К расчёту осадки свайных фундаментов высотных зданий в грунтовых условиях Астаны

(1)

К расчёту осадки свайных фундаментов высотных зданий в грунтовых условиях Астаны

А.Ж. Жусупбеков, С.Б. Енкебаев, Р.Е. Лукпанов (ЕНУ им. Л.Н. Гумилёва) Г.А. Султанов, М.В. Бойко (ТОО «Базис-Проект ltd»)

Аннотация

Рассматривается определение модуля деформации грунта Е с учётом больших размеров фундаментов, на примере двух высотных зданий на свайном основании, построенных в городе Астана.

Введение

Для прогноза осадки свайных фундаментов высотных зданий в г. Астана, считается наиболее надёжным использование в расчётах штампового модуля деформации Е, полученного в полевых условиях. Однако при использовании этого параметра, как показывает практика, и, как отмечается рядом учёных [1, 2, 3], также необходимо учитывать размеры фундамента (глубину заложения или низ, а также размеры в плане, плитного или комбинированного свайно-плитного фундамента), который по сути, можно рассматривать как штамп больших размеров. Следовательно, для более точного прогноза осадки плитного или комбинированного свайно-плитного фундамента необходима корректировка модуля деформации грунта.

Так, результаты первоначального прогноза осадки, сделанные в программном комплексе Лира (далее ПК Лира), а так же вручную, по методике, описанной в [4] п.

7.4.10-7.4.13 (Расчёт осадки комбинированных свайно-плитных фундаментов), при проектировании 2-х высотных зданий на свайном основании, не увязывались с результатами данных наблюдений за перемещениями фундаментной плиты-ростверка зданий. Замеренная осадка была значительно меньше прогнозируемой. Поэтому были проделаны расчёты по корректированию модуля деформации для этих объектов, а результаты расчётов представлены в данной статье.

Общая характеристика объектов. Фундаменты

Объекты Изумрудный квартал и Министерство Транспорта и Коммуникаций являются одними из самых высоких и сложных в конструктивном плане зданий Казахстана, построенные в Астане корпорацией Базис-А. Расположены они на левом берегу реки Есиль, в новом административном центре города на Водно-зеленом бульваре.

Министерство транспорта и коммуникацийРеспублики Казахстан (далее объект 1) было запроектировано и построено в 2001- 2003 г.г. (Рисунок 1а). Комплекс представляет собой 36-ти этажное здание с дополнительным подвальным этажом. Общая

(2)

высота здания составляет 155 метров. Отметка перекрытия 36-го этажа 126,5 м. Здание имеет скошенную верхнюю часть, которая завершается шпилем высотой 25,5 м.

Центральная башенная часть здания в плане представляет собой овал с размерами осей в уровне первого этажа 45,0 м и 33,0 м. В основании по периметру здания имеется одноэтажная пристройка кругового очертания в плане, диаметром 69,0 м (см. Рисунок 1а).

Фундаменты были приняты комбинированные свайно-плитные. Буронабивные сваи диаметром 600 мм, проектная длина свай 8,2 м (фактическая длина свай, замеренная при изготовлении от 7,5 м до 8,3 м). Количество свай 374 шт. Монолитная железобетонная плита-ростверк толщиной 2,2 м с размерами в плане 49,2 × 37,6 м.

Высотный комплекс Изумрудный квартал состоит из трех зданий высотой в 37-, 45-, 53- этажей со стилобатами различной этажности окружающими по периметру башенную часть каждого здания. Здания ассиметричной формы в плане с обратным уклоном и максимальным отклонением верхних этажей около 9 метров. Общая площадь комплекса составляет 250 000 м². Общая высота 37-этажного здания (блок А) – 149,07 м;

45-этажного здания (блок Б) – 191,72 м (со шпилем 201,0 м); 53-х этажного здания (блок В) – 203,44 м.

Блок А сдан в эксплуатацию в ноябре 2010 года. Блок Б (далее объект 2), рассматриваемый в статье, сдан в эксплуатацию в декабре 2011 года (Рисунок 1б).

Фундаменты рассматриваемого здания комбинированные свайно-плитные (далее КСП).

Монолитная железобетонная плита-ростверк толщиной 3,0 м с размерами в плане 50,0 × 65,0 м. Буронабивные сваи диаметром 630 мм в количестве 680 штук. Длина свай от низа плиты ростверка до несущего слоя грунта составила 4 м. Сваи столь малой длины для объекта 2 были приняты в связи с необходимостью опереть фундамент на несущий слой грунта, не производив экскавации (см. Рисунок 3).

Для обоих объектов, рассматриваемых в статье, по результатам технико- экономического сравнения, фундаменты, на свайном основании, оказались наиболее оптимальными.

(3)

Рисунок 1а. Объект 1 – Здание министерства транспорта и коммуникаций республики Казахстан

Рисунок 1б. Объект 2 – Комплекс зданий

«Изумрудный квартал». Блок А и блок Б (ближний)

Инженерно-геологические условия на площадках строительства

Физико-механические характеристики грунтов объектов 1 и 2 представлены в Таблицах 1 и 2, а так же на Рисунках 2 и 3. На Рисунке 4 представлена схема расположения зданий Административного комплекса Изумрудный квартал, включая рассматриваемое в статье здание Блок Б – объект 2, а так же схема расположения инженерно-геологических скважин в плане.

Низ буронабивных свай объекта 1 расположен в дресвяно-щебенистых грунтах с суглинистым заполнителем 30-40% с модулем деформации 40 700 кН/м²(Рисунок 2а, слой 5); низ буронабивных свай объекта 2 расположен в слое твёрдого суглинка, зеленовато- серого цвета, с включениями дресвы алевролита слабой крепости до 15% с модулем деформации 15 200 кН/м²(Рисунок 2б, слой 4).

Подземные воды вскрыты: объект 1 – на глубинах 2,6-3,0м и 11,0 -12,0м; объект 2 – на глубинах 1,0-2,8м и 15,0-15,5м от поверхности.

Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов на объекте 1 Номер

слоя

Грунт hслоя, м

Е, кН/м²

ν ρ,

г/см³ с, кН/м²

φ, ° R0, кПа

Rc, МПа

1 Суглинки 3,7-6,4 7 500 0,35 2,0 10 16 -

2 Пески средней

крупности 0,6-1,5 17 000 0,3 1,92 2 35 -

3 Пески гравелистые 3,0-4,7 21 000 0,3 2,0 1 38 -

4 Гравийные грунты 2,0-2,2 - 0,27 2,0 - - 350

(4)

5 Дресвяно- щебенистые грунты с суглинистым заполнителем 30- 40%

4,0-6,2 40 700 0,27 2,12 11,5 29 400

6 Щебенисто-

глыбовая зона 1,7-7,0 - 0,27 2,2 - - 450

7 Скальные грунты - - - 2,63 - - 15,6

Рисунок 2. Инженерно-геологический разрез объекта 1

Таблица 2. Физико-механические характеристики грунтов на объекте 2

Номер слоя

Грунт hслоя,

м

Е, кН/м²

ν ρ,

г/см³ с, кН/м²

φ, ° ^Rс, МПа 1 Суглинок коричневого цвета, от

мягкопластичного до тугопластичного с глубины 1,5 м

1,0-1,7 5 400 0,35 1,99 16,8 17,3 - 2 Пески крупные, с включениями мелкого

песка и гравия до 5%, водонасыщенный 4,0-5,0 30 000 0,3 1,98 1,0 38 - 3 Гравийный грунт зеленовато-

коричневый, водонасыщенный с прослойками суглинка до 5 см

0,8-1,0 30 000 0,27 2,0 1,0 40 -

4 Суглинок твёрдый, зеленовато-серого цвета, с включениями дресвы алевролита слабой крепости до 15%

6,7-9,0 15 200 0,35 2,01 41,4 30,8 - 5 Дресвяно-щебенистый грунт, зеленовато-

серого цвета с суглинистым заполнителем до 30%

3,0-8,0 30 000 0,27 2,1 - - -

6 Скальный грунт, зеленовато-серого цвета, с переслаиванием алевролита и аргиллита. Грунты трещиноватые

- - - 2,5 - - 10÷23

(5)

Рисунок 3. Инженерно-геологический разрез объекта 2

Рисунок 4. Схема расположения зданий Административного комплекса Изумрудный квартал

Результаты статических испытаний грунтов сваями

На Рисунке 5 представлены графические результаты испытания одиночных свай на объектах 1 и 2. Несущая способность свай определялась в соответствии с [5]. Несущая способность сваи БНС 1 на объекте 1 составила 2168 кН, несущая способность сваи ОС-8 на объекте 2 составила 2571 кН (БНС и ОС проектные названия свай).

Как указывалось выше, проектная длина свай на объекте 1 составила 8,2 м, однако фактическая длина свай колебалась от 7,5 м до 8,3 м. Длина испытанной сваи на объекте 1 составила 7,8 м.

Проектная длина свай для объекта 2 – 4,0 м, однако фактическая длина испытанной сваи составила 6,31 м, поскольку на момент устройства испытуемых свай отметка дня котлована была выше проектной на 2,31 м. На момент статических испытаний свай, после 6 дней отдыха, экскавация грунта до проектной отметки была выполнена и, следовательно, фактически испытанию подверглись сваи, погружённые в грунт на

(6)

глубину 4,0 м. Низ сваи, испытанной статической нагрузкой (длиной 6,31 м), был погружен в те же грунты и на ту же отметку, что и сваи под всё здание (длиной 4,0 м).

Рисунок 5. Результаты статических испытаний грунтов сваями на объекте 1 и 2 Следует отметить, что при испытании опытной сваи ОС-8 на объекте 2 произошёл разрыв анкерных тяжей, в результате чего испытания были прекращены, а свая не достигла предельно допустимой осадки. В проведении повторного испытания опытной сваи ОС-8 не было необходимости, поскольку опытная свая на момент остановки испытания была загружена нагрузкой, превышающей проектную в 1,5 раза. Поэтому за предельно допустимую была принята осадка 11,67 мм (максимальная осадка сваи).

Замеренная и расчётная осадка высотных зданий

В процессе строительства и после его окончания проводились работы по наблюдению за вертикальными перемещениями и креном фундаментной плиты зданий.

Средняя допустимая осадка обоих зданий была принята по Приложению Е [6] п. 1.1 и с учетом Примечания п. 5 к указанному Приложению (см. Таблица 3).

Здания рассчитывались в ПК Лира, где плита-ростверк рассматривалась на сплошном упругом основании, а сваи моделировались введением в узлы плиты ростверка связей конечной жёсткости. Жёсткость основания (коэффициент постели) определялась как по результатам полевых испытаний свай статической нагрузкой, так и по штамповому модулю деформации грунтов, на уровне нижних концов свай. Оба метода показали очень близкие значения коэффициентов постели.

Кроме этого для прогноза осадки фундаментов рассматривалась расчётная модель комбинированного свайно-плитного фундамента с ограниченной сжимаемой толщей, в глубину 4,0 м. Низ сваи, испытанной статической нагрузкой (длиной 6,31 м), был погружен в те же грунты и на ту же отметку, что и сваи под всё здание (длиной 4,0 м).

Кроме этого для прогноза осадки фундаментов рассматривалась расчётная модель комбинированного свайно-плитного фундамента с ограниченной сжимаемой толщей, в

(7)

которой при совместной работе свай и плитного ростверка считается, что 85% нагрузки от здания воспринимают сваи, а 15% плита [4].

Замеренные и расчётные осадки высотных зданий приведены в Таблице 3.

Таблица 3. Осадка высотных зданий

Объект Допустимая осадка [], мм

Замеренная осадка, мм

Расчётная осадка [], мм

Расчётная осадка (Лира), мм

Объект 1 225 4,5 48,25 30,41

Объект 2 225 16,3 219,1 270,4

Оба расчётных метода показали очень близкие между собой результаты, однако разница между замеренной и расчётной осадкой значительна и составила от 6,7 до 16,5 раз. Причиной тому может быть применение в расчётах осадки КСП фундаментов модуля деформации без учёта больших размеров фундаментов.

Ниже приведена методика определения модуля деформации для расчёта осадки КСП фундаментов на примере объектов 1 и 2.

Методика определения модуля деформации грунта Е для расчёта осадки КСП фундаментов

Расчёт модуля деформации Е сжимаемой толщи проводился в два этапа (см.

Рисунок 6): 1. Учитывалась глубина заложения КСП фундаментов – h; 2. Учитывался размер свайно-грунтового массива в плане – А и В.

Рисунок 6. Расчётная модель КСП фундамента объектов 1 и 2 для определения модуля деформации Е сжимаемой толщи

В первом этапе была использована формула (1), полученная в работе [3], где для определения модуля деформации использовался не штамп, а свая-штамп (или обычная

(8)

свая), нагруженная статической нагрузкой. Параметр сжимаемой толщи Е определялся на уровне подошвы сваи.

св.шт. = ^{∙ ∙} (1)

где - удельная нагрузка на сваю-штамп;

- безразмерный коэффициент, значения которого табулированы с помощью ЭВМ в зависимости от = и = и коэффициента Пуассона ;

и - размеры сечения подошвы сваи, м;

- длина сваи-штампа, м;

- осадка сваи в пределах прямой зависимости графика «нагрузка-осадка», м.

Для использования этой формулы, в качестве сваи-штампа, нами была принята свая, испытанная на статическую нагрузку на этих объектах. Вместо значения удельной нагрузки на сваю P, использовалось значение несущей способности сваи F , по результатам полевых статических испытаний. Таким образом, формула 1 приняла следующий вид:

св.шт. = ^{( ⁄ )∙ ∙} (2)

где - несущая способность сваи, по результатам статических испытаний, кН;

A– площадь сечения сваи, м²;

S– предельно допустимая осадка сваи-штампа, м (см. Рисунок 5).

Во втором этапе полученный параметр E_св.шт., корректировался с учётом размеров фундаментов в плане коэффициентомm.

= св.шт.∙ (3)

Один из существующих методов, учитывающий размеры приложения нагрузки при определении значения модуля общих деформаций , описан в СП 23.13330.2011

«Основания гидротехнических сооружений» [1, 7], в котором при определении модуля деформации вводится коэффициент , учитывающий размеры плиты фундамента здания в плане (площадью более 500 м²) и определяемый по формуле 4:

= (4)

где и - площади, соответственно, подошвы фундамента и штампа;

- параметр, определяемый по результатам испытаний грунта двумя штампами различных площадей и , под одной и той же нагрузкой по формуле:

= 1 − 2 ^{( ⁄ )}_⁄ (5)

(9)

где и - приращения осадок штампов с площадями и от дополнительного давления по результатам испытаний грунта.

При определении модуля деформации E, для объектов 1 и 2 не использовались штампы с разными площадями и соответственно данные о приращении их осадок отсутствовали. Поэтому был использован метод, предложенный в работе М.И. Горбунова- Посадова и др. [2]. Этот метод не зависит от проведения дополнительных испытаний штампами разной площади и параметры, используемые в расчётах, обычно легко определяемы.

В соответствии с этим методом корректирующий коэффициент m для модуля деформации Е вводится, начиная с размеров плиты 10-15 м, и возрастает с их увеличением. Значение коэффициентаmопределяется по формуле 6 (см. Рисунок 4):

m = ωср⁄ωср (6)

где ωср - параметр, определяемый в зависимости от приведённой толщины слоя (γ = H b⁄ ) и отношения полудлины фундамента к полуширине (∝= a b⁄ ).

ω_ср- то же, при бесконечной мощности слоя.

В нашем случае толщина сжимаемого слоя Н, принималась от низа свай до скальных грунтов (см. Рисунок 6).

Результаты расчётов осадки по вышеописанным методикам с учётом полученного модуля деформации сжимаемой толщи для объектов 1 и 2 приведены в Таблице 4.

Таблица 4. Осадка с учётом полученного модуля деформации E

Объект Е, кН/м² Замеренная осадка, мм

Расчётная осадка [], мм

Расчётная осадка (Лира), мм

Объект 1 436 146 4,5 4,84 7,2

Объект 2 83 676 16,3 47,07 18,378

Модуль деформации Е полученный с учётом размеров фундаментов высотного здания отличается от первоначального штампового Е для объекта 1 в 10,7 раз, для объекта 2 в 5,5 раз. Как указывалось выше, разница первоначальных расчётных значений осадки и фактических замеренных значений составляет 6,7-16,5 раз. При этом расчётные значения осадки с учётом корректировки Е отличаются от фактических замеренных значений в 1-3 раза, что указывает на необходимость учёта размеров фундаментов при расчёте осадки высотных зданий в городе Астана.

Выводы:

(10)

1. Полученные значения модуля деформации Е были заложены в расчёты осадки основания и показали хорошую сходимость с замеренной осадкой фундаментов зданий, что подтверждает правильность принятого решения.

2. Приведённая методика определения модуля деформации позволила наиболее близко спрогнозировать значения осадки основания фундаментов высотных зданий, однако требует дальнейших исследований.

3. Для проведения дальнейших исследований при строительстве высотных зданий в городе Астана необходимо обязательное проведение наблюдений за осадкой основания высотного здания.

Список использованной литературы:

1. Тер-Мартиросян З.Г., Прошин М.В. Геомеханические проблемы высотного строительства // Основания, фундаменты и механика грунтов. - Москва, 2006. - Вып. 2. – 15 с.

2. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчёт конструкций на упругом основании. - М.: Стройиздат, 1984. - С. 55-79.

3. Знаменский В.В. Работа свайных фундаментов в глинистых грунтах и расчёт их по деформациям основания: диссер. канд. техн. наук. - М., 1971. – 115 с.

4. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов, 2004.

5. СНиП РК 5.01-03-2002. Свайные фундаменты, 2003.

6. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений.

7. СП 23.13330.2011 «Основания гидротехнических сооружений».