Геотехническое обеспечение строительства уникального здания в аспекте наблюдательного метода проектирования

Введение

С 2019 г. в Москве вблизи Кутузовского проспекта в районе Поклонной горы ведется строительство высотного здания по новому проекту с сохранением подземной части, возведенной в 1995–1999 гг.

Подземная часть здания представляет собой пятиэтажный объем размером в плане 72 × 63 м. Глубина подземной части от уровня земли составляет 18,5 м. Возведение подземной части выполнялось в открытом котловане с креплением ограждения котлована в виде «стены в грунте» тремя ярусами грунтовых анкеров. Фундаментом здания служит монолитная железобетонная плита толщиной 2,5 м. Подземная часть здания выполнена в монолитном железобетонном каркасе с сеткой колонн 9 × 9 м.

В геологическом строении площадки в пределах глубины сжимаемой толщи грунтового основания здания залегают среднечетвертичные аллювиально-флювиогляциальные отложения московского горизонта, подстилаемые коренными юрскими и верхнекаменноугольными отложениями (рис. 2). Уровень грунтовых вод на абсолютных отметках 114,2–116,3 м.

Вследствие воздействия экзогенных факторов (промораживание – протаивание, замачивание и проч.) на поверхность грунтов основания в период строительства и консервации существующего сооружения на локальных участках от низа фундаментной плиты до глубины 1 м в процессе изысканий были встречены грунты с пониженными деформационными свойствами.

По новому проекту возводимое здание представляет собой 33-этажный корпус Н-образной формы, при этом первые три этажа имеют прямоугольную форму подземной части. Начиная с 29-го этажа здание имеет переменное сечение на каждом последующем этаже. На 8-м надземном уровне здания запроектирован трансферный этаж для изменения шага колонн на вышележащих этажах. Здание выполняется в железобетонном каркасе.

Основные сложности, с которыми столкнулись проектировщики при проектировании нового здания, заключались в следующем [3]:

• фрагментарное нижнее армирование фундаментной плиты;
• неопределенность в механической работе фундамента на участке сопряжения с ограждающей конструкцией котлована;
• неоднородность в деформационных параметрах основания, наличие промороженных участков;
• наличие дефектов и протечек в конструкциях подземной части здания;
• полное отсутствие данных мониторинга;
• наличие многочисленных сведений о несоблюдении строительных норм в процессе строительства;
• наличие прогиба фундаментной плиты до 35 мм с учетом исполнительной съемки 1999 г. (после возведения подземной части).

В рамках научно-технического сопровождения проектирования рассматривались различные варианты усиления. При этом варианты усиления основания плитного фундамента микросваями или струйной технологией были признаны неэффективными, так как микросваи имеют малую величину несущей способности, и их устройство сопровождается перерезанием рабочей арматуры фундаментной плиты, а усиление грунтового основания по струйной технологии связано с неопределенностью получаемых механических характеристик и дополнительными воздействиями на существующие фундаментные конструкции [3].

В качестве основного принципа проектирования для рассматриваемого высотного здания было принято ужесточение конструкций при максимальном сокращении нагрузки, передаваемой на фундамент. В качестве основного варианта было принято устройство дополнительных диафрагм и стен жесткости в уровне четырех нижних этажей существующей подземной части.

Диафрагмы и стены жесткости изменяют пространственный характер работы подземной части здания и ограничивают деформации и усилия в фундаментной плите от возведения конструкций надземной части здания. Также к достоинствам рассматриваемого варианта относится сравнительно небольшая стоимость работ, которые проводятся без использования специального оборудования с возможностью визуального контроля качества.

Ввиду имеющихся неопределенностей в механическом поведении конструкций подземной части и грунтов основания в процессе строительства объекта нами предполагается применение наблюдательного метода проектирования, позволяющего при необходимости корректировать проект на основании результатов геотехнического мониторинга. Указанный метод регламентируется СП 248.1325800.2016 [1] и СП 305.1325800.2017 [2]. При этом в качестве кардинальной меры предполагается устройство нового фундамента с потерей нижнего подземного этажа [3].

Геотехнический мониторинг строящегося здания

В соответствии с разработанной специалистами НИИОСП программой геотехнического мониторинга на объекте реализована следующая система наблюдений за строящимся высотным зданием:

• инженерно-геодезические измерения вертикальных перемещений (осадок) фундаментной плиты;
• инженерно-геодезические измерения вертикальных деформаций «стены в грунте», ограждающей подземную часть здания;
• измерения послойных осадок грунтов основания фундамента в пределах глубины сжимаемой толщи с применением системы скважинных экстензометров;
• измерения напряжений под подошвой фундаментной плиты с применением струнных датчиков давления;
• инженерно-геодезические измерения кренов строящегося здания.

Подробное описание характеристик, методов обустройства и работы системы геотехнического мониторинга предполагается изложить авторами настоящей статьи в последующих публикациях.

Работы по геотехническому мониторингу были начаты в 2019 г., т. е. в момент возобновления строительства по новому проекту, и продолжаются по настоящее время. На сегодня на объекте завершено возведение основных несущих конструкций здания из монолитного железобетона, ведутся работы по монтажу фасадных систем, заливке стяжек полов, устройству перегородок и ограждающих стен из газобетонных блоков.

Максимальная измеренная величина дополнительной осадки строящегося здания на сегодня составляет 82 мм; максимальная относительная разность осадок – 0,0017. Среднее значение осадки по фундаментной плите составляет 60 мм.

Измеренные величины не превышают предельные дополнительные деформации основания фундаментов комплекса, связанные с дальнейшим строительством его надземной части, регламентируемые СТУ (средняя осадка – 20 см, относительная разность осадок – 0,003) и расчетные дополнительные значения (осадка – 14,3 см, относительная разность осадок – 0,002).

Распределение замеренных деформаций основания по площади фундаментной плиты приведено на рис. 5, из которого видно, что центральная часть фундаментной плиты здания имеет осадку больше, чем по периметру: средняя осадка центральных колонн составляет 72 мм, а крайних колонн – 54 мм.

Осадка краевых частей фундаментной плиты происходит с некоторым отставанием от центральной части, что помимо разницы в нагрузках на внутренние и наружные элементы каркаса связано с наличием по периметру фундаментной плиты «стены в грунте», которая ограничивает боковые деформации сжимаемой толщи, а также может сдерживать деформации фундаментной плиты за счет возникающего трения на их контакте.

В рамках научно-технического сопровождения, как только была отмечена тенденция к развитию больших осадок центральной части фундаментной плиты относительно краевых зон, специалистами НИИОСП с целью минимизации разницы в осадках было рекомендовано строительно-монтажные работы по устройству каркаса надземной части здания выполнять с опережением возведения наружных частей относительно центральной части.

В настоящее время развитие осадок фундаментной плиты происходит равномерно по площади, так, разница в приросте осадок по наблюдаемым маркам за последние три месяца составила не более 2 мм.

Влияние «стены в грунте» на деформации фундамента здания подтверждается результатами геодезических наблюдений за ее осадками. Средняя осадка «стены в грунте» на сегодня составила 15 мм, при этом краевой части фундаментной плиты – 50 мм. Максимальная осадка «стены в грунте» была зафиксирована по оси «А’» и составляет 20 мм, при этом средняя осадка краевой части фундаментной плиты по данной оси минимальна (в сравнении с остальными краевыми частями) и составляет 45 мм (рис. 6).

Указанные результаты измерений деформаций свидетельствуют о наибольшем влиянии «стены в грунте» на деформации подземной части на данном участке. Кроме того, следует отметить, что на данном участке было зафиксировано появление трещины в зоне сопряжения прижимной стены по оси «А’» с контурной балкой перекрытия 2-го этажа (рис. 6 и 7).

На сегодня общая ширина раскрытия трещины составила до 5 мм. Наиболее вероятной причиной образования трещины является «зацепление» контурной балки перекрытия 2-го этажа за обрез «стены в грунте», которая на данном участке в отличие от остального габарита здания устроена только до уровня 1-го этажа. Для установления точных причин образования трещины планируется произвести детальное обследование конструкций в зоне ее распространения с откопкой шурфов до верха «стены в грунте»и вскрытием для освидетельствования узла сопряжения балки перекрытия 2-го этажа со «стеной в грунте».

Развитие осадок основания фундамента здания во времени происходило неравномерно при относительно равномерно возрастающей нагрузке. В частности, в период возведения конструкций надземной части здания с 20-го по 30-й этаж по результатам геодезических наблюдений было зафиксировано заметное снижение скорости осадок (рис. 8), что также было отмечено по данным наблюдений за послойными осадками посредством экстензометрических систем (рис. 9). Данное явление снижения скорости осадок могло быть связано с частичным «зависанием» подземной части на включившейся в работу «стене в грунте». При дальнейшем нагружении скорость роста осадок увеличилась. В настоящее время скорость осадок здания в среднем составляет 2,8 мм/мес,что меньше скорости осадок, зафиксированной в период активного возведения надземных конструкций и равной в среднем 4,2 мм/мес. При этом значительно уменьшился прирост нагрузок на основание 3 кПа/мес, который в период активного возведения надземных конструкций составлял 20 кПа/мес. Выявленный в настоящее время характер развития деформаций основания фундамента строящегося здания (относительно высокая скорость осадок при небольшом приросте нагрузок) свидетельствуют о том, что грунтовое основание перешло в работу по ветви «первичного» нагружения.

Оценка распределения послойных деформаций грунтового основания по глубине, измеренных с использованием экстензометрических систем, показывает, что в развитии деформаций принимает участие вся наблюдаемая толща, при этом наибольшей относительной сжимаемостью обладают слои ИГЭ-8 (суглинки тугопластичные) и ИГЭ-9 (суглинки и глины полутвердые и твердые), залегающие в верхней части сжимаемой толщи до глубины 7,5–8,7 м.

Выводы

В рамках наблюдательного метода проектирования средства геотехнического мониторинга позволяют оценивать поведение здания, имеющего неопределенности в механической работе конструкций.

Принятые проектные решения и применение корректирующих мероприятий в процессе строительства на рассматриваемом объекте позволило снизить влияние сложившихся неблагоприятных геотехнических условий, в частности:

• увеличение жесткости подземной части путем устройства поперечных диафрагм и контурных стен позволило компенсировать недостаточную жесткость фундамента, оставшегося от объекта незавершенного строительства;
• устройство каркаса надземной части здания с опережением возведения наружных частей относительно центральной позволило минимизировать разницу в осадках между центральной и краевыми частями фундаментной плиты.

В настоящее время измеренные деформации основания фундамента, в том числе по относительной разности осадок, находятся в пределах нормируемых значений.