалии в северо-западной части котлована. Благоприятный уровень грунтовых вод позволил заменить грунт основания на глубину 1,5 м. При этом каждый фундамент был оптимизирован в соответствии с деформационными характеристиками, определенными путем испытаний, а также с действующими нагрузками для достижения приемлемых величин равномерных осадок. Это смелое решение обеспечило значительную экономию средств по сравнению с вариантом свайного фундамента.

Для подтверждения того, что эксплуатационная расчетная нагрузка не вызывает ни равномерных, ни неравномерных осадок основания, которые могли бы привести к недопустимым деформациям конструкций, должны использоваться расчеты по второй группе предельных состояний (по эксплуатационной пригодности, по деформациям) [9, 10].

Конечная осадка грунтового основания s (общая и послойная) под каждой расчетной точкой фундамента определялась с использованием теории одномерной консолидации, по которой дополнительное (от внешней нагрузки) вертикальное напряжение σ_z корректировалось с учетом структурной прочности грунта.

Полученные величины конечных осадок s_m были сопоставлены с предельно допустимыми значениями вертикальных деформаций s_lim и проанализированы на соответствие условию, что s_m<s_lim. Также для каждого участка фундаментов были рассчитаны неравномерные осадки.

В итоге выбор варианта отдельных квадратных фундаментов был признан успешным, и подрядчик выдал распоряжение о проведении долгосрочного геодезического мониторинга методом высокоточного нивелирования для контроля осадок в различных частях этого крупного возводимого здания.

Вертикальные деформации по данным геодезических измерений

Подрядчик разрешил установить геодезические марки на колоннах второго подземного этажа в выбранных местах строившегося здания. Для данной группы точек в 2008–2009 гг. было проведено восемь циклов высокоточного нивелирования с целью получения точных значений осадок на различных этапах строительства. Результаты этих измерений показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Результаты измерения осадок в процессе строительства (аббревиатуры с номерами рядом с условными знаками – обозначения точек геодезического мониторинга; в примыкающей таблице показаны осадки, мм, для разных точек по датам) [9]

Для расчетов осадок выбрали три отдельных квадратных фундамента, расположенных в непосредственной близости от геодезических марок. Расчеты выполнялись с использованием фактических характеристик грунтового основания и уровней действующих нагрузок. Результаты сравнили с данными высокоточного нивелирования.

Упоминавшиеся выше статические испытания штампами проводились до бетонирования на участках будущих отдельных фундаментов E12, D1/D14 и F15 на уровнях подошв. Эти участки находились вблизи точек геодезического мониторинга VD9, VD2 и VD12, что позволило сравнить расчетные и фактические осадки. Результаты сопоставлены в таблице 2.

Таблица 2. Расчетные и измеренные осадки отдельных квадратных фундаментов [9]

Заключение

Значения осадок, полученные методом высокоточного геодезического нивелирования, показали хорошую корреляцию с расчетными величинами. Наилучшее совпадение ожидалось для оси отдельного фундамента E12, так как положение геодезической марки в точке VD-9 точно соответствовало этой оси. Две другие точки мониторинговых измерений располагались на колоннах вблизи фундаментов D1/14 и F15. В случае оси фундамента E12 измеренная осадка была ближе всего к результату расчета на основе значения E_def,2 (но не E_def,1, для которого отклонение от измеренной осадки было, наоборот, самым большим). Последнее геодезическое измерение в точке VD-9 было проведено в октябре 2009 года после возведения каркаса здания – зафиксированная осадка составила 6,12 мм. Ожидается, что конечная осадка будет выше, так как на грунт основания под подошвой фундаментов будет действовать уже более полная, в том числе эксплуатационная, нагрузка.

Источник для перевода

Drusa M., Vlček J., Orininová L. The role of geotechnical monitoring at design of foundation structures and their verification – part 1 // Civil and Environmental Engineering. 2016. Vol. 12. № 1. P. 21–26. DOI:10.1515/cee-2016-0003.

Список литературы

1. Drusa M., Moravčík M. Foundation Structures. Edis Žilina, 2008. 118 p. ISBN 978-80-554-0068-6.
2. Monett J. In Situ Tests in Geotechnical Engineering. London, UK – Hoboken, NJ, USA: ISTE Ltd., John Wiley & Sons, Inc., 2015. 336 p. ISBN 978-1-84821-849-9.
3. Decký M., Drusa M., Pepucha L., Zgútová K. Earth Structures of Transport Constructions. Harlow, Essex, UK: Pearson Education Limited, 2013. 180 p. ISBN 978-1-78399-925-5.
4. Slabej M., Grinč M., Kováč M., Decký M., Šedivý S. Non-invasive diagnostic methods for investigating the quality of Žilina airport's runway // Contributions to Geophysics and Geodesy, 2015. Vol. 45. № 3. P. 237–254. DOI:10.1515/congeo-2015-0022.
5. Geotechnique.info website. URL: http://www.geotechnique.info/SI/SI%20Book%20Chapter%209.pdf. 01/2016.
6. Šustek M. Final report № 2004-13-9-4-450-1257-1 of engineering geological survey, Aupark, Žilina, 2004 (in Slovak).
7. Zgútová K., Decký M., Ďureková D. Non-Destructive Determining CBR Values of Ground Structures of Engineering Constructions // Proceedings of the 12th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2012, June 17–23, 2012. Vol. 4. P. 107–116. ISSN 1314-2704.
8. Vlček J., Ďureková D., Zgútová K. Evaluation of dynamic methods for earthwork assessment // Civil and Environmental Engineering. 2015. Vol. 11. № 1. P. 38–44. DOI:10.1515/cee-2015-0005, ISSN 1336-5835.
9. Pilarčik R. Monitoring of Settlement of Foundations of Aupark Žilina and Their Verification with Design: Diploma Thesis. Žilina, Slovakia: University of Žilina, 2011. 84 p.
10. Rahelison L.H. Analysis of in Situ Test Derived Soil Properties with Traditional and Finite Element Methods: Dissertation Thesis. Gainesville, Florida, USA: University of Florida, 2002. 248 p.