Особенности формирования подземного пространства в основании высотных зданий | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 июля, печатный экземпляр отправим 31 июля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №23 (261) июнь 2019 г.

Дата публикации: 10.06.2019

Статья просмотрена: 7 раз

Библиографическое описание:

Осокин А. И., Лосева Е. С. Особенности формирования подземного пространства в основании высотных зданий // Молодой ученый. — 2019. — №23. — С. 55-63. — URL https://moluch.ru/archive/261/60419/ (дата обращения: 19.07.2019).



В данной статье рассматривается актуальность высотного строительства, факторы, определяющие возможность масштабного освоения подземного пространства. Приводится анализ инженерно-геологических условий площадки, вариантное проектирование в качестве поиска оптимального решения устройства фундаментов, основные архитектурно-конструкторские решения организации подземного пространства в основании высотного здания, расчетное обоснование устойчивости ограждения котлована, технология производства геотехнических работ.

Ключевые слова: высотное строительство, освоение подземного пространства.

Потребность в высотном строительстве растет с каждым годом, не теряя своей актуальности на протяжении длительного времени. Популярность больших городов и интенсивный рост населения приводит к уплотнению застройки, что является естественным процессом урбанизации. Возможность роста мегаполисов «вширь» постепенно себя исчерпывает. Это обусловлено дефицитом свободных городских территорий, обострением транспортной ситуации, высокой стоимостью земельных участков и т. д. Решение данной проблемы нашло свой выход в высотном строительстве с комплексным освоением подземного пространства, главной концепцией которого, является целесообразное использование наземной части города, а именно сохранение территорий зеленых зон, улучшение эстетических качеств городской среды за счёт увеличения подземных паркингов и т. д.

На сегодняшний день в г. Санкт-Петербург насчитывается несколько десятков высотных зданий, но далеко не каждое из них проектировалось с развитым подземным пространством. Например, башня Лидер-тауэр, высота которого составляет порядка 145 м, имеет под собой только «минус» первый этаж, предназначенный для размещения технических помещений. Учитывая дорожную обстановку и большое количество транспортных средств, отсутствие необходимого числа парковочных мест является одной из главных проблем современного города. Строительство подземных паркингов обладает рядом неоспоримых преимуществ, к которым относится экономия территории в условиях и без того плотной городской застройки, освобождение от большого количества припаркованных автомобилей и возможность облагораживания наземной части, тем самым создавая максимально комфортные условия для проживания жителей города.

С точки зрения проектирования имеет место быть вопрос, возможно ли строительство высотных зданий в сложных геологических условиях Санкт-Петербурга. Основываясь на опыте прошлых лет и принимая во внимание успешно реализованные проекты, можно сделать вывод, что высотное строительство возможно. Эту возможность обеспечивают современные геотехнические технологии устройства глубоких опор, например, свай-баретт. Реализация строительства высотных зданий и сооружений возможна только в случае их надежной заделки в грунтовое основание. Под «высоткой» необходимо устроить развитое подземное пространство, которое будет равномерно передавать нагрузку с наземной части на фундамент и снижать давление на грунты основания за счет веса извлеченного грунта.

Цель данной статьи заключается в анализе особенностей формирования подземного пространства.

  1. Анализ инженерно-геологических условий площадки строительства

Рис. 1. Инженерно-геологический разрез

В геологическом строении участка по данным бурения и статического зондирования до глубины 45,00 м принимают участие:

  1. tIV-современные техногенные образования, представленные насыпными грунтами, слежавшимися (ИГЭ 1);

Таблица 1

Характеристики грунтов

ИГЭ

Наименование грунтов

Е, МПа

Il

φ

c

1

Насыпные грунты, слежавшиеся

0,08

-

3

Суглинки мягкопластичные, тиксотропные

8

0,54

18

17

8

Супеси пластичные, тиксотропные

8

0,9

20

14

Пески пылеватые, плотные

27

-

34

6

11

Супеси пластичные (IL<0,50), с гравием и галькой 5–10 %

13

0,25

26

38

12

Супеси твердые, с гравием и галькой 5–10 %

15

-0,15

25

50

13

Пески пылеватые, плотные, с гравием и галькой 5–10 %

24

-

34

6

14

Супеси твердые, с гравием и галькой 10–15 %

19

-0,17

27

66

15

Супеси пластичные (IL>0,50), с гравием и галькой 10–15 %

11

0,68

18

20

15а

Супеси текучие, с гравием и галькой 10–15 %

8

1,11

16

12

16

Супеси пластичные (IL<0,50), с гравием и галькой 10–15 %

18

0,26

27

47

17

Суглинки твердые, с гравием и галькой 5–10 %

16

-0,15

24

49

18

Супеси твердые

16

-0,16

25

54

18а

Суглинки твердые

18

-0,24

24

72

18б

Супеси пластичные

14

0,16

24

36

  1. m,lIV-современные морские и озерные отложения,представленные суглинками мягкопластичными, слоистыми и неяснослоистыми, тиксотропными (ИГЭ 3);
  2. lgIII-верхнечетвертичные озерно-ледниковые отложения, представленные супесями пластичными, тиксотропными (ИГЭ 8), песками пылеватыми, плотными (ИГЭ 9а);
  3. g III-верхнечетвертичные ледниковые отложения, представленные супесями текучими (ИГЭ 15а), супесями пластичными (IL>0,50) (ИГЭ 15), супесями пластичными (IL <0,50) (ИГЭ 11, 16), супесями твердыми (ИГЭ 12, 14), песками пылеватыми, плотными (ИГЭ 13) и суглинками твердыми (ИГЭ 17);
  4. lgII-Среднечетвертичные озерно-ледниковые отложения, представленные супесями твердыми (ИГЭ 18), суглинками твердыми (ИГЭ 18а), супесями пластичными (ИГЭ 18б).
  1. Основные архитектурно-конструкторские решения организации подземного пространства восновании подземного здания

В качестве освоения подземного пространства рассматривается идея создания объединенного трехуровневого подземного паркинга под жилой застройкой, а также этажа для коммерческих помещений.

Ядрами жесткости служат монолитные лифтовые шахты и лестничные клетки. В подземной части здания по его периметру предусмотрены пилоны, воспринимающие нагрузку от наземной части и соосно передающие ее на сваи-баретты. Между высотными зданиями и подземным паркингом устраиваются деформационные швы, что обусловлено большим перепадом нагрузок.

Рис. 2. Архитектурное решение подземного пространств

Рис. 3. Расчетная модель наземной части

Рис. 4. Расчетная модель подземной части

Рис. 5. Расчетная схема подземного паркинга

  1. Вариантное проектирование как способ поиска оптимального

решения устройства фундаментов

Основываясь на данных об инженерно-геологических изысканий и о нагрузках, передаваемых от здания на грунт основания, рассмотрим вариант проектирования фундамента на сваях-бареттах.

Бареттные фундаменты применяются при значительных нагрузках, что характерно для высотного строительства, тем самым являясь альтернативой буронабивным сваям. При одинаковой площади сечения с круглой сваей площадь боковой поверхности баретты больше почти в 2,5 раза. Как следствие этого — повышенная несущая способность. Также большим преимуществом баретт перед буронабивными сваями является меньшее их количество и более экономичная цена.

Рис. 6. Расчетная схема определения осадки

Рис. 7. Результаты осадки свай-баретт

Таблица 2

Сваи-баретты. Общие сведения

Нагрузка от здания (S=818 м2) N

34500 т

Грунт основания

ИГЭ-18б

Размеры сваи-баретты

3х1 м

Длина

22,8 м

Количество

43 шт

Несущая способность сваи по грунту

10122,76 кН

Осадка

1,64 см

Рис. 8. Схема расположения баретт

Рис. 9. Расчет осадки подземного паркинга

Таблица 3

Паркинг. Общие сведения

Нагрузка от здания паркинга (S=4784,76м2)

41500 т

Грунт основания

ИГЭ-18

Ø сваи

600 мм

Длина

19,6 м

Количество

258 шт

Несущая способность сваи по грунту

1911 кН

Осадка

2,68 см

  1. Расчетное обоснование устойчивости ограждения котлована для устройства подземного пространства высотного здания

Для устройства ограждения котлована 55х200 м выбрана «стена в грунте» с грунтовыми анкерами в качестве распорной системы, необходимыми для передачи выдергивающих усилий на грунтовую толщу. Одним из главных преимуществ грунтовых анкеров является освобождения пространства котлована от распорок и подкосов, что в значительной мере упрощает и ускоряет производство строительных работ.

Таблица 4

Ограждение котлована

Грунтовый анкер

Технология «TITAN»

Количество рядов

3

Длина заделки корня

5 м

Ø корня

600 мм

Шаг

1,5 м

Несущая способность анкера по грунту

750 кН

«Стена в грунте»

600 мм

Высота «стены в грунте»

22,5 м

Толщину «стены в грунте» принимаем 600 мм с опиранием на грунт: супесь пластичная (с модуль деформации Е = 14 МПа, показатель текучести

IL = 0,16;

Параметры расчетная схемы стены котлована:

– длина 22,5 м

– неразрезная многопролетная, заделанная в грунт балка, опоры в местах установки грунтовых анкеров,

– равномерно-распределенная нагрузка от активного давления грунта по боковой поверхности стены

– нагрузка по бровке котлована от возможной установки строительной техники, складирования материалов и т. п.

Рис. 10. Горизонтальные перемещения ограждения

Рис. 11. Вертикальные перемещения ограждения

Рис. 12. Эпюра изгибающих моментов

  1. Технология производства геотехнических работ

Устройство свай-баретт аналогично выполнению ограждающих конструкций "Стены в грунте". Первым этапом является устройство форшахты, которая служит направляющей для грейфера и обеспечивает устойчивость стенок в верхней части. Основание траншеи выравнивают и уплотняют, после чего устанавливают щиты опалубки, армируют бетонируют форшахту. В промежутке между направляющими форшахты на полную глубину откапывается траншея отдельными захватками. Разработка грунта в траншее ведется под защитой глинистого раствора плоскими двухчелюстными грейферами на канатной подвеске, штанговыми грейферами, экскаваторами типа обратная лопата с удлиненной стрелой и узким ковшом, а также грунтовыми фрезами. При бетонировании для предотвращения попадания бетонной смеси из бетонируемой захватки в следующую, между захватками устанавливаются разграничители. Роль разграничителя может играть железобетонный столб, либо инвентарная труба, извлекаемая после твердения бетона в захватке перед бетонированием следующей захватки. Арматура, свариваемая в каркасы, опускается в глинистый раствор перед бетонированием захватки. Бетонирование ведется методом вертикально перемещающейся трубы.

В качестве распорной системы наиболее прогрессивными и надежными считаются инъекционные предварительно напряженные анкеры.

Рис. 13. Инъекционный анкер: 1-головка; 2-анкеруемая конструкция; 3- скважина; 4-анкерная тяга; 5-пакер; 6-зона инъецированного грунта; 7-состав для защиты тяги от коррозии

Скважины для анкеров пробуриваются. В качестве несущего элемента применяются сплошные металлические стержни, трубы и тросы. При устройстве инъекционного анкера после погружения в скважину несущего элемента нижняя часть скважины перекрывается пробкой (пакером), и затем под давлением подается песчаноцементный раствор, иногда в два приема: сначала под давлением 0,3– 0,5 МПа, а позднее под давлением 2–3 МПа. Вокруг донной части скважины создается зона уплотненного грунта, благодаря чему анкер приобретает повышенную несущую способность.

Неотъемлемой частью в технологии производства работ является геотехнический мониторинг, целью которого является обеспечение безопасного комплекса геотехнических работ при устройстве котлована и работ по строительству подземной части. Программа мониторинга включает в себя: геодезический контроль за деформациями зданий окружающей застройки; системные наблюдения за деформациями ограждающих конструкций в период откопки котлована, с установкой инклинометрических трубок и деформационных марок, наблюдение за колебанием уровня грунтовых вод в ходе строительства, геологический мониторинг с возможностью подтверждения физико-механических характеристик грунтов несущего слоя свайных фундаментов и свай усиления.

Заключение

Представленный анализ показывает, что заглубление подвальной части высотного здания соединяет в себе две функции: конструктивную — является фундаментом и функциональную — организованные помещения используются для потребительских целей.

Таким образом, при проектировании фундаментов под высотные здания полезно учитывать возможность освоения подземного пространства путем создания комбинированного варианта устройства фундаментов.

При выборе типа фундамента высотного здания, по нашему мнению, в составе вариантов следует рассматривать кроме традиционных способов фундирования, также и устройство баретт. Для высотных зданий использование фундамента из баретт позволяет рационализировать количество свай под зданием, так как они обладают многократно-большей несущей способностью, а сам технологический процесс устройства баретт относится к разряду щадящих технологий с минимальным влиянием на окружающие грунты и застройку.

Литература:

  1. А. Б. Пономарев, Ю. Л. Винников «Подземное строительство», г. Пермь, 2014;
  2. О. А. Шулятьев «Фундаменты высотных зданий», г. Москва, 2014;
  3. Р. Э. Дашко, А. М. Жукова «Инженерно-геологические проблемы строительства высотных зданий в Санкт-Петербурге в условиях освоения подземного пространства», г. Санкт-Петербург, 2011.
  4. А. И. Осокин, С. В. Татаринов, Е. В. Макарова «Система геотехнического мониторинга как средство обеспечения безопасности строительства»
  5. З. Г. Тер-Мартиросян, В. В. Сидоров, П. В. Струнин «Теоретические основы расчета фундаментов глубокого заложения свай и баретт»
  6. Р. А. Мангушев, А. И. Осокин, С. Н. Сотников «Геотехника Санкт-Петербурга. Опыт строительства на слабых грунтах»,-М.: Изд-во АСВ, 2018 -386 с.


Задать вопрос