Оценка возможности надстройки объекта незавершенного строительства дополнительными этажами по результатам статических испытаний грунтов сваями

Введение

Задача увеличения полезной площади существующих зданий их надстройкой все чаще требует решения в практике строительства. Намерение инвесторов выгоднее использовать уже освоенный участок вполне обосновано.

При конструктивном решении фундаментов в виде плитных ростверков, выполненных по сваям, одним из решающих факторов является определение несущей способности свай по грунту. Решению этой задачи посвящено большое число научно-исследовательских работ [1–7]. Все исследователи считают, что самым точным методом оценки несущей способности свай фундаментов существующих зданий являются статические испытания грунтов сваями.

Задачей испытаний грунтов сваями являлась возможность обоснования надстройки дополнительными этажами недостроенных башен «А», «Б» и «В» общественно-жилого комплекса.

Описание комплекса и конструктивное решение фундамента

По ранее разработанному проекту общественно-жилой комплекс «Академ-Палас» (г. Москва, пр. Вернадского, вл. 78) включал три жилых башни «А», «Б» и «В» высотой 25, 25, и 32 этажа соответственно, четырехэтажный подземный гараж под всем комплексом и трехэтажный надземный стилобат.

Строительство комплекса после возведения подземного гаража, стилобата и башен на высоту 10–11 этажей из-за отсутствия финансирования было остановлено в 2011–2012 гг. Решение о возобновлении строительства комплекса по программе реновации принято в 2021 г. На рис. 1 представлено состояние комплекса к началу возобновления строительства.

В соответствии с разработанным в 2006 г. проектом фундаменты башен приняты свайными с плитным ростверком толщиной 2 м. Свайное основание разработано с использованием свай заводского изготовления сечением 300 × 300 мм, длиной 13 и 14 м для башен «А» и «Б» и сечением 350 × 350 мм, длиной 10 м для башни «В». Для изготовления свай был принят бетон класса В30.

Сваи были погружены забивкой с отметки дна котлована 161,05 и 161,55 м по сетке с шагом 950 × 950 мм в предварительно пробуренные лидерные скважины Ø 300 мм, глубиной 10 м под башни «А» и «Б» и с шагом 1060 × 1060 мм через лидерные скважины Ø 350 мм, глубиной 8 м под башней «В». Под башни «А» и «Б» было забито по 1369 свай, под башню «В» – 1089 свай.

Несущая способность свай фундаментов башен «А», «Б» и «В» была определена испытаниями грунтов сваями статической вертикальной нагрузкой в 2007 г., однако материалы с данными испытаний к настоящему моменту оказались утеряны.

Новое проектное решение

В соответствии с откорректированным проектом предусмотрено увеличение высоты башен на семь дополнительных этажей. Проектное решение с учетом надстройки представлено на рис. 2.

По новому проекту несущая способность свай фундаментов башен «А» и «Б» должна быть равна F_d = 1500 кН, а фундамента башни «В» – F_d = 1750 кН. Возможность надстройки башен в значительной степени зависит от восприятия новых нагрузок сваями по грунту.

Грунты, вмещающие сваи, характеризуются залеганием с отметки дна котлована 161,05 м следующих слоев (сверху вниз):

– глины тугопластичной (ИГЭ-6);

– суглинка тугопластичного (ИГЭ-7);

– глины мягкопластичной консистенции (ИГЭ-9);

– глины тугопластичной (ИГЭ-10);

– суглинка мягкопластичной консистенции (ИГЭ-11);

– супеси пластичной консистенции (ИГЭ-13);

– гравийно-галечникого грунта, водонасыщенного (ИГЭ-17);

– песка плотного, водонасыщенного (ИГЭ-19 и ИГЭ-20).

В фундаментах башен «А», «Б» и «В» под остриями испытанных свай залегает песок средней крупности, плотный, водонасыщенный (ИГЭ-20) и гравийно-галечниковый грунт, водонасыщенный (ИГЭ-17). Инженерно-геологические разрезы показаны на рис. 3–5. Показатели свойств грунтов приведены в табл. 1.

На участке строительства вскрыты два уровня подземных вод – надморенный и надъюрский. Надморенный водоносный горизонт зафиксирован на глубине 0,3–4,7 м (абсолютные отметки – 166,1–171,3 м). Содержащими воду породами являются насыпные грунты и флювиогляциальные пески. Надъюрский горизонт вскрыт на глубине 16,2–22,5 м (абсолютные отметки – 149,3–156,5 м). Водовмещающими породами являются подморенные флювиогляциальные и меловые пески. Воды горизонта имеют напор 13–20,5 м.

Испытание грунтов сваями

Полученные расчетом по СП 24.13330.2021 [8] значения несущей способности свай, заглубленных в пески мелкие, плотные, оказались недостаточны для восприятия новых проектных величин нагрузок. Данные о проведенных ранее статических испытаниях грунтов сваями оказались утеряны, поэтому было принято решение о проведении повторных испытаний.

Испытаниям грунтов сваями статическими вдавливающими нагрузками были подвергнуты железобетонные сваи заводского изготовления сплошного квадратного сечения 300 × 300 мм, длиной 13 и 14 м и 350 × 350 мм, длиной 10 м в количестве 12 штук (по 4 штуки под каждую башню).

Для испытаний были назначены сваи, расположенные по периметру башен со стороны стилобатной части для обеспечения возможности доступа к ним через демонтируемые участки фундаментной плиты стилобата (рис. 6). Для безопасного проведения испытаний были установлены защитные конструкции из металлических листов, а также постоянно выполнялась откачка подземных вод.

При подготовке сваи к испытаниям была отделена верхняя часть ствола свай длиной 40 см от ростверка для установки металлического оголовка на сваю и закрепления опорных металлических пластин на нижнюю поверхность ростверков жилых башен согласно эскизу, представленному на рис. 7.

Испытания выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2020 [9] и СП 24.13330.2021 [8]. При испытаниях грунтов сваями максимальная вдавливающая нагрузка была доведена до 150 тс для свай фундаментов башен «А» и «Б» и 175 тс для свай башни «В» (рис. 8).

Максимальные значения осадок испытанных свай с достижением условной стабилизации на каждой ступени составили:

– 3–12,1 мм – для свай фундаментов башен «А» и «Б»;

– 10,2–13,6 мм – для свай фундаментов башни «В».

Графики зависимости осадок свай сечением 300 × 300 и 350 × 350 мм от нагрузок показаны на рис. 9.

Результаты испытаний свидетельствуют, что всеми сваями подтверждены значения несущей способности, требуемые по новому проекту с надстройкой дополнительных этажей.

Оценка влияния испытуемой сваи на рядом расположенные выполнена расчетным моделированием с использованием программы PLAXIS 3D. При проведении расчетов был задан фрагмент свайного поля с 25 сваями (по 5 рядов в каждом направлении). Было принято, что испытуемая свая окружена соседними, жестко защемленными в плите ростверка. Изначально при расчете на каждую сваю была задана нагрузка, равная 30 тс, что соответствовало усилиям от собственного веса конструкций здания высотой 15 этажей (этажность корпусов в момент проведения испытаний), включая четыре подземных. Далее в программе разъединяли одну сваю от ростверка и передавали на нее нагрузку, равную 150 тс (на ростверк также задавалась нагрузка 150 тс с противоположным знаком), таким образом моделируя испытание свай (общий вид расчетной схемы представлен на рис. 10). На рис. 11 и 12 представлены эпюры осадок грунтового массива при нагружении свай на 30 и 150 тс.

Результаты моделирования показывают, что продольные осевые силы в рядом расположенных сваях практически не изменяют свои значения, как и их осадки. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Моделирование свидетельствует об отсутствии влияния испытуемой сваи на соседние и наоборот – влияние соседних на испытуемую. Однако окончательная оценка взаимовлияния свай может быть сделана только после экспериментального подтверждения измерениями с помощью датчиков деформаций и напряжений, закрепленных на сваях.

Выводы

Испытаниями грунтов сваями фундаментов башен «А», «Б» и «В» подтверждены требуемые по новому проекту значения несущей способности свай и возможность надстройки здания дополнительными этажами.

Расчетное моделирование свидетельствует об отсутствии влияния испытуемой сваи на соседние, значения осадок которых не изменили своих значений.