Геологический мониторинг при подземном строительстве

Ранее уже приводились не только достижения строителей и проектировщиков, но и проблемы, с которыми им приходилось сталкиваться при непосредственном возведении подземных сооружений в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, а также в условиях плотной городской застройки. В частности, наиболее опасными видами работ при подземном строительстве вблизи существующих зданий и сооружений признаны:

- разработка котлованов и траншей, прокладка подземных коммуникаций, тоннелей, особенно с использованием водопонижения и без крепления стенок котлованов и траншей;
- динамические нагрузки на основания существующих зданий от погружения вблизи них шпунта или свай;
- вибрационные или динамические воздействия от транспорта, метрополитена, производственного оборудования.

При этом к неблагоприятным последствиям таких воздействий на окружающую среду обычно относят:

- изменения уровня подземных вод;
- возникновение карстово-суффозионных процессов;
- снижение значений механических характеристик грунтов при их замачивании;
- возникновение аномалий теплового, электрического и других физических полей, развитие процессов, обусловленных динамическими и вибрационными воздействиями;
- эколого-биологические, радиационные и другие виды загрязнения среды.

Как отмечает проф. PA. Мангушев с соавторами, «выявить развитие неблагоприятных тенденций в период производства работ нулевого цикла, возведения сооружения и в первый период его эксплуатации позволяют регулярное инструментальное наблюдение и оперативное управление ходом работ - геотехнический мониторинг (геомониторинг). Его цель - обеспечение качества и соответствия техническим регламентам возводимых строительных конструкций и зданий и сооружений окружающей застройки, а задачи - регулярное отслеживание поведения строящегося сооружения, окружающих зданий и их грунтового основания, а также принятие мер по обеспечению дальнейшего безопасного строительства».

Проф. В.И. Теличенко и его коллеги выделяют такие составные части системы геомониторинга:

- расчетный (программа дополнительных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, численное моделирование, сбор нагрузок, определение расчетного сопротивления грунта и дополнительных осадок);
- проектно-конструктивный (план противоаварийных мероприятий (рекомендаций) по усилению, план защитных мероприятий при ухудшении экологии);
- визуально-инструментальный (системы наблюдений за надземными сооружениями вокруг объекта подземного строительства; за деформациями конструкций возводимого сооружения; за состоянием окружающего массива грунта; гидрогеологическая; за экологической обстановкой);
- аналитический (анализ данных математического моделирования, оценка результатов обследования сооружения и окружающей застройки, прогноз поведения сооружения и окружающих зданий).

В общем случае выделяют следующие методы геомониторинга:

- фиксация раскрытия трещин в несущих строительных конструкциях существующих окружающих зданий;
- точные (обычно второго класса с точностью ± 1 мм) геодезические наблюдения за вертикальными и горизонтальными деформациями оснований, фундаментов и несущих строительных конструкций зданий и сооружений;
- определение (как инструментальное, так и с использованием апробированных геотехнических программных комплексов) изменений напряженного состояния в основаниях, фундаментах и несущих строительных конструкциях зданий и сооружений;
- фиксация параметров колебаний несущих конструкций объектов мониторинга и соответствующих динамических колебаний в грунтах;
- контроль за колебаниями уровня грунтовых вод;
- контроль за точностью и качеством устройства свай;
- контроль за качеством выполнения монолитных бетонных и железобетонных конструкций;
- контроль за качеством выполнения земляных работ (технологии откопки котлована, крепления его стенок, водопонижения, устройство искусственного основания и т.п.);
- технический контроль за состоянием возводимых конструкций.

По функциональному назначению геомониторинг состоит из разделов:

- объектного (наблюдения за состоянием оснований, фундаментов, несущих конструкций самого подземного сооружения, окружающих его зданий и объектов инфраструктуры);
- геолого-гидрологического (система режимных наблюдений за изменениями состояния грунтового массива, уровней и состава подземных вод, развитием эрозионных, оползневых процессов, карстово-суффозионных явлений, оседания земной поверхности и др.);
- эколого-биологического (система наблюдений за изменениями окружающей природной среды, радиационной обстановки и др.);
- аналитического (анализ и оценка результатов наблюдений, моделирование взаимодействия подземного сооружения, окружающих его зданий и объектов инфрастуктуры с окружающим грунтовым массивом путем использования пространственных (иногда плоских) версий апробированных комплексов метода конечных элементов при упругопластических моделях грунта; сравнение прогнозируемых величин параметров с результатами натурных измерений; разработка мероприятий по предупреждению или устранению зафиксированных или прогнозируемых негативных последствий на объекты геомониторинга).

Геомониторинг чаще всего включает в себя три этапа:

- подготовительный (период, включающий предварительную оценку технического состояния сооружения, установку маяков (рис. 7.1) или датчиков на существующие трещины с указанием даты их постановки, устройство поверхностных (стеновых) марок, обычно на уровне цоколя, в несущих стенах зданий (рис. 7.2) для фиксации их осадок, установку оборудования для регулярных инструментальных наблюдений (датчики напряжений, послойных деформаций грунта, инклинометры, датчики порового давления, сейсмодатчики), тарировку его, снятие «нулевых» отсчетов, устройство скважин для контроля уровня грунтовых вод);

- рабочий строительный (период регулярных геодезических наблюдений за сооружениями (определяются осадки, просадки, подъемы основания, их горизонтальные перемещения, крены сооружений, углы наклона подошвы фундаментов), фиксация показаний датчиков, оценка качества уложенного бетона, контроль параметров свай, корректировка технологических строительных мероприятий и т.д.);

- послестроительный (период продолжения наблюдений за сооружениями, особенно получившими наиболее опасные деформации).
По данным процесса нивелирования поверхностных или глубинных осадочных марок от стационарного репера определяют: полную осадку каждой марки нарастающим итогом; максимальную и минимальную осадку объекта; его среднюю осадку; максимальные абсолютную и относительную величины разности осадок; крен сооружения или его частей; перекос участков сооружения.

Для удобства анализа результатов геомониторинга данные нивелирования представляют в виде: графиков развития осадок марок во времени (и от изменения нагрузки); эпюр осадок этих марок по отдельным осям и для сооружения в целом (рис. 7.3).



Полученные результаты позволяют: принимать оперативные решения, направленные на предотвращение опасного развития деформаций зданий и сооружений (изменение технологии и организации их возведения, усиления фундаментов окружающих зданий или закрепления их оснований, а также их надземных несущих конструкций); корректировать ранее полученные при изысканиях значения геотехнических характеристик грунтов, а также расчетные схемы системы «сооружение -фундаменты - основание»; прогнозировать во времени развитие деформаций оснований подземных сооружений и окружающих их зданий; уточнять влияние опасных инженерно-геологических и технологических процессов на развитие деформаций зданий и сооружений.



Ниже приведен пример геотехнического мониторинга за возведением высотных зданий в условиях, стесненных существующей застройкой и осложненных подземными выработками, из практики одесских и полтавских геотехников.

Объект геомониторинга - 22...24-этажный жилой дом по ул. Генуэзская, 24 д в г. Одессе, состоящий из трех отдельных секций с двухуровневым подземным паркингом. Жилые секции имеют следующие размеры в плане: секция №1 - 32x25 м; секция №2 - 25x24 м; секция №3 - 29х24 м (рис. 7.4). Конструктивное решение секций - бескаркасные здания с несущими стенами из монолитного железобетона.



Площадка строительства расположена в зоне существующей застройки и примыкает к эксплуатируемым зданиям. В геоморфологическом отношении она приурочена к правому склону Аркадийской балки с абсолютными отметками поверхности 25,0...33,6 м. Природный рельеф территории изменен в процессе ранее проводившихся планировочных и строительных работ.

В геологическом строении площадки принимают участие четвертичные эолово-делювиальные лессовые суглинки. Ниже по разрезу залегают верхнеплиоценовые красно-бурые глины, которые подстилаются известняками понтического яруса неогена и меотическими глинами (ИГЭ-9). Первый от поверхности водоносный горизонт, приуроченный к подошве понтических известняков, залегает на глубине 17,0...23,4 м (абс. отм. - 9,1...9,6 м). Горизонт межпластовый, безнапорный.

При бурении поисковых скважин были обнаружены подземные выработки («катакомбы»). Обследованные выработки (региональный индекс K-70) в свету имеют высоту от 2,0 до 1,3 м, с индексом К-71 - от 2,4 до 1,4 м. Уменьшение высоты связано с заиливанием через ствол дна выработок почвой. Ширина выработок различна. Так, для К-70 около ствола она составляет 1,5 м, а в добычных выработках (в забоях) увеличивается до 4,0 м. Ширина выработки К-71 около ствола равна 1,5 м, а в добычных выработках она возрастает до 3,5 м. В некоторых местах ширина выработок достигает 5,5 м. Коэффициент подработки для К-70 составляет 0,25 (25 % площади участка находятся над пустотой), а для К-71 - 0,28.

На момент осмотра выработок, горнотехническое состояние их было удовлетворительным (рис. 7.5). Деформации кровли и стен - незначительны.



Выработки сохранились в ненарушенном состоянии, что связано со спецификой строения толщи известняка, где над пильным слоем залегает перекристаллизованный сцементированный известняк - плита. Однако на небольшом участке отмечено обрушение кровли мощностью до 20 см. Принято решение о выполнении крепления выработок. Способ крепления - традиционный для Одессы - гидрозамыв песчаной пульпой с последующим «подбучиванием» кровли выработок цементно-песчаным раствором.

В качестве фундаментов каждой из секций принят свайно-плитный вариант. Сваи - буронабивные и буроинъекционные диаметром 630 мм, длиной 11...12 м с остановкой в ИГЭ-7 - известняке-ракушечнике. По сваям устроен плитный монолитный ростверк толщиной 1,5 м.
На участках, в пределах пятна здания, где выработки отсутствуют, приняты буронабивные сваи, в местах наличия выработок - буроинъекционные, изготавливаемые с использованием проходного шнека. Также на отдельных участках выработок как под «пятном» секций, так и на определенном по расчету расстоянии за пределами «пятна» запроектированы буроинъекционные сваи усиления. Использование буроинъекционных свай обусловлено тем, что их возможно устраивать без обсадки в выработках, которые затампонированы песком.

Схема расположения выработок и свайного поля приведена на рис. 7.6, а привязка свай к инженерно-геологическим колонкам показана на рис. 7.7. При этом точность совмещения схемы расположения подземных выработок с планом дневной поверхности составила 0,7 м.



Свойства известняков в основном изучались в лабораторных условиях. Для уточнения свойств грунтов выполнены их натурные испытания буронабивными сваями диаметром 500 мм (рис. 7.8) на площадке секции №1. Опытная свая ПС-1 испытана на действие вдавливающих нагрузок, сваи ИС-2 и ИС-3 - на действие выдергивающих нагрузок. При этом рабочая длина свай составляла: для ПС-1 - 11,45 м, ИС-2 -1,24 м, ИС-3 - 1,75 м. По результатам испытаний сваи ПС-1 нагрузка на сваю доведена до 2000 кН при стабилизированной осадке 0,95 мм.

По данным испытания сваи ИС-2, работающей в известняке-ракушечнике (ИГЭ-7), предельная выдергивающая нагрузка на сваю при стабилизированном перемещении 0,67 мм составила 325 кН. При дальнейшем росте перемещения сваи воспринимаемая ею нагрузка снижалась и при стабилизированном перемещении 15 см составила 255 кН. При испытании сваи ИС-3 из-за обрыва арматурных стержней выдергивающая нагрузка доведена до 800 кН при стабилизированном перемещении 0,45 мм.



Условия работы известняка ИГЭ-6 на срез определены испытанием его штампом, размещенным над выработкой. Процесс установки штампа в предварительно устроенную скважину с устроенным над выработкой целиком мощностью 0,5 м приведен на рис. 7.9. По данным испытаний среднее удельное сопротивление известняка на поверхности отрыва составило Rср1 = 0,28 МПа при разрушении по плоскости, наклоненной под углом 33° к вертикали. Были выполнены и испытания известняков штампами, расположенными в выработках, для оценки их сжимаемости.

У отобранных из выработок образцов определялась прочность на сжатие и сопротивление при срезе.



Анализ условий работы свайно-плитного фундамента, характеризуемые наличием под напластованиями известняка более слабого подстилающего слоя (ИГЭ-8), показал, что есть опасность среза слоев известняков (ИГЭ-6 и ИГЭ-7) на участках, ослабленных выработками. Решено устроить в этих зонах дополнительные усиливающие элементы - буроинъекционные сваи.

В расчетной схеме сопротивление песка, которым тампонируют выработки, не учитывалось из-за возможного образования после этого процесса полостей в так называемых «прикладах». Кроме того, подошва выработок на толщину до 30...50 см покрыта отходами камнепиления, плотность сложения которых составляет 1,35...1,45 г/см3. He всегда «подбучивание» полностью ликвидирует зазор между замытым песком и кровлей выработки.

Назначение усиливающих буроинъекционных свай - восприятие растягивающих усилий, возникающих от касательных напряжений по условным границам среза, и передача сжимающих усилий на массив грунта выше и ниже выработок за счет их работы по боковой поверхности. При этом длина заделки, шаг, диаметр и армирование свай усиления приняты из расчета, что равнодействующая нормальных напряжений от дополнительных нагрузок, приходящихся на определенную площадь участка с выработками в плане, полностью воспринимается сечениями усиливающих свай, расположенных на участке. Другими словами, эти параметры определялись, исходя из условия равнопрочно-сти неослабленных выработками наклонных сечений слоев известняка-ракушечника и прочности сечения усиливающей сваи на растяжение и суммарных усилий по ее боковой поверхности.

Зона расстановки усиливающих свай в плане определялась, исходя из минимального и максимального угла наклона плоскости среза к вертикали (приняты соответственно 30 и 45°). Таким образом, участки с выработками исключены из работы массива и заменены на усиливающие сваи как при учете нормальных, так и касательных напряжений. Усилия от рабочих свай на грунты и на усиливающие сваи по их длине передаются равномерно, за счет трения по боковым поверхностям свай. Поэтому деформации грунтов основания, рабочих и усиливающих свай на произвольной глубине в пределах рассматриваемой толщи равны между собой.

На следующем этапе выполнялась проверка прочности слоев известняка и усиливающих свай по максимальным расчетным усилиям с учетом сейсмических воздействий. При посадке свайного поля секции №3 на выработки (рис. 7.6) установлено, что дополнительная эксплуатационная нагрузка от здания при основном сочетании усилий приходится на сформированные проходками столбы пильного известняка и одновременном «зависании» углов ростверка над проходками. Прочность известняка при возможности развития поперечных деформаций значительно ниже (до 30 %) прочности в условиях их ограничения.

Поэтому при принятой схеме фундамента в основании сформированы локальные жесткие связи пониженной прочности, деформированию которых в горизонтальной плоскости не препятствуют смежные элементы. Из анализа физической картины деформирования столбов в условиях ограничения поперечных деформаций исключительно песком гидрозамыва, учитывая малые их величины, логичен вывод, что даже при достаточно плотном заполнении выработок такие поперечные деформации лишь незначительно уплотнят пески. При длительном уплотнении песков с естественным уменьшением объема не исключено образование зазоров между кровлей выработок и песком гидрозамыва. При этом неизбежны перераспределение усилий и догружение сформированных выработками столбов.

Введение в расчетную схему МКЭ интерфейсов, понижающих характеристики грунтов, в некоторой степени учитывает повышение дополнительных вертикальных деформаций, одновременно с этим не меняя условий горизонтального ограничения деформаций столбов, и более того, не учитывая возможное образование зазоров при длительном уплотнении песка. Следовательно, возможны непрогнозируемые неравномерные осадки фундаментов при локальном смятии сформированных выработками столбов пильного известняка.

В связи с вышеуказанными причинами, а также учитывая возможные несовершенства при производстве работ по гидрозамыву и подбучиванию кровли выработок, были разработаны дополнительные мероприятия, повышающие надежность решений фундаментов секции №3 и совместность работы их с основанием, заключающиеся в таких положениях:

1. Плита ростверка и, соответственно, свайное поле расширяются в плане таким образом, чтобы максимально передать дополнительные нагрузки на неослабленные выработками участки слоя пильного известняка-ракушечника. При этом исключается зависание углов ростверка над выработками.
2. Буроинъекционными рабочими сваями и дополнительными сваями усиления, воспринимающими и передающими на подошву слоя пильного известняка сжимающие усилия от дополнительного давления, разгружаются столбы, сформированные подземными выработками.
3. Свайное поле формируется так, чтобы исключить образование рабочими сваями новых выделенных столбов пильного известняка.
4. На периферийных участках фундаментов выполняются сваи усиления, воспринимающие растягивающие усилия от касательных напряжений в массиве известняков. Рабочие сваи на этих участках выполняются буроинъекционными, с армированием, достаточным для восприятия растягивающих усилий.
5. В зоне обширных по площади выработок на участке в осях l3/A3 секции №3 выполняется локальное усиление основания методом твердеющей закладки за счет собственной жесткости, обеспечивающей совместность работы массива известняков и тела закладки при действии нормальных и касательных напряжений.

Обоснование принятых решений по устройству свайных фундаментов и крепления их основания в зоне подземных выработок в пятне жилых секций проверялось численным моделированием МКЭ напряженно-деформированного состояния (НДС) основания свайно-плитного фундамента.

При моделировании МКЭ НДС системы «здание - свайно-плитный фундамент - основание с подземными выработками» («здание - свайноплитный фундамент - основание в зоне подземных выработок») использованы плоская и пространственная расчетные схемы. Моделирование плоской схемы (2D) выполнено в программном комплексе Plaxis 8.2 Profesional Version, пространственной схемы (3D) - в Plaxis 3D Foundation (Version 1.6).

Свойства и параметры инженерно-геологических элементов (ИГЭ), из которых состоит основание свай, фундаментной плиты и ограждения котлована приведено в табл. 7.1 и 7.2.



При этом для имитаци поведения грунта приняты следующие модели: 1) упругопластическая с критерием прочности Мора - Кулона (МС); 2) упрочняющаяся модель Hardening Soil Model (HSM); 3) модель скального грунта Jointed Rock model (JRM). Вид модели использовался в соответствии со свойствами напластования грунта. Для моделирования бетона использована линейная упругая модель (Linear Elastic).
Для разграничения между упругим поведением тела сваи, где небольшие перемещения, и окружающего их грунтового массива, где возможно пластическое поведение с критерием прочности Кулона - Мора, использован интерфейс (interface strength). Это сделано для избежания появления пиковых напряжений и деформаций, которые не имеют реального физического смысла. Чтобы интерфейс остался упругим, напряжения сдвига должны удовлетворять выражению


а для пластического поведения

где ?i, ci - угол внутреннего трения и удельное сцепление интерфейса). В этом случае использован параметр Rinter = 0,7. Следовательно, характеристики прочности интерфейса меньше, чем у окружающего его грунта. Пространственная жесткость всех конструктивных элементов рассчитывалась в соответствии с проектными решениями здания.



При использовании пространственных расчетных схем выполнены упрощения: 1) надземная и подземная часть здания заменялась объемными элементами (кластерами) по линейно-упругой модели с приведенными характеристиками: модуль упругости E = 30 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,20, удельный вес ? = 44 кН/м3 (удельный вес соответствует весу всего здания, деленному на объем его подземной части, для имитации давления на основание); 2) буроинъекционные сваи и массив грунта вокруг них представлены как единое целое квазиоднородное тело конечной жесткости, которое характеризируется приведенными модулями общей упругости (Eпр) и коэффициентами Пуассона (vпр), а удельный вес определялся как средневзвешенная величина между грунтом и бетоном по площади.

Для определения параметров квазиоднородного тела конечной жесткости использована методика проф. З.Г. Тер-Мартирасян. При этом для эквивалентного свайно-грунтового массива определены такие характеристики: Eпр = 200 МПа, vпр = 0,25, ?пр = 20 кН/м3. Пространственная конечноэлементная расчетная схема для моделирования взаимного влияния фундаментов и основания с подземными выработками приведена на рис. 7.10.

Задача выполнялась поэтапно: 1) гравитационная загрузка расчетной области с существующими подземными выработками собственным весом грунта и моделирование начального НДС массива (Gravity Loading); 2) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от возведения секции №1 (Sextionl) (рис. 7.11); 3) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от возведения секции №2 (Sextion2) (рис. 7.12); 4) устройство котлована, гидрозамыв полости пятна выработки, устройство свай и фундаментной плиты, моделирование загрузки от секции №3 (Sextion3) (рис. 7.13).



При имитации выемки котлована для уменьшения величины подъема его дна применялась модель HSM с модулем упругости, в 10 раз большим модуля деформации. Получены максимальные вертикальные перемещения основания свайно-плитного фундамента после строительства секции № 1 — S = 9,9 см. Крен фундаментной плиты в сторону подземной выработки составил менее i = 0,0008.

Максимальные вертикальные перемещения основания после строительства секции № 2 составят S = 8,6 см (рис. 7.14), а крен фундаментной плиты - менее i = 0,0006. Дополнительные осадки секции № 1 от возведения секции № 2 будут около Sдоп = 1,5 см, а крен фундаментной плиты -i = 0,0016.



Максимальные вертикальные перемещения основания от возведения секции № 3 составят S = 9,9 см (рис. 7.14), крен плиты в сторону подземной выработки — до i = 0,0008. Дополнительные осадки секции № 2 от возведения секции № 3 составят около Sдоп= 1,8 см при крене фундаментной плиты — i = 0,0016. Влияния строительства секции № 3 на секцию № 1 не будет. Максимальные суммарные осадки и крен не превысят предельно допустимые значения строительных норм (Su = 18 см, ii = 0,005).

Для пятна жилой секции №2 дополнительно выполнено моделирования в плоской постановке по двум опасным сечениям - вдоль и поперек выработки. Задача решена поэтапно: 1) гравитационная загрузка расчетной области собственным весом грунта и определение начального НДС грунтового массива (Gravity Loading); 2) устройство ограждения котлована и выемка грунта (Pit Excavation), приложение; 3) выполнение гидрозамыва выработки песком средней крупности (Tamponag); 4) устройство основных и усиливающих буроинъекционных свай (Pile Instalation); 5) устройство плиты и ее проектная загрузка от веса здания (Foundation Plate & Loading) (рис. 7.15).



В результате моделирования в плоской постановке (рис. 7.16) наибольшая осадка основания фундаментов по сечению 1-1 составила iS = 13,4 см, по сечению 2-2 - S = 15,8 см, что не превышает требования строительных норм. Прочность сваи усиления по материалу обеспечена, и она может воспринять касательные напряжения по условным границам среза в местах подземных выработок.



Таким образом, на базе моделирования МКЭ НДС основания свайно-плитного фундамента, выполненного с использованием данных результатов геомониторинга на площадке строительства, разработано достаточно простое и надежное проектное решение по устройству свайноплитных фундаментов секций многоэтажного жилого дома и укреплению их основания в зоне подземных выработок. На момент написания пособия здание успешно возведено без каких-либо превышений требований строительных норм.