Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теоретические и методологические основы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат диссертации по теме "Теоретические и методологические основы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга"
005004059
ШАШКИН Алексей Георгиевич
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Специальность 25.00.08 -Инженерная геология,
мерзлотовед ен ие и грунтоведение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
- 1 ДЕК 2011
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011
005004059
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петербургском государственном университете путей сообщения и Институте архитектурно-строительного проектирования, геотехники и реконструкции (ПИ «Геореконструкция»).
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Калинин Эрнест Валентинович,
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Пашкин Евгений Меркурьевич,
доктор технических наук, профессор
Ведущая организация - ОАО «Проектный и научно-исследовательский институт изысканий в строительстве» (ПНИИИС).
Защита диссертации состоится 28 декабря 2011 г. в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 14 ноября 2011 г.
Горшков Лев Капитонович
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал. наук
А.В.ШИДЛОВСКАЯ
Общая характеристика работы Актуальность темы диссертационного исследования
Развитие крупнейших городов мира сегодня невозможно представить без освоения подземного пространства, глубокой реконструкции кварталов сложившейся городской застройки и высотного строительства, которые также связаны с устройством подземных объемов. Для Санкт-Петербурга, с его обширным историческим центром, использование подземного пространства является особенно актуальным, поскольку позволяет вдохнуть жизнь современного мегаполиса в архитектурную среду, не искажая классического облика города. До последнего времени подземное строительство в городе было представлено преимущественно тоннелями метрополитена и глубокими коллекторами, сооружаемыми закрытым способом. Попытки устройства глубоких котлованов в среде городской застройки чаще всего заканчивались повреждением прилегающих зданий. Основной причиной неудач являлся неадекватный учет при проектировании особенностей развития деформаций водонасыщенных глинистых отложений различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации при техногенном нагружении и разгрузке.
Отсутствие практического опыта подземного строительства может быть компенсировано только проведением соответствующих исследований. Для водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации, природные структурные связи которых нарушаются при внешних воздействиях, наиболее репрезентативными являются натурные исследования. Особую актуальность их проведению придает отсутствие эффективной методологии расчета оснований зданий и сооружений (в том числе подземных), сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами, в условиях плотной городской застройки.
В настоящее время, когда благодаря развитию вычислительной техники совместные расчеты зданий (сооружений) и оснований становятся реальной основой проектирования (что позволяет удовлетворить требованию федерального закона 384-ФЭ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»), особенно заметно, что реальная точность расчетов деформаций основания значительно ниже тех требований, которые предъявляются к расчету над-..
земных конструкций. В проектной практике укоренилось некритичное отношение к выбору расчетных моделей и реализующих их программ, а также к результатам расчетов. Применение моделей, не апробированных для инженерно-геологических условий рассматриваемой территории и не адаптированных к особенностям региональных грунтов, является фактором риска для сооружений любого уровня сложности и фактором чрезвычайного риска для сооружений, опыт строительства которых в данном регионе отсутствует.
В связи с этим весьма актуальным представляется применение таких расчетных моделей, которые позволяют с удовлетворительной точностью описать стандартные лабораторные опыты, полевые испытания (например, штамповые) и натурные наблюдения на опытных площадках. При этом для корректного сравнения результатов расчетов и наблюдений необходимо применять такие расчетные модели, которые позволяли бы рассматривать развитие деформаций во времени.
Основное внимание зарубежных научных школ традиционно уделяется объемной составляющей деформации, развитию процессов первичной и вторичной консолидации. Отечественная школа механики грунтов всегда уделяла особое внимание построению реологических моделей, описывающих как объемное, так и сдвиговое деформирование грунта во времени. Необходимость учета реологических параметров материалов закреплена на федеральном законодательном уровне «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений» (384-ФЭ), но до сих пор не стала общепринятой
практикой проектирования.
На формирование современного понимания закономерностей
изменения свойств массивов грунтов под воздействием природно-техногенных факторов, связанных со строительной деятельностью, оказали труды таких выдающихся исследователей как Н.Н.Маслов, Н Я Денисов, Б. В. Дерягин, И.В.Попов, Е.М. Сергеев, В.А. При-клонский, В.Д. Ломтадзе, И.М. Горькова, В.И.Осипов, Королев В.А., Соколов В.М., Р.Э.Дашко и др. Отличительной особенностью этих исследований является подход к грунту, прежде всего, как природному образованию, обладающему специфическими свойствами, гораздо более вариативными и неоднозначными, чем у искусственных материалов, и, вследствие этого, плохо поддающимися обобщению в
рамках какого-либо универсального математического представления. На западе, начиная с трудов основоположника механики грунтов К.Терцаги, основное внимание уделялось поиску именно этого обобщения, в жертву которому иногда приносились особенности грунта как природного образования. Для ведущих представителей отечественной школы механики грунтов - таких как H.A. Цытович, В.А. Флорин, С.С.Вялов, С.А. Роза, П.Л.Иванов, Б.И. Далматов, М.Ю. Абелев, А.К.Бугров, Ю.К. Зарецкий, З.Г. Тер-Мартиросян, А.Б. Фадеев и др. всегда было свойственно уделять большое внимание таким проявлениям специфики грунтовой среды как наличие начального градиента напора, структурная прочность, анизотропность свойств, переменность характеристик грунта в зависимости от вида, величины и интенсивности воздействия. Однако в реальной расчетной практике в настоящее время возобладали западные подходы, воплощенные в наиболее востребованных компьютерных программах. Представляется, что необходимо предпринять усилия по реализации достижений отечественной научной школы инженерной геологии и механики грунтов в программных продуктах, позволяющих решать актуальные задачи проектирования.
Цель исследования заключается в выявлении закономерностей и разработке методологии прогнозирования деформационного поведения оснований, сложенных водонасыщенными глинистыми отложениями различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации, при строительстве зданий и подземных сооружений для обеспечения безопасной эксплуатации окружающей застройки.
Основная научная идея: деформации основания, сложенного водонасыщенными глинистыми отложениями малой и средней степени литификации, при техногенных нагрузках, связанных со строительной деятельностью, в значительной мере обусловлены процессами формоизменения (деформациями сдвига), скорость которых возрастает при нарушении природных структурных связей.
Основные задачи диссертационной работы:
- анализ результатов мониторинга напряженно-деформированного состояния основания при техногенных нагрузках от зданий и сооружений на территории Санкт-Петербурга; выявление вклада процессов уплотнения и формоизменения в развитие общих деформаций основания;
- критический анализ наиболее распространенных математических моделей работы грунта и оценка границ их применимости;
- разработка математической модели работы водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации, свободной от недостатков известных моделей (в частности, от необходимости введения искусственных критериев ограничения сжимаемой толщи), которая позволяла бы рассматривать во времени не только процесс уплотнения, но и процесс формоизменения и при этом использовать параметры модели, определенные по результатам стандартных лабораторных испытаний;
- определение реологических характеристик грунтов по данным длительных натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, а также натурных исследований поведения грунтовых толщ при устройстве глубоких котлованов;
- совершенствование методологии расчета глубоких котлованов на освоенных территориях, нацеленное на обеспечение безопасности
сложившейся застройки;
- разработка концепции научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в условиях распространения водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации для обеспечения безопасности городской застройки.
Объектом исследования являются водонасыщенные глинистые отложения различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации, распространенные на территории Санкт-Петербурга.
Предметом исследования является обеспечение безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки на водонасыщенных глинистых грунтах малой и средней степени литификации.
Защищаемые научные положения:
1. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга для обеспечения безопасной эксплуатации городской застройки, в том числе архитектурно-исторических памятников и старинных зданий, при строительстве зданий и устройстве глубоких котлованов необходимо учитывать вязкопластический характер деформаций водонасыщенных глинистых отложений различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации при обязательном ограниче-
нии развития дополнительных деформаций земной поверхности от совокупности наиболее значимых техногенных нагрузок.
2. Деформационное поведение водонасыщенных глинистых отложений малой и/или средней степени литификации в основании зданий и сооружений определяется не только процессом фильтрационной консолидации, но в значительной степени явлением формоизменения толщи грунтов в активной зоне, интенсивность которого зависит от степени разрушения структурных связей в деформирующихся грунтах.
3. Разработанная вязкопластическая модель позволяет повысить точность прогноза деформаций оснований зданий и сооружений благодаря независимому описанию поведения водонасыщенных глинистых грунтов при уплотнении и формоизменении и учету вязкости как функции их напряженного состояния.
4. Научно-практическое сопровождение строительства и реконструкции зданий и сооружений в пределах освоенных территорий при использовании предлагаемой расчетной модели в сочетании с инженерно-геологической информацией о природе прочности и деформируемости слабых водонасыщенных глинистых грунтов в условиях квазистатического нагружения и/или разгрузки обеспечивает безопасность функционирования эксплуатируемых зданий в процессе освоения подземного пространства мегаполиса, при этом предлагается учитывать два состояния грунтов по величине вязкости, изменяющейся от исходного значения при сохранении природных структурных связей до минимального при их нарушении.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Установлено, что деформации формоизменения вносят существенный вклад в развитие деформаций оснований зданий и сооружений (включая подземные сооружения), который необходимо учитывать в расчетах.
2. Получено математическое описание закономерностей вязко-пластического деформирования водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации при техногенных квазистатических нагрузках, реализованное в вязкопластической модели, использующей стандартные испытания деформационного поведения грунтов и позволяющей с одним и тем же набором параметров
моделировать существенно различающиеся по продолжительности квазистатические воздействия.
3. Предложена численная реализация вязкопластической модели, позволяющая отказаться от искусственного ограничения активной зоны и локализовать ее естественным образом, что дает возможность моделировать в рамках одной расчетной схемы взаимное влияние зданий на разнотипных фундаментах, а также зданий и глубоких котлованов.
4. Обоснована применимость предложенной модели для оснований, сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами малой и средней степени литификации, путем сравнения результатов прогноза с данными лабораторных и полевых испытаний грунта, а также натурных исследований оснований при техногенных нагрузках
на опытных площадках.
5. Сформулирован интегральный критерий обеспечения безопасности застройки, прилегающей к площадкам строительства зданий и подземных сооружений, от всей совокупности техногенных воздействий на грунты основания, который положен в основу научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в условиях плотной городской застройки.
6. Разработана методология проектирования глубоких котлованов на урбанизированной территории, основу которой составляют расчеты конструкции ограждения и системы крепления по двум группам предельных состояний не только для обеспечения надежности этих конструкций, но и для обеспечения безопасности прилегающей застройки; для этого рассматривается два крайних случая состояния массива грунта: грунт сохраняет природную структуру (в этом случае расчет осуществляется по деформациям, с использованием интегрального критерия обеспечения безопасности соседней застройки); структурные связи в грунте нарушены (в этом случае проводится расчет по прочности соседней застройки и выбирается конструкция котлована, исключающая ее обрушение).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сравнением прогноза по предложенной методологии и данных длительных натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, а также натурных измерений напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи во-
круг опытных котлованов. Натурные измерения имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования измерений основных параметров, позволяющую контролировать достоверность результатов экспериментов. Основные теоретические и прикладные результаты работы в составе проектной документации по реальным объектам прошли государственную экспертизу и получили практическую апробацию при строительстве зданий и подземных сооружений.
Практическая значимость. В результате выполненных исследований разработана методология расчета оснований, обеспечивающая безопасность городской застройки, в том числе архитектурных и исторических памятников, при строительстве зданий и сооружений (включая подземные сооружения) в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга:
- разработаны математическая модель водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации и реализующее ее программное обеспечение, позволяющие повысить точность определения деформаций оснований зданий и сооружений по сравнению с инженерными методами и распространенными численными моделями, а также выполнить прогноз их развития во времени, учитывая реальную продолжительность каждого этапа строительства, что позволяет принимать проектные решения, обеспечивающие безопасность прилегающей застройки;
- выполнена верификация математической модели на предмет соответствия прогнозов результатам натурных исследований водонасыщенных глинистых грунтов;
- предложена методология проектирования глубоких котлованов, позволяющая свести к минимуму риски подземного строительства, осуществляемого открытым способом в условиях плотной городской застройки и при этом оптимизировать затраты на мероприятия, обеспечивающие ее безопасность;
- сформирована концепция научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в среде плотной городской застройки на водонасыщенных глинистых грунтах малой и средней степени литификации, содержащая систему требований к изысканиям, обследованиям, расчетам, проектированию и мониторингу, реализованных в ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений. Санкт-Петербург».
Реализация результатов исследования. На основе предложенного подхода к проектированию зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки и расчетов с применением вязко-пластической модели спроектированы и успешно построены или реконструированы десятки объектов в Санкт-Петербурге. Среди них можно назвать Каменноостровский театр с развитым подземным объемом под историческим зданием (проект удостоен золотой медали на международной реставрационной выставке в Лейпциге); бизнес-центр на Почтамтской ул. с трехэтажным подземным паркингом, вплотную примыкающим к соседней застройке; концертный зал Мариинского театра, вписанный в среду сложившейся городской застройки и сохранивший исторические фасады, за которыми спрятаны конструкции современного здания; подземную часть Констан-тиновского дворца в Стрельне, которая была спасена от разрушения и преобразована в парадный вестибюль для входа со стороны Нижнего парка с увеличением габаритов подземного пространства; коммерческий комплекс на Владимирском пр., 19, встроенный между соседними историческими зданиями, при этом были сохранены фасады лицевого строения и пр. В качестве основы действующих в Санкт-Петербурге территориальных норм по проектированию фундаментов предложенная концепция научно-практического сопровождения стала обязательной для исполнения всеми участниками строительного процесса. Об эффективности концепции свидетельствует включение ее основных элементов в новую редакцию СП «Основания зданий и сооружений».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на многих международных конференциях, среди которых следует, прежде всего, назвать конференции, проводимые Международным обществом по механике грунтов и геотехническому строительству (^МвЕ) в Неаполе (1996), Афинах (1997), Роттердаме (2000), Канпуре (2003), Осаке (2005), Любляне (2006), Мадриде (2007), Александрии (2009), Санкт-Петербурге (2003;2005;2008), Москве (2010), на ежегодных российских конференциях в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (19902010), ПНИИИС (2008, 2009, 2010), на Герсевановских чтениях в НИИОСП им. Н.М.Герсеванова и РОМГГиФ (1998, 2011).
Публикации. По материалам исследований, обобщенных в настоящей работе, опубликовано 69 работ, в том числе две монографии (Москва, 1999, Санкт-Петербург, 2010); 17 публикаций напечатаны в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Ми-нобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, объединенных в 4 раздела, основных выводов, списка литературы и приложения. Она имеет объем 399 страниц печатного текста, включая приложение на 44 страницах, 251 рисунок и 58 таблиц. Список литературы включает 291 наименование, в том числе 66 на иностранных языках.
Основное содержание работы
1. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга для обеспечения безопасной эксплуатации городской застройки, в том числе архитектурно-исторических памятников и старинных зданий, при строительстве зданий и устройстве глубоких котлованов необходимо учитывать вязкопластический характер деформаций водонасыщенных глинистых отложений различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации при обязательном ограничении развития дополнительных деформаций земной поверхности от совокупности наиболее значимых техногенных нагрузок.
Оценка безопасности таких природно-технических систем, какими являются здания и сооружения, взаимодействующие с природной подземной средой - грунтами, заключается в определении вероятностей наступления некоторого неблагоприятного (опасного) события РгоЬ(Г) и его негативных последствий РгоЪ(С). Риск для зданий и сооружений на урбанизированной территории в международной практике принято определять следующим образом:
Я = РгоЬ(Р) х РгоЪ(С), (1)
Можно сказать, что первый сомножитель в выражении (1) не поддается управлению человеком и служит исходными данными, которые необходимо учитывать в строительной деятельности. Второй сомножитель, напротив, вполне пригоден для корректировки и
представляет собой составляющую, с помощью которой можно изменять величину риска. Человек не в состоянии устранить природный процесс и явление и далеко не всегда способен изменить его параметры, но вполне в силах приспособиться к нему, снижая тем самым риск для зданий и сооружений. Риск имеет место только в случае совпадения двух этих вероятностей, что математически выражается их произведением. Если на территории развивается какой-либо опасный геологический процесс, но отсутствует капитальная застройка, то понятие риска теряет свой смысл.
Для обеспечения безопасности строительства на урбанизированной территории необходимо оценить не только первый, «природный» сомножитель в формуле (1), но и второй, который во многом определяется уровнем развития расчетных прогнозов последствий строительства зданий, устройства подземных сооружений и применяемыми технологиями строительства.
В настоящее время строительная ситуация в России характеризуется повышением уровня сложности: возводятся высотные здания, осваивается подземное пространство крупных городов. Эти направления связаны с увеличением количества опасностей (или факторов риска). Для того, чтобы в итоге результирующий уровень риска оказался приемлемым, необходима минимизация риска от каждого фактора. Особенно актуальна эта задача для Санкт-Петербурга, основанного на территории, не особенно благоприятной в строительном отношении.
В пределах территории города кристаллические породы фундамента залегают на глубине 180-220 метров, что весьма затрудняет реализацию планов высотного строительства. Они перекрыты мощным чехлом осадочных пород. Непосредственно на фундаменте залегают отложения котлинского горизонта верхнего венда. В южной части города они перекрыты отложениями кембрия, а на остальной территории - толщей четвертичных отложений, мощность которых на территории города варьирует от величин менее 30 м в зонах вне палеодолин до 120 м в тальвеге погребенных долин (рис.1). Среди последних особо следует отметить водонасыщенные глинистые грунты малой и средней степени литификации, к которым относятся озерно-морские, озерно-ледниковые отложения, а также морены различного возраста. Этим грунтам присущ вязкопластический ха-
/
•■к-
+ ++
•Л .-Л* -s ; Vf
ж
Невская губа
-Я,
: ЛЖК^^^! ■ -ж
. чз •' Т>/;"
Условные обозначения г
Стратиграфо-генетические комплексы
н Голоцен. Современные техногенные, биогенные, озерные, _аллювиальные, морские, эоловые отложения
? Л Голоцен. Современные. Техногенные (на разрезах), а Н [ Голоцен. Современные. Аллювиальные (на разрезах). ^ИН Голоцен. Современные. Биогенные (на разрезах).
I Голоцен. Современные. Морские и озерные (на разрезах). I Плейстоцен. Осташковский горизонт. ГляциолимниЙ (ледниково-озёрные) I Балтийского ледникового озера.
| Плейстоцен. Осташковский горизонт. Водно-ледниковые отложения.
f Ш os Плейстоцен. Осташковский горизонт. Флювиогляциал (флювиогляциальные)
подморенный (на разрезах). Ш pd-os Плейстоцен. Нерасчленённые подморенные отложения (Осташковский. Ленинфадский, Модпорожскнй горизонты) (на разрезах).
___ II
Литология четвертичных образований
8 Ш ош Плейстоцен. Осташковский горизонт. Ледниковые отложения. Щ| Плейстоцен. Мгинский горизонт. МарпниП (морские) (на разреза.х). и тв Плейстоцен. Московский горизонт. ГляциолимниЙ (ледниково-озёрные) (на разрезах), гит* Плейстоцен. Московский горизонт. Флювиогляциал (на разрезах). '' '"Ц Плейстоцен. Московский горизонт. Ледниковые отложения (на разрезах).
Торф
• Гравийно-валунно-галечиые отложения Пески разнозернистые с гравием и галькой Пески мелко и тонкозернистые Пески средней крунности и крупные С упеси
Супеси валунные
^^^ .—_—Глины, суглинки, супеси слоистые и ленточные
ТП vl | Плейстоцен. Вологодский горизонт. Флювиогляциал времени отступания ледника (на разрезах) г-zHr-rH
Дочетвертичные образования.
■=-£2- Суглинки, глины валунные
- опытные полигоны на дамбе
- здания, за осадками которых проводились
длительные наблюдения «у- - натурные исследования при устройстве глубоких котлованов
Рис. 1. Инженерно-геологическая карта четвертичных отложений на территории Санкт-Петербурга с указанием объектов натурных исследований и длительных наблюдений.
д)
т.кПо 20 30 40 50
Ь Д ЛИ
1400
1600
1800
2000
2200
5
1Л
о
50 100 150 200 250 300 350 400
Рис.3. Результаты натурных исследований развития осадок основания дамбы сооружения защиты Санкт-Петербурга от наводнений: а - эпюра послойных осадок основания на полигоне № 1 без дрен (1,2,3,4 -поэтапная отсыпка насыпи с абс. отметки 1.2 до 6.0 м; МО, М1 и т.д. - марки), б - измерение сопротивления сдвигу по глубине на полигоне №1 во времени 0,1 - до и после дренирования и пригрузки, д- после стабилизации осадок, в - развитие осадок поверхности полигона № 1 во времени, г,д,е - то же для дренированного полигона №2 (сплошной линией обозначен расчетный прогноз по вязкопластической модели), ж — расчет по вязкопластической модели: характер изолиний скоростей перемещений на момент приложения последней ступени нагрузки на полигоне № 1.
Вторичнаянасыпь Первичная насыпь
озерно-ледниковые отложения (1в III)
ледниковые отложения (е III)
время, сут.
1000 1500 2000 2500 3000 3500
рактер деформирования, что нуждается в особом учете при устройстве глубоких котлованов подземных сооружений в условиях плотной городской застройки.
Анализ структуры причин деформаций зданий и сооружений городской застройки (рис.2) показывает, что в 1956-80 гг. в Санкт-Петербурге преобладали деформации зданий в процессе эксплуатации, что было связано с ограниченной эффективностью защитных мероприятий того времени по строительству новых зданий в среде сложившейся городской застройки (использование консольного примыкания, разделительного шпунта). В 1980-98 гг. почти две трети случаев деформирования исторической застройки были обусловлены использованием технологий нового строительства, приводящих к нарушению структурных связей в грунте (современные западные технологии применялись без исследования их воздействия на основание, без отладки безопасных режимов).
а) Р2 Р1 р2 б)
Рис. 2. Структура причин деформаций: а - причины разрушения соседних зданий при строительстве новых в Петербурге (1956-80 гг., 26 зданий) - по В.М. Улицкому; б - то же (1980-98 гг., 28 зданий) - по В.М. Улицкому; в - то же (с 1995 г.; 50 зданий): Р1 - осадки в процессе эксплуатации; Р2 - использование неадаптированных технологий; Я 1.1 -причины, связанные с упущениями на стадии изысканий; 111.2 - то же, на стадии проектирования; Я 1.3 - то же, на стадии производства работ; Я2.1 - то же, на стадии эксплуатации зданий; К2.2 - то же, на стадии эксплуатации территории; ЯЗ. 1 - недостатки изысканий для объекта соседнего строительства; Я3.2 - недостатки проектирования объекта соседнего строительства; КЗ.З - недостатки при производстве работ на соседнем объекте.
В 1995-2005 гг., как показал анализ причин деформирования 50 зданий в Санкт-Петербурге, обследование которых осуществлялось автором, выявилась группа, определяемая влиянием строительства новых зданий, которое осуществляется в непосредственной близости от существующей застройки. К этому классу относятся 58% случаев деформирования, к классу иных причин эксплуатируемого периода - только 14%, а к классу, связанному с ошибками при изысканиях, проектировании и возведении собственно обследованного объекта - 28% случаев. Интересно отметить, что с производством работ на участке, соседствующим с эксплуатируемым зданием, связано 39% случаев повреждения последнего. Заметим, что незначительный процент ошибок изысканий может быть пополнен за счет других групп, поскольку составляющей явных ошибок при проектировании и производстве работ являются и скрытые недостатки изысканий.
В проанализированной выше выборке практически отсутствовали случаи устройства глубоких котлованов. В настоящее время в Санкт-Петербурге еще только начинается устройство подземных сооружений. Тем не менее, первые итоги уже неутешительны: осадки соседней застройки в большинстве случаев в несколько раз превышают допустимое значение дополнительной осадки. При этом следует отметить более высокую степень риска подземного строительства: если при возведении здания-встройки существует риск повреждения прилегающих зданий (вплоть до необходимости их расселения и демонтажа), то при устройстве глубокого котлована имеется риск обрушения соседней застройки в котлован, столь быстрого, что может не остаться времени на ее расселение или усиление. Первые объекты подземного строительства, устройство которых осуществлялось в 1990-е годы, стали широко известными из-за ошибок, связанных с применением западных технологий устройства ограждений котлованов из буронабивных свай, не адаптированных к особенностям инженерно-геологических условий города. На новом этапе подземного строительства, начавшемся в 2005-2007 годах, основные проблемы связаны с принятием некорректных проектных решений по ограждающим конструкциям котлованов и системам крепления ограждений от горизонтальных смещений, которые не обладают
необходимой жесткостью и не обеспечивают безопасности окружающей застройки.
Можно охарактеризовать сложившуюся сегодня строительную ситуацию следующим образом: за последние 20 лет существенно возросла вероятность проявления негативных природно-техногенных процессов, чему способствуют особенности инженерно-геологических условий территории Санкт-Петербурга и интенсификация строительной деятельности в среде плотной городской застройки. Следует отметить, что в основном риск связан с толщей водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации, в наибольшей степени склонных к развитию незатухающих во времени деформаций при нагружении либо разгрузке. Следовательно, весьма актуальной становится задача снижения вероятности наступления последствий техногенных воздействий на грунты основания существующей застройки.
Количественным выражением меры риска для существующей застройки при строительстве в примыкании к ней новых зданий и сооружений может служить эвристический критерий, ограничивающий дополнительные осадки городской застройки некоторым допустимым уровнем: сумма дополнительных деформаций (осадок, относительной неравномерности осадок) объекта реконструкции и/или соседних зданий (сооружений) не должна превышать предельно допустимого значения:
где Байи ~ величина предельно допустимой дополнительной деформации прилегающих к строительной площадке зданий, определяемая совместным расчетом здания и основания; - прогнозируемый прирост незавершенных деформаций от воздействий, имевших место в прошлом (для случая нестабилизированного состояния основания); $„а - величина дополнительной деформации объекта реконструкции и/или соседних зданий вследствие воздействия /-той группы факторов, связанных со статическим нагружением (разгрузкой) основания, изменением режима подземных вод, с технологией ведения работ, которые могут быть постоянными и временными.
6
(2)
С введением в действие ТСН 50-302-2004 критерий (2) стал применяться для количественной оценки риска при проектировании в условиях плотной городской застройки в Санкт-Петербурге. Эффективность этого критерия в аспекте обеспечения безопасности соседней застройки при новом строительстве и реконструкции способствовала включению его в текст новых СП «Основания зданий и сооружений».
2. Деформируемость водонасыщенных глинистых отложений малой и/или средней степени литификации в основании зданий и сооружений определяется не только процессом фильтрационной консолидации, но в значительной мере явлением формоизменения толщи грунтов в активной зоне, скорость и интенсивность которого зависит от степени и характера разрушения их структурных связей.
Натурные исследования деформирования водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации, проводились при строительстве комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений на опытных полигонах со сходными инженерно-геологическими условиями, что позволило оценить роль и вклад фильтрационной консолидации в процесс деформирования
основания (рис.3).
На полигонах № 2,3 и 4 с вертикальным дренированием основания в процесс деформирования была вовлечена вся дренированная толща (дренирование осуществлялось до абс. отм. минус 21м и затрагивало слои озерно-ледниковых отложений - см.рис.З), величина и скорость развития осадок вполне согласовывались с представлениями классической теории фильтрационной консолидации. Принципиально иным образом развивались осадки на полигоне № 1, где дрены отсутствовали. Величина осадок здесь оказалась почти на порядок меньше при сходных сроках относительной стабилизации. Согласно классической теории конечные осадки основания полигона № 1 должны иметь сходные значения, что и на дренированных полигонах, но отставать во времени из-за значительного пути фильтрации. В реальности же после наступления относительной стабилизации осадок на всех опытных полигонах наблюдалась идентичная картина развития осадок с постоянной скоростью до 5 мм в год. При
этом поровое давление одинаково быстро рассеивалось как на полигонах с дренами, так и на полигоне без дрен.
Было выявлено, что водонасыщенные глинистые отложения естественного сложения малой и средней степени литификации проявляют различную реакцию на квазистатическое нагружение в зависимости от условий дренирования. Вертикальное дренирование инициирует развитие в них фильтрационной консолидации, поскольку реализует возможность отжатая поровой воды из грунта. Процесс фильтрационной консолидации в недренированном основании имеет локальное распространение под подошвой насыпи при наличии свободно дренирующей поверхности.
Натурные исследования продемонстрировали наличие в рассматриваемых отложениях градиента начала фильтрационной консолидации, существование которого в глинистых грунтах было установлено Р.Э.Дашко в 1977 г. Именно этим явлением может быть объяснено принципиальное различие в деформационном поведении дренированных и недренированных оснований. Однако отмеченный эффект не является единственным несоответствием расчетных ожиданий теории фильтрационной консолидации и реального деформирования основания.
Натурные исследования показывают, что в реальных условиях при действии локальных нагрузок всегда проявляются не только вертикальные, но и боковые перемещения грунта. Такая картина деформирования является естественной и неизбежной для любой сплошной среды с коэффициентом Пуассона, отличном от нуля.
Описание развития осадок зданий и сооружений во времени, основанное исключительно на применении теории фильтрационной консолидации, входит в противоречие с натурными наблюдениями, поскольку при решении плоских и пространственных задач проявляется псевдоэффект скачкообразного прироста осадок в начальный момент времени. Причиной этого является реализация деформаций формоизменения, свойственных любой сплошной среде, развитие которых во времени остается за рамками теоретического описания. Для исключения указанного псевдоэффекта обычно применяют искусственный прием по замене размерности решаемой задачи на одномерную (в которой деформации формоизменения отсутствуют), корректность которого вызывает сомнение.
Сравнение с результатами длительных наблюдений за осадками 14 зданий в Санкт-Петербурге показывает, что даже в случае принятия такого допущения прогноз по теории фильтрационнои консолидации существенно расходится с реальностью (рис.4, а), а) ^
/
— у / ♦ ♦ • У
♦ ♦ / / ♦ / 1
/у* ♦ г/ * С'.':.........-
\Х / ♦ X /л УУ* п
✓ /У*
У ♦
Осада расчетная, мы
Осада расчетная, мм
Рис 4 Деформирование оснований, сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами слабой и средней степени литификации при квазистатическом нагружении: а - сравнение прогноза осадок зданий по теории фильтрационной консолидации с результатами натурных измерений (1 - идеальное совпадение; 2 - реальное различие); б - то же для вязкопластической модели грунта.
Расчеты осадок по нормативным методикам, как показывает сравнение с данными натурных наблюдений, не позволяют достичь приемлемой точности для современного уровня проектирования. Основной причиной низкой точности нормативных методов расчета конечных осадок является сведение описания поведения грунта к одной единственной константе - модулю деформации и, следовательно, объяснение происходящих осадок преимущественно процессами уплотнения. Такой подход не создает предпосылок для естественного ограничения сжимаемой толщи осадочных, пород. Существенное влияние на величину расчетной осадки оказывают принятые в нормативных методах эмпирические критерии ограничения сжи-
маемой толщи, не имеющие ясного физического обоснования. Искусственность ограничения активной зоны развития деформаций является серьезной трудностью для решения задач о взаимном влиянии различных типов фундаментов с разным заглублением подошвы или свай.
При определении осадок по методу послойного суммирования ошибка составляет в среднем 30%, что могло бы считаться приемлемым результатом до начала применения в практике проектирования методов совместного расчета зданий и оснований. Такая точность достигается применением поправочных коэффициентов, приводящих одометрический модуль к штамповому. Однако штамповые испытания водонасыщенных слабофильтрующих глинистых грунтов не могут служить эталоном для корректировки одометрического модуля вследствие отсутствия достаточного времени для развития кон-солидационных процессов в период испытаний. Поэтому осадку штампа корректнее связывать с деформациями формоизменения. В этом нетрудно убедиться, рассматривая элементарную линейно-деформируемую среду и определяя осадку штампа по формуле Шлейхера: например, при коэффициенте Пуассона 0.3 доля осадок, обусловленных деформациями формоизменения, составляет более 70%. Следовательно, не учитывать вклад деформаций формоизменения в осадку штампа и отождествлять процесс деформирования грунта под штампом с уплотнением образца грунта в компрессионном приборе, как минимум, некорректно. Приведение одометрического модуля к штамповому способствует учету в неявной форме вклада деформаций формоизменения в развитие осадок зданий и сооружений. Представляется более корректным описывать деформации основания с учетом процесса формоизменения.
Это особенно важно при рассмотрении деформирования основания при квазистатической разгрузке, обусловленной устройством глубоких котлованов, в процессе которой не приходится говорить об актуальности консолидационных процессов.
В Петербурге при непосредственном участии автора в 20062010 гг. были проведены широкомасштабные комплексные натурные исследования поведения водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации при устройстве глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки (рис.6-9). Было
выявлено, что эти грунты претерпевают существенно различающуюся скорость развития деформаций в зависимости от уровня техногенного воздействия на строительной площадке (устройство свай, вибропогружение шпунта и т.п.), которое определяет степень нарушения природных структурных связей в грунте. На площадках, где одновременно с откопкой котлована не производились какие-либо другие работы, способствующие нарушению природного сложения грунта, скорость развития деформаций толщи была минимальнои (на Комендантской пл.и пл.Восстания - см. рис. 6, г и 9, в). В том же случае, когда на площадке одновременно с откопкой опытных котлованов осуществлялось вибропогружение шпунта, устройство свай, сопровождающееся избыточным извлечением грунта или, напротив, вытеснением грунта, скорость развития деформаций массива грунта увеличивалась на два порядка (на опытных котлованах на Литовском пр. и у Мариинского театра - см. рис. 7, в и 8, в).
Нагрузка, т «00
Глубина 5.8 м
Глубина 9.2 м Глубина 17.1 м Глубина 19.3 м Глубина 21.3 м 8 82 м Глубина 10.81 м Глубина 13.4 м Глубина 18.05 м Расчет
Рис. 5. Натурные испытания озерно-ледниковых текучих суглинков круглым штампом площадью 600 см2 в скважине на Васильевском острове в Санкт-Петербурге (линии с точками соответствуют испытаниям на различных глубинах; жирной линией изображены результаты расчета с использованием вязкопластической модели).
®
©::::::
время, сут.
Рис.6. Натурные исследования деформационного поведения основания подземного сооружения на Комендантской пл.: а - инженерно-геологические условия площадки; б - эпюры горизонтальных смещений ограждения при откопке на глубину 18 м; в - развитие во времени горизонтальных смещений ограждения на глубине 15 м (сплошной линией изображены расчеты по вязкопластической модели); г - вид сооружения в период устройства днища.
Лобовое сопротивление <?<- (МПа)
Горизонтальное смещение, мм
-20 0 20 40
Рис.7. Натурные исследования на опытной площадке на Лиговском пр. (откопка с глубины 4,0 м до 8 м): а - инженерно-геологические условия площадки-б - эпюра горизонтальных смещений ограждения; в - развитие во времени горизонтальных смещений ограждения; г - вид опытного котлована.
горизонтальное перемещение, мм
О ) ^ 2 5 ® о О В )
„ я 2 Й а Й ° '
1-данные измерений, 2 - численно-аналитический метод, 3-модель Кулона-Мора, 4 -вязкопластическая модель
20 30 40 50 60
Время с начала откопки, дни
Геолог.
индекс
т1 IV
а) Лобовое сопротивление (МПа)
27(06/2007 03/09/2007 10/09/2007 17/09/2007 08/10(2007 16/10/2007 22/10/2007 30/10/2007 06/11/2007 12/11/2007 19/11/2007 26/11/2007 03/12/2007 10/12/2007 17/12/2007
на 17.12.2007 на 19.11.2007 на 06.11.2007 на 17.09.2007
Время с начала откопки, дни
Горизонтальное смещение, мм
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Вертикальные смещения поверхностных марок
Рис. 8. Натурные исследования на опытной площадке у Мариинского театра: а - инженерно-геологические условия площадки; б - эпюры горизонтальных смещений ограждения на разные даты (начало откопки 20.08.07); в - общий вид; г - развитие горизонтальных смещений во времени (сплошные линии - расчет по вязкопластической модели)
о
гортонтальное перемещение, ш 60 -40 -20 О
"18.05.2009"
"31.07.2009" "08.10.2009"
"22.10.2009" -Расчет I этап
-•-Расчет II этап
-^Расчет III
лап -♦-Расчет IV этап
Рис. 9. Натурные исследования на площадке строительства подземного сооружения на пл.Восстания: а — инженерно-геологические условия площадки; б - эпюры горизонтальных смещений ограждения на разные даты (начало откопки 01.04.09); в — развитие во времени осадок примыкающего дома №112 по Невскому пр. (красные линии - расчет по вязкопластической модели: сплошная и штрих-пунктирная - с учетом и без учета локального закрепления грунтов основания); г - общий вид
Проведенные в Санкт-Петербурге натурные исследования предоставляют материал для научного анализа и верификации методов расчета оснований зданий и подземных сооружений.
3. Разработанная вязкопластическая модель позволяет повысить точность прогноза деформаций оснований зданий и сооружений благодаря независимому описанию поведения водона-сыщенных глинистых грунтов при уплотнении и формоизменении и учету вязкости как функции их напряженного состояния.
Представление о глинистом грунте как дисперсной структурированной системе с тиксотропно-коагуляционным типом связей, поведение которой при техногенном воздействии изменяется от характерного для твердообразного тела до свойственного жидкообразной среде в зависимости от сохранения или нарушения структурных связей, может рассматриваться как методологическая основа для построения феноменологической модели, способной адекватно описать поведение грунта при нагружении и разгрузке. Поскольку вода структурирована в поровом пространстве глинистых отложений, грунт работает как квазиоднофазный до тех пор, пока не будут искусственно изменены условия его дренирования.
Выполненный автором анализ феноменологических нелинейных моделей, описывающих напряженно-деформированное состояние грунтов при квазистатическом нагружении, выявил переусложненность большинства моделей математическими зависимостями, не имеющими под собой ясных физических обоснований. При практическом применении сложность моделей играет скорее негативную роль, не всегда позволяя исследователю четко представить себе особенности работы модели в различном напряженном состоянии. Для описания работы водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации большинство рассмотренных моделей вообще неприменимо, поскольку они некорректно описывают работу грунта при деформациях формоизменения. Особенно наглядны недостатки описанных выше моделей при решении задач, связанных с разгрузкой, где основание не испытывает деформаций уплотнения. Обусловленность деформаций формоизменения деформациями объема, характерная для большинства современных (так называемых «шатровых») моделей, может привести здесь к существенным ошибкам. Поэтому для моделирования работы таких грун-
тов необходимо построение специальной эмпирической модели, более корректно отражающей результаты экспериментов.
Из стабилометрических испытаний следует, что при гидростатическом нагружении не происходит развития области обратимых деформаций в девиаторном направлении. Поэтому для построения реалистичной модели поведения грунта представляется правомерным независимо описывать развитие области обратимых деформаций при объемном и сдвиговом нагружении. Такой подход отчасти реализован в модели Hardening Soil Model программы Plaxis, разработанной профессором П.А. Вермейером. Тем не менее, надо отметить, что раздельное описание объемных и девиаторных деформаций'выполнено здесь не до конца последовательно, сохраняется присущая всем «шатровым» моделям составляющая деформации формоизменения, связанная с деформацией объема.
Основной идеей построения предлагаемой феноменологической модели поведения грунта является независимое описание деформирования (точнее, применяя терминологию теории пластичности, так называемого деформационного упрочнения или, другими словами, развития области обратимых деформаций) при уплотнении и формоизменении. Параметры объемного сжатия определяются по аппроксимации кривой трехосных консолидировано-дренированных испытаний или из компрессионных опытов. Параметры поведения грунта при сдвиге назначаются из стандартных трехосных испытаний по неконсолидированно-недренированной схеме, в которых для полностью водонасыщенного грунта объемная деформация практически отсутствует и имеют место деформации формоизменения.
По результатам ряда опытов строятся зависимости объемных evp и сдвиговых ур деформаций от объемной составляющей р и девиато-ра q напряжений. Зависимости yp(p,q) и zvp(p,q) можно изобразить на плоскости (p,q) в виде изолиний (рис. 10). Вид зависимостей уP{p,q) хорошо известен. Очевидно, что при приближении к предельному напряжению деформации будут увеличиваться, таким образом, изолинии yp(p,q) будут концентрироваться вдоль прямой закона Кулона.
Зависимость zvp(p,q) при q=0 определяется из опыта на гидростатическое сжатие. Задавая различные величины девиатора напряжений, можно получить полный вид данных зависимостей. От-
клонение изолиний ггр{р^) на плоскости (р,д) от вертикали будет определять явление дилатансии. Поскольку точки выше предельной прямой соответствуют невозможному для грунта напряженному состоянию, изолинии егр(р,я) имеет смысл изображать только ниже предельной прямой закона Кулона.
Рис. 10. Схема построения упругопластической модели с независимым деформационным упрочнением программы FEM models.
Набор зависимостей уP(p,q) и еvp(p,q) полностью определяет вектор пластической деформации при заданном приращении напряжений. Построение модели при таком подходе свободно от каких-либо теоретических представлений о форме «шатра» и от необходимости применения ассоциированного закона пластического течения, весьма аргументированная критика которого была дана еще В.А. Иоси-левичем. Это позволяет максимально приблизить работу модели к результатам эксперимента. Фактически отличия от эксперимента будут определяться только неточностью аппроксимации функций Ipip.q) и evp(p,q).
В связных грунтах увеличение сопротивления сдвигу при объемном сжатии объясняется уплотнением грунта, сопровождающимся сближением частиц и увеличением количества структурных связей между частицами. При разгрузке объемных напряжений полного обратного разуплотнения не происходит, а образовавшиеся структурные связи определяют сохранение величины сопротивления
Ре
сдвига. Поэтому для связных грунтов физически правильнее было бы определять зависимость поведения грунта при сдвиге не от объемного давления, а от достигнутой степени уплотнения. В связи с этим вводится зависимости у P{p,q) на стадии разгрузки объемных напряжений. Для идеально связных у*р(р,д) ® у(ра q), где рс - достигнутый уровень уплотняющих напряжений. Введение некоторого наклона изолиний y*p(p,q) позволяет описать любую степень потери прочности при разгрузке объемных напряжений.
Такой подход дает возможность отобразить большинство явлений, фиксируемых в экспериментах. Искривление изолиний равных объемных напряжений позволяет описать явление дилатансии без использования отвлеченных представлений о форме поверхности «шатра» и т.п. Для глинистых грунтов Петербурга дилатансия изучена в настоящее время недостаточно, поэтому в дальнейшем исследовании дилатансия не учитывается.
Для аппроксимации зависимости evp(p) удобно использовать следующую формулу:
(3)
Параметры к и р0, как будет показано ниже, могут быть приближенно получены из компрессионных испытаний.
Аппроксимация зависимости ц-у при д<Тцт может осуществляться степенной функцией:
уРШ = Адп, (4)
где и - показатель степени,
т,,„ 3-51Пф
с - удельное сцепление, ф - угол внутреннего трения. Подставляя эти значения в (4), получим
yP(p,q) = yt
( „ V Ч
с + Мр,
(5)
В выражении (5) параметр ус определяет величину деформации сдвига, достигаемую перед разрушением образца. В слабых грунтах, в которых разрушение образца происходит без образования поверхности скольжения, обычно вертикальную деформацию ограничивают величиной 15%, что в неконсолидированно-недренированных испытаниях водонасыщенного образца соответствует деформации формоизменения ус = 0.225. Параметр п определяет вид кривой.
Изолинии у*p(p,q) при разгрузке объемных напряжений могут также аппроксимироваться прямыми, направленным под углом, определяемым коэффициентом М*. Тогда
тнш =с + Мре-М'(ре-р)
уР (p,q) = Ус
Y
с + Мре-М (рв-р)
(6)
Для удобства параметр М* можно описать аналогично параметру М:
З-этф
где ф* можно назвать углом внутреннего трения при разгрузке.
Зависимость (6) описывает поведение грунта при напряжениях, меньших предельных. При напряжениях, превышающих предел прочности, в рамках модели деформации формоизменения стремятся к бесконечности, что означает разрушение породы.
Описанная упругопластическая модель рассматривает конечные деформации, развивающихся неопределенно долгое время. Для проектирования подземных сооружений очень важно знать реальную скорость развития деформаций грунта. Если мы решаем, например, задачу о поярусной установке распорных креплений по мере откопки котлована, здравый смысл подсказывает, что распорки могут быть поставлены в течение нескольких часов, дней или месяцев. В связи с этим необходимо построение реологической модели грунта.
При создании вязкопластической модели эффект задержки объемных деформаций вследствие отжатия воды реализован нами
традиционным способом. При этом учтена нелинейная зависимость коэффициента фильтрации от градиента напора. Вид этой нелинейной зависимости является общеизвестным благодаря исследованиям многих авторов (Р.Э. Дашко, Н.Я. Денисов, и др.) отечественной школы. При вычислении объемных деформаций учитывается зависимость коэффициента фильтрации Кф от градиента напора / в соответствии с эмпирической степенной зависимостью, предложенной С.Хансбо:
Кф=а•/, (7)
где апЬ- параметры. Это уравнение может хорошо описать как нелинейную зависимость коэффициента фильтрации от градиента напора, так и её частные случаи: линейную зависимость от градиента I при Ь = 1 и постоянный коэффициент фильтрации при Ъ= 0. Указанная зависимость не связана с понятием начального градиента, однако, при малых значениях градиента величина коэффициента фильтрации становится крайне незначительной.
Для петербургских водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации зависимость коэффициента фильтрации от градиента напора приведена на рис. 11а. Как показывает практика расчетов, учет реальных коэффициентов фильтрации для глинистых грунтов практически исключает возможность развития в них сколько-нибудь значимых объемных деформаций в период откопки котлована.
Несомненно, что для котлованов наиболее актуальна сдвиговая составляющая деформаций. В то же время сегодня практически не существует моделей, которые корректно описывали бы деформации сдвига во времени. В большинстве моделей предполагается мгновенное развитие сдвиговых деформаций, что противоречит всему накопленному человечеством опыту строительства.
Явлению сдвиговой ползучести уделяла большое внимание отечественная школа механики грунтов. В работах Н.Н. Маслова, С.С. Вялова приведены теоретические и практические предпосылки расчета деформаций во времени с учетом сдвиговой ползучести. Тем не менее, общепринятой реологической модели поведения водонасыщенных глинистых грунтов, удобной для реализации в расчетных программах, до последнего времени создано не было.
3 0.0001
^ о.ооот
* 0.0006 X
:г
£ 0.0005
100
200
Градиент напора, Г
300
0 2 0 4 0 6 0 8 1
Относительное касательно* напряжение
Рис. 11. Аппроксимация лабораторных экспериментов для озерно-ледниковых отложений с помощью модели вязкопластической среды: а - зависимости коэффициента фильтрации от градиента напора; б - зависимости скорости деформации формоизменения от девиатора напряжений при разной влажности грунта (аппроксимация опытов зависимостью (5) изображена сплошной линией)
В настоящей работе предпринята попытка обобщить имеющиеся данные о деформировании грунтов во времени в рамках единой вязкопластической модели. В предложенной модели использована простейшая линейная зависимость: с увеличением сдвигового напряжения вязкость падает по линейному закону и приближается к нулю при достижении предела прочности:
где г)0 - начальная вязкость, тцт - предельное сопротивление сдвигу.
При этом скорость развития деформаций сдвига находится в нелинейной зависимости от действующих напряжений, что вполне соответствует имеющимся исследованиям (рис. 11, б). В результате использования такого простого приема удается в рамках одной модели объединить различное поведение грунта: медленное развитие деформаций при небольших сдвигающих напряжениях и быстрое разрушение при напряжениях на пределе прочности.
Нш
(8)
При описании деформаций формоизменения предлагаемая модель близка к модели Бингама-Шведова, за исключением более сложной зависимости вязкости (8) и деформаций (5) от напряжений:
Все параметры модели (за исключением вязкости) определяются из стандартных лабораторных испытаний. Параметр вязкости определяется путем обратного анализа данных натурных наблюдений.
Первая оценка величины вязкости водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации путем обратного анализа данных натурных наблюдений была выполнена нами по результатам наблюдений за опытными полигонами на площадке строительстве сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений. На основе этих расчетов для озерно-ледниковых суглинков была получена эмпирическая зависимость начальной вязкости от не-дренированной прочности грунта на сдвиг:
Данная зависимость является весьма приближенной, однако, как показывает практика, на результаты расчетов наибольшее влияние оказывает именно порядок величины вязкости, а различие даже в десятки процентов не имеет существенного значения.
Соотношение (9) было затем проверено на примере 14 зданий, построенных в Санкт-Петербурге, за которыми велись длительные геодезические наблюдения. Было установлено, что развитие осадок зданий во времени происходит с начальной вязкостью, определяемой зависимостью: r|0 ~ 100с„ [кПа год].
Как показывает обратный анализ данных натурных исследований деформационного поведения основания при устройстве глубоких котлованов, реологические свойства водонасыщенных глинистых грунтов (озерно-морских, озерно-ледниковых), встречающихся на территории Санкт-Петербурга, характеризуются начальной вязкостью, изменяющейся от значения, определяемого эмпирической зависимостью г)0 « 100с„ [кПа год] при сохранении природных структурных связей, до значения, равного r|0 ~ 1,0с„ [кПагод] при их нарушении.
rio« Ю0с„ [кПа год].
(9)
Сопоставление результатов расчета и многолетних наблюдений за осадками зданий и сооружений показывает, что вязкопластиче-ская модель позволяет корректно описать процесс развития во времени как деформаций, связанных с уплотнением грунта, так и деформаций формоизменения, превалирующих в недренированных основаниях. Ошибка в определении осадок по данному методу составляет около 10% (рис.4, б).
Как показывает сравнение результатов наблюдений и расчетов, применение вязкопластической модели дает возможность с удовлетворительной точностью прогнозировать развитие деформаций во-донасыщенных глинистых отложений малой и средней степени ли-тификации с учетом фактора времени при квазистатической разгрузке, происходящей при устройстве глубоких котлованов, что позволяет рекомендовать эту модель для расчета подземных сооружений, в том числе в условиях плотной городской застройки (см.рис.6-9).
Учет нелинейной зависимости скорости деформаций от напряжений приближает поведение вязкопластической модели к наблюдаемому в натуре: при напряжениях, далеких от предела прочности (такая ситуация, в большинстве случаев характерна для оснований сооружений) деформации будут происходить достаточно медленно (в течение десятилетий), что соответствует наблюдаемым на практике малым значениям «мгновенных» деформаций; при приближении к пределу прочности скорости деформации будут резко возрастать -это позволяет описать в рамках той же модели такие относительно быстрые процессы, как осадки при испытании сваи, технологические процессы при изготовлении свай, штамповые испытания (см.рис.5) и т.п.
4. Научно-практическое сопровождение строительства и реконструкции зданий и сооружений в пределах освоенных территорий при использовании предлагаемой расчетной модели в сочетании с инженерно-геологической информацией о природе прочности и деформируемости водонасыщенных глинистых грунтов в условиях квазистатического нагружения и/или разгрузки обеспечивает безопасность функционирования эксплуатируемых зданий в процессе освоения подземного пространства мегаполиса, при этом предлагается учитывать два состояния грунтов по величине вязкости, изменяющейся от исходного зна-
чения при сохранении природных структурных связей до минимального при их нарушении.
Удовлетворение условию (2) является гарантией безопасного строительства и реконструкции, поскольку этот критерий распространяется на весь спектр возможных неблагоприятных воздействий на здание и грунты в его основании. Он в «свернутом» виде содержит всю структуру научно-практического сопровождения строительства, основными составляющими которого являются:
- Ретроспективный анализ строительной ситущии, позволяющий определить, имеются ли на рассматриваемой площадке не-стабилизированные процессы накопления осадок и что следует ожидать от их развития в дальнейшем. В основе этого анализа лежит информация о деформациях, получаемая в ходе инженерно-геодезических изысканий и обследований, а также оценка завершенности осадки, выполняемая по результатам длительных наблюдений за осадками территории по геодезическим реперам, с учетом данных начального этапа мониторинга и оценочных расчетов.
- Расчетное обоснование проекта, которое предоставляет исчерпывающую информацию о составляющих осадки объекта строительства или реконструкции, обусловленных изменением статических условий работы основания (дополнительное нагружение весом здания или разгрузка при устройстве глубокого котлована). Вопрос развития дополнительных осадок соседней застройки вследствие изменения природного уровня грунтовых вод на территории в связи со строительной деятельностью при проектировании должен решаться радикальным способом: строительство здания или сооружения не должно приводить к изменению природных гидрогеологических условий территории. Прогнозируемое значение дополнительной осадки определяется на основании данных инженерно-геологических, гидрогеологических изысканий и обследований окружающих зданий суммой слагаемых, для оценки которых предложена вязкопластическая модель грунта.
- Технологический регламент, основы которого закладываются в проектном решении, исходя из минимизации суммарного воздействия временно действующих в период строительства факторов, и при необходимости проверяются в ходе технологических испытаний. Последние предназначены для выявления факторов риска, обуслов-
ленных применением той или иной технологии, определения зоны риска, поиска щадящих технологических режимов, способных снизить ее размеры. В результате испытаний определяется составляющая дополнительной осадки соседней застройки, обусловленная влиянием технологии.
- Мониторинг, нацеленный на непрерывное отслеживание текущего состояния системы «новое здание (сооружение) - массив грунта - окружающая застройка» с тем, чтобы уловить отклонения поведения системы от расчетного прогноза еще на стадии негативной тенденции, выявить причины этого отклонения и предпринять адекватные меры по выправлению ситуации (посредством корректировки проектных или технологических решений).
Таким образом, предложенная концепция научно-практического сопровождения охватывает все составляющие дополнительных осадок соседней застройки и поэтому позволяет на практике удовлетворить критерию (2) обеспечения ее безопасности.
Объем и состав научно-практического сопровождения строительных работ зависит от категории сложности реконструкции и нового строительства. Категорию предложено определять в зависимости от трех групп параметров: 1) категории ответственности строящегося здания или категории технического состояния объекта реконструкции; 2) категории технического состояния окружающей застройки; 3) категории риска для существующей застройки, обусловленного новым строительством или реконструкцией.
Расчеты подземных сооружений в условиях городской застройки необходимо проводить по двум группам предельных состояний как для самого проектируемого сооружения, так и для соседней застройки.
Расчет по второй группе предельных состояний (по деформациям) должен выполняться, руководствуясь критерием (2), при этом целесообразно исходить из концепции сохранения природной структуры грунта. В этом случае развитие деформаций во времени в рамках вязкопластической модели может быть охарактеризовано максимальным значением начальной вязкости, которое для водонасы-щенных глинистых отложений малой и средней степени литифика-ции составляет г|0» 100сн [кПа год].
На основании этого расчета выбирается конструкция ограждения котлована и система его крепления, обеспечивающая допустимые деформации соседней застройки. Для реализации проектных решений, в основу которых положен принцип сохранения природного сложения грунта необходимо:
1. ограничить техногенные воздействия в период устройства котлована (не допускать динамических воздействий как внутри котлована, так и вокруг него, исключить работы по устройству свай, погружению шпунта и т.п., ограничить движение транспорта вокруг котлована);
2. не допускать нарушений последовательности ведения работ и щадящих технологических режимов;
3. строго соблюдать проектные сроки каждого этапа работ по устройству котлована.
Очевидно, существуют высокие риски нарушения этих условий по объективным и субъективным причинам (задержка финансирования объекта, ошибки строителей и пр.). Проект, основанный исключительно на предположении о сохранности природного сложения грунта и не имеющий инструментов по противодействию аварийному сценарию развития событий несет высокую потенциальную опасность. Представляется целесообразным ввести в практику расчетов понятие расчета соседней застройки по первой группе предельных состояний. Прилегающая застройка должна быть рассчитана по прочности и устойчивости при воздействиях со стороны строительства подземного сооружения, связанных с неопределенными задержками строительства во времени и нарушением структурных связей в грунте. Расчеты по первой группе предельных состояний для соседней застройки следует выполнять из условий обеспечения прочности и устойчивости основных несущих конструкций на основе их совместного расчета с основанием. Усилия в конструкциях порождаются деформациями основания, обусловленными податливостью ограждения котлована. Деформации основания и ограждения котлована определяются расчетом для каждого предусмотренного проектом этапа работ по устройству котлована с учетом предельного нарушения структуры грунтов и максимальной задержки сроков производства работ. В рамках вязкопластической модели полная потеря структурных связей в грунте или максимальная
23
-23 закрыта
Рис.12. Устройство подземного сооружения под памятником архитектуры Каменноостровским театром: а - погружение шпунта по контуру подземного объема; б - устройство железобетонного пояса и пересадка здания на сваи; в - разборка старых фундаментов и устройство плиты на отн.отм. - 2 м; г - откопка котлована на глубинй 6 м; д - схема устройства подземного объема; е - максимальные осадки исторического здания за весь перод работ.
Распорки
пояс
фундомент
шпунт \ закрепление / по струОноО технологии (лфз)
уроВенц с которого /таполняются робота
■+.3.300
----/L_JT5T------
+1.200 8
существующий Фундамент
,2500)
По донным на 03.01.2009 • По донным на 05.09.2008
Рис. 13. Устройство трехэтажного подземного пространства на Почтамтской ул.: а - здание после реконструкции; б - устройство слоя закрепленного грунта по технологии jet grouting; в - откопка подземного объема под защитой шпунтового ограждения и распорок; г - вид подземного паркинг-сейфа по окончании работ; д - поперечный разрез подземного сооружения; е - эпюры суммарных осадок окружающей застройки за весь период работ.
задержка сроков выполнения работ описывается минимальным значением начальной вязкости. Иными словами, каждый этап производства работ предполагается бесконечно долгим или (что то же самое) на каждом этапе реализуется конечная деформация.
Исходя из расчетов по первой группе предельных состояний для окружающей застройки, с учетом совместной работы конструкций соседних зданий и основания определяются предельные осадки зданий, соответствующие предельным усилиям в их конструкциях. Эти предельные деформации в большинстве практических случаев будут выше допустимых деформаций, установленных действующими нормами для расчетов по второй группе предельных состояний. Это не означает, что такие деформации допустимы. Параметры ограждения должны быть выбраны таким образом, чтобы удовлетворить требованиям по двум группам предельных состояний. В техническом отношении превышение допустимых осадок (эта величина ограничивается, например, петербургскими и московскими нормами) означает частичную или полную потерю эксплуатационной пригодности здания. Превышение предельных осадок по первой группе предельных состояний для соседней застройки означает угрозу катастрофического обрушения.
Изложенная методология проектирования подземных сооружений была успешно апробирована на нескольких объектах в Санкт-Петербурге, среди которых следует назвать, прежде всего, реконструкцию Каменноостровского театра, непосредственно под которым был устроен развитый подземный объем размерами в плане 40x80 м и глубиной 6,5 м (рис.12), а также реконструкцию комплекса зданий на Почтамтской ул., где был возведен трехэтажный подземный паркинг на 160 машин (рис.13). Осадки театра за весь период производства работ не превысили 20 мм, а расположенной рядом с ним бывш. дачи Клейнмихеля - 7 мм. Осадки зданий, окружающих площадку реконструкции на Почтамтской ул., не превысили 9 мм.
Такой результат выгодно отличается от других площадок города, где при устройстве подобных подземных сооружений были допущены на порядок большие осадки соседних зданий. Следовательно, предложенная методология проектирования подземных сооружений по двум группам предельных состояний для соседних зданий является эффективным инструментом обеспечения безопасности
городской застройки, возведенной на водонасыщенных глинистых отложениях малой и средней степени литификации.
Заключение
1. Наиболее значимым фактором риска для существующей застройки на территории Санкт-Петербурга является воздействие при-родно-техногенных процессов, обусловленных строительной деятельностью, приводящих к нарушению природных структурных связей в водонасыщенных глинистых отложениях малой и средней степени литификации. Количественную оценку риска можно представить в виде интегрального критерия ограничения дополнительных деформаций соседней застройки (2), который лежит в основе предложенной концепции научно-практического сопровождения.
2. Деформации зданий и сооружений, возведенных на водонасыщенных глинистых грунтах, обусловлены не только процессом уплотнения, но и процессом формоизменения, который во многих практических случаях имеет определяющее значение. Для корректного прогноза изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации при техногенном нагружении необходимо применять модели с независимым описанием их поведения при уплотнении и формоизменении. В предложенной вязкопластической модели набор зависимостей объемных деформаций и деформаций формоизменения соответственно от объемного тензора и девиатора напряжений полностью определяет вектор пластической деформации при заданном приращении напряжений.
3. Деформациям формоизменения, как и деформациям уплотнения свойственно развитие во времени, причем скорость деформаций сдвига тем выше, чем в большей степени нарушена структура грунта по отношению к природному сложению. Вязкопластическая модель грунта рассматривает развитие во времени не только деформаций уплотнения, но и деформаций формоизменения. Объемные деформации определяются соотношениями фильтрационной консолидации (имеющей ограниченное значение вследствие проявления градиента начала фильтрационной консолидации), а скорость развития
деформаций формоизменения описывается с помощью переменного коэффициента вязкости.
4. Параметр вязкости определяется путем обратного анализа данных натурных наблюдений. Для водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации, характерных для территории Санкт-Петербурга, по результатам анализа натурных наблюдений определены значения параметра начальной вязкости для грунтов природного сложения и при нарушении структурных связей в результате воздействий, обусловленных строительной деятельностью. Все остальные параметры предложенной расчетной модели определяются из стандартных лабораторных испытаний.
5. Статистический анализ расчетов осадок зданий, за которыми велись длительные геодезические измерения, свидетельствует о том, что при использовании предложенной модели ошибка в определении осадок зданий в Санкт-Петербурге снижается до 10%. Сравнение результатов натурных исследований глубоких котлованов и расчетов с применением предложенной модели демонстрирует удовлетворительную точность в описании развития деформаций основания с учетом фактора времени, что позволяет использовать эту модель для расчета подземных сооружений, в том числе в условиях плотной городской застройки.
6. Описание реологических свойств водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации с помощью переменной вязкости, убывающей до минимума по мере возрастания сдвигающих напряжений, позволяет отобразить в рамках расчетной модели с одним и тем асе набором параметров, описывающих поведение грунта, различные по продолжительности квазистатические воздействия: проявление эффектов медленного развития деформаций основания при небольших сдвигающих напряжениях (что характерно для зданий, претерпевающих осадки в течение десятилетий), более интенсивного развития деформаций при возрастании напряжений сдвига (что имеет место при устройстве глубоких котлованов) и быстрого разрушения при напряжениях на пределе прочности (что свойственно таким относительно быстрым процессам, как осадки сваи или штампа при испытании, технологическим процессам при изготовлении свай и пр.).
7. Предложенная расчетная модель грунта автоматически, естественным образом локализует активную зону в основании зданий и сооружений, чему способствует интенсивное затухание с глубиной объемных деформаций и деформаций сдвига соответственно при уменьшении градиента напора и девиатора напряжений, в связи с чем исчезает необходимость в ее искусственном ограничении и появляется возможность моделировать в рамках одной расчетной схемы взаимное влияние зданий на разнотипных фундаментах, а также зданий и глубоких котлованов.
8. Научно-практическое сопровождение нового строительства или реконструкции на урбанизированной территории благодаря применению вязкопластической модели становится эффективным инструментом по обеспечению безопасности соседней застройки, поскольку позволяет расчетным путем определить статические составляющие дополнительной осадки (недостающие технологические компоненты осадки могут определяться посредством технологических испытаний и контролироваться в ходе мониторинга); тем самым становится возможным на практике обеспечить соблюдение интегрального критерия по ограничению всей совокупности дополнительных осадок соседней застройки.
9. Обеспечение безопасности окружающей застройки при проектировании глубоких котлованов (конструкций ограждения и систем раскрепления) достигается расчетом этой застройки по двум группам предельных состояний: расчет по второй группе предельных состояний осуществляется, исходя из критерия (2), при условии сохранения природной структуры грунта (что в рамках расчетной модели характеризуется параметром начальной вязкости), а расчет по первой группе предельных состояний - в предположении полного нарушения структурных связей (чему в рамках расчетной модели соответствует минимальное значение начальной вязкости).
Список основных публикаций по теме диссертации Публикации в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России:
1. Шашкин А.Г. Учет закономерностей деформирования слабого глинистого грунта при геотехническом обосновании реконструкции
кварталов городской застройки// Основания, фундаменты и механика грунтов. М.:1998, № 4-5. С.23-27.
2. Шашкин А.Г. Критический анализ наиболее распространенных нелинейных моделей работы грунта// Инженерная геология. М..-2010, №3. С.29-37.
3. Шашкин А.Г. Описание деформационного поведения глинистого грунта с помощью вязко-упруго-пластической модели// Инженерная геология. М..-2010, №4. С.22-32.
4. Шашкин А.Г. Использование данных инженерно-геодезических изысканий при определении реологических характеристик грунтов в основании зданий и сооружений// Инженерные изыскания. М.:2011,№2. С. 18-30.
5. Шашкин А.Г. Натурные исследования развития деформаций слабых глинистых грунтов при устройстве котлованов// Инженерная геология. М.:2011, №2. С. 18-24.
6. Шашкин А.Г. Основы расчета подземных сооружений в условиях городской застройки на слабых глинистых фунтах// Жилищное строительство. М.:2011, №6. С.39-46.
7. Шашкин А.Г. Оценка факторов инженерно-геологического риска для урбанизированной территории (на примере Санкт-Петербурга)// Геориск. М.:2011, №2. С.24-31.
8. Шашкин А.Г. Моделирование работы массива слабых глинистых грунтов// Основания, фундаменты и механика грунтов. М.:2011, №4. С ДО-16.
9. Шашкин А.Г. Определение реологических характеристик по результатам мониторинга напряженно-деформированного состояния массива грунта и их учет при проектировании подземных сооружений// Инженерные изыскания. М.: 2011, №8. С.8-20.
10. Шашкин А.Г. Учет деформаций формоизменения при расчете оснований зданий и подземных сооружений // Жилищное строительство М.: 2011, №7. С. 17-21
11. Шашкин А.Г. Устройство подземного сооружения в условиях слабых глинистых грунтов//Жилищное строительство. М.: 2011, №8. С.16-22.
12. Шашкин А.Г. Натурные исследования напряженно-деформированного состояния и консолидации оснований сооружений комплекса защиты Санкт-Петербурга от наводнений/ А.К.Бугров, А.В.Голли, С.Н.Кураев, И.А.Пирогов, А.Г.Шашкин //Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 1997. № 1. С.2-9.
13. Шашкин А.Г. Расчет осадок зданий и сооружений на слабых глинистых грунтах с учетом деформаций сдвига во времени/ М.А.Лучкин, В.М.Улицкий, А.Г.Шашкин, К.ГЛПашкин // Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 2007. № 2. С. 13-17.
14. Шашкин А.Г. Геотехническое обоснование сложных технологий реконструкции зданий на слабых грунтах/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин //Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 1997. № 3 . С.3-8.
15. Шашкин А.Г. Научное сопровождение сложной реконструкции зданий и сооружений/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин // Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 2005. № 5. С.7-11.
16. Шашкин А.Г. Геотехнический мониторинг при сложной реконструкции на слабых грунтах/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин, Л.М.Глозман, А.М.Вяземский // Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 1999. № 5. С.15-18.
17. Шашкин А.Г. Натурные исследования как основа для разработки методологии расчета напряженно-деформированного состояния массива грунта при устройстве подземных сооружений/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин // Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 2011, №4. С.2-9.
Монографии:
18. Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин// М.: Изд. АСВ, 1999. 327с.
19. Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение развития городов/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г.Шашкин // СПб: Изд. «Стройиздат Северо-Запад», «Геореконструкция», 2010.551 с.
Статьи в журналах и материалах конференций:
20. Шашкин А.Г. Изменение строительных свойств слабых глинистых грунтов при квазистатическом нагружении// Возведение и реконструкция фундаментов на слабых грунтах: Межвуз.темат.сб.тр. Л.: ЛИСИ, 1992. С.40-46.
21. Шашкин А.Г. Исследование механических характеристик грунта в натурных условиях// Строительные свойства слабых и мерзлых грунтов, используемых в качестве оснований сооружений. Межвуз.темат.сб.тр. Л.: ЛИСИ, 1992. С.25-31.
22. Шашкин А.Г. Поведение слабого глинистого грунта при квазистатическом нагружении// Тр. IV российской конф. по нелинейной механике грунтов. СПб, 1993. Т.1. С.13-18.
23. Шашкин А.Г. О принципе эффективных напряжений для связных грунтов// Исследования по механике строительных конструкций и материалов: Межвуз.темат.сб.тр. СПб: СПбГАСУ, 1994. С.107-112.
24. Шашкин А.Г. Слабый глинистый грунт как структурно-неустойчивая среда// Тр. российской конф. по механике грунтов и фундаментостроению. СПб: 1995. С.680-686.
25. Шашкин А.Г. Поведение структурно-неустойчивой среды при на-гружении в условиях сдвигового деформирования// Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб: 2001, №4. С.127-134.
26. Шашкин А.Г. Геотехнические критерии при проектировании сложной реконструкции и нового строительства в условиях городской застройки// Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб: 2003, №5. С.48-54.
27. Шашкин А.Г. Технология устройства подземного объема под историческим зданием (на примере Каменноостровского театра)// Геотехника. М.:2010, №5. С.18-29.
28. Шашкин А.Г. Вязко-упруго-пластическая модель поведения глинистого грунта// Развитие городов и геотехническое строительство. СПб: 2011, №13. С. 173-205.
29. Шашкин А.Г. Закономерности работы слабых глинистых грунтов при устройстве глубоких котлованов/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г.Шашкин. Приглашенная лекция // Геотехнические проблемы мегаполисов. Тр. международ, конф. по геотехнике. М.: 2010. Т.1. С.321-354.
30. Шашкин А.Г. Деформирование основания при устройстве глубоких котлованов: сравнение различных методов расчета с данными натурных наблюдений/ В.М.Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г.Шашкин, М.БЛисюк, ВЛ.Васенин // Развитие городов и геотехническое строительство. - Тр. международ, конф. по геотехнике. СПб: 2008. С.3-28.
31. Shashkin A. Undeground Construction in Cities on Soft Soils/ V.Ulitsky, A.Shashkin // Proceedings of the international geotechnical conference Development of urban areas and geotechnical engineering, Saint Petersburg, Russia, 2008. P.3-12.
32. Shashkin A. Simplified subsoil models in solution in combined subsoil-superstructure calculation problems/ V.Ulitsky, A.Shashkin, K.Shashkin // Geoecology and Computers. Rotterdam, 2000. P.363-366.
33. Shashkin A. Systematization of geological conditions for the reconstruction purpose in metropoles/ V.Ulitsky, L.Zavarzin, A.Shashkin. // Proceedings International Symposium on Engineerings Geology and the Environment (Athens, 1997). A.A.Balkema/ Rotterdam/ Brookfield/, 1997. P. 1535-1540.
34. Shashkin A.G. Design of buildings on soft soil on the basis of Soil-Structure Interaction analysis/ V.Ulitsky, A.Shashkin, K.Shashkin, M.Lisyuk // Proc. of symposium on advances in Geotechnical Engineering. 2003, Indian Institute of Technology, Kanpur, India, pp. 271-279.
35. Shashkin A. Analysis of historical monuments with respect to soil-structure interaction/ V.Ulitsky, A.Shashkin, M.Lisyuk // Proc. of the 16' International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Osaka, Japan. Volume 4.2005. P. 2769-2772.
36. Shashkin A. Geotechnical problems of reconstruction of historical cities/ V.Ulitsky, A.Shashkin, M.Lisyuk // Active Geotechnical Design in Infrastructure Development. XIII Danube-European Conf. 29-31 May, 2006. Ljubljana. Vol.1. P. 89-116.
37. Shashkin A.G. General report: Foundations in urban areas. Codes and Standards/ V.Ulitsky, A.Shashkin, K.Shashkin, M.Lisyuk // Proc. of the 14th European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Madrid, Spain. 2007. Volume 1, pp. 41-54.
38. Shashkin A.G. Reconstruction of historical monuments with with account of soil-structure interaction/ V.Ulitsky, A.Shashkin, M.Lisyuk// Proc. of the 13 th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Kolkatta, India. Volume 1, Part 2. 2007. P. 1054-1058.
39. Shashkin A.G. Deformations of soil in deep excavations: comparing calculation results with in-situ measurements/ V.Ulitsky, A.Shashkin, K.Shashkin, M.Lisyuk, V.Vasenin // Proc. of the 17 * International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Alexandria, Egypt. 2009,Volume 3, pp. 2107-2110.
40. Shashkin A. Reconstruction of Konstantinovsky Palace in a suburb of Saint Petersburg/ V.Ulitsky, A.Shashkin, K.Shashkin, M.Lisyuk // International Journal of Geoengineering Case Histories, USA. Volume 1, Issue 3.2009. P. 189-205.
РИЦ СПГГУ. 07.11.2011.3.643 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2
Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Шашкин, Алексей Георгиевич
Введение.
РАЗДЕЛ I. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ГОРОДА КАК ФАКТОРОВ РИСКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, РЕКОНСТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
1. Факторы инженерно-геологического риска для урбанизированной территории на примере Санкт-Петербурга).
1.1. Методология оценки риска.
1.2. Анализ инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга как составляющих риска для строительства.
1.3. Водонасыщенный глинистый грунт естественного сложения как дисперсная структурированная система.
1.4. Природно-техногенные процессы как фактор риска для безопасности урбанизированной территории.
Выводы по главе 1.
2. Критерии оценки риска развития деформаций оснований в проектной практике.
2.1. Развитие требований отечественных строительных норм в аспекте безопасности застройки, прилегающей к объекту строительства.
2.2. Условие ограничения дополнительных осадок городской застройки как эвристический критерий риска при новом строительстве и реконструкции.
Выводы по главе 2.
РАЗДЕЛ II. ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ СТАТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ И РАЗГРУЗКИ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
3. Исследование процесса деформирования водонасыщенных глинистых грунтов при статическом нагружении в натурных условиях.
3.1. Методика проведения комплексного натурного эксперимента.
3.2. Натурные исследования деформирования основания грунтовой дамбы.
3.2.1. Условия проведения натурного эксперимента на сооружениях защиты Санкт-Петербурга от наводнений.
3.2.2. Результаты измерения деформаций в основаниях опытных полигонов.
3.2.3. Результаты измерений тотальных напряжений в массиве грунта на опытных полигонах.
3.2.4. Результаты измерений порового давления в массиве грунта на опытных полигонах.
3.2.5. Измерения прочностных характеристик грунта.
3.3. Сравнение результатов расчета с данными длительных наблюдений за осадками зданий.
Выводы по главе 3.
4. Натурные исследования развития деформаций водонасыщенных глинистых грунтов при статической разгрузке (при устройстве глубоких котлованов).
4.1. Постановка серии натурных исследований.
4.2. Подземное сооружение на Комендантской пл.
4.2.1. Инженерно-геологические условия площадки.
4.2.2. Постановка натурных исследований.
4.2.3. Результаты натурных измерений.
4.3. Опытный котлован у Московского вокзала.
4.3.1. Инженерно-геологические условия площадки.
4.3.2. Постановка натурного эксперимента.
4.3.3. Результаты натурных измерений.
4.4. Котлован подземного сооружения у пл. Восстания.
4.4.1. Инженерно-геологические условия площадки.
4.4.2. Постановка натурных исследований.
4.4.3. Результаты натурных измерений.
4.5. Комплексные натурные исследования поведения массива грунта при откопке опытного котлована у Мариинского театра.
4.5.1 Инженерно-геологические условия площадки.
4.5.2 Описание натурного эксперимента.
4.5.3 Последовательность откопки котлована.
4.5.4. Результаты натурных измерений.
4.6. Скорость развития деформаций массива грунта при откопке котлована.
Выводы по главе 4.
РАЗДЕЛ III. ВОДОНАСЫЩЕННЫЙ ГЛИНИСТЫЙ ГРУНТ КАК ВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКАЯ СРЕДА
5. Сопоставление результатов натурных наблюдений и представлений теории фильтрационной консолидации.
5.1. Границы и критерии применимости теории фильтрационной консолидации.
5.2. Анализ результатов натурных исследований с позиции теории фильтрационной консолидации.
5.2.1 Сопоставление фактической работы оснований опытных полигонов и представлений теории фильтрационной консолидации.
5.2.2 Анализ результатов длительных наблюдений за осадками зданий с позиций теории фильтрационной консолидации.
5.2.3 О штамповом и компрессионном модулях деформации.
5.2.4 Анализ вклада процесса консолидации в осадку основания при учете нелинейной зависимости коэффициента фильтрации от градиента напора.
5.2.5 Направления совершенствования методов расчета развития деформаций во времени.
5.3 Механизм поведения водонасыщенного глинистого грунта при нагружении.
Выводы по главе 5.
6. Математическое описание нелинейной работы грунта при нагружении и разгрузке.
6.1 Анализ наиболее распространенных нелинейных моделей работы грунта.
6.1.1 Идеально-упруго-пластическая модель с предельной поверхностью, описываемой критерием Кулона-Мора
6.1.2 «Шатровые» модели. Модифицированная модель Cam Clay.
6.1.3 Другие модификации модели Cam Clay.
6.1.4 Модели «с двойным упрочнением».
6.2. Проблемы расчета глубоких котлованов.
6.3 Вязкопластическое деформирование грунта.
6.3.1 Основные принципы построения феноменологической модели работы водонасыщенного глинистого грунта.
6.3.2 Решение нелинейных задач при использовании метода конечных элементов.
6.3.3 Учет фактора времени при развитии деформаций объема.
6.3.4 Развитие деформаций формоизменения во времени.
6.3.5 Определение параметров модели.
Выводы по главе 6.
7. Моделирование квазистатического нагружения и разгрузки основания с учетом вязкопластической работы грунта.
7.1 Моделирование постоянного статического нагружения.
7.1.1 Расчет деформирования во времени оснований опытных полигонов комплекса защиты г. Санкт-Петербурга от наводнений.
7.1.2 Расчет осадок зданий на территории Санкт-Петербурга.
7.2 Моделирование временных статических воздействий.
7.2.1 Моделирование штамповых испытаний.
7.2.2 Моделирование статических испытаний свай.
7.2.3 Моделирование статического зондирования грунта.
7.3 Моделирование работы массива грунта при разгрузке, обусловленной устройством глубоких котлованов.
7.3.1 Расчетный анализ деформации ограждения котлована в Берлине.
7.3.2 Расчетный анализ развития деформаций массива грунта при устройстве подземного сооружения на Комендантской пл.
7.3.3 Расчетный анализ деформаций массива грунта при устройстве опытного котлована у Московского вокзала.
7.3.4 Расчетный анализ поведения массива грунта при устройстве глубокого котлована на пл.Восстания.
7.4 Расчетный анализ поведения массива грунта при устройстве опытного котлована на площадке возле Мариинского театра.
7.4.1 Определение параметров поведения грунта для расчетов с использованием вязкопластической модели.
7.4.2 Применение численно-аналитического метода расчета.
7.4.3 Расчет с использованием вязкопластической модели грунта.
7.5. Обобщение результатов оценки параметров реологических свойств грунта по данным натурных наблюдений.
Выводы по главе 7.
РАЗДЕЛ IV. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИХ СТРОИТЕЛЬСТВА И
ЭКСПЛУАТАЦИИ
8. Методология проектирования оснований зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки.
8.1 Концепция научно-практического сопровождения строительства.
8.1.1 Составляющие научно-практического сопровождения.
8.1.2 Категории сложности объекта реконструкции и нового строительства.
8.1.3 Учет вязкопластического поведения грунта в рамках научно-практического сопровождения строительства.
8.2 Методология проектирования глубоких котлованов в условиях городской застройки.
Выводы по главе 8.
9. Примеры реализации методики проектирования глубоких котлованов в условиях городской застройки.
9.1 Устройство подземного сооружения под Каменноостровским театром.
9.1.1 Задачи, решаемые при реконструкции.
9.1.2 Инженерно-геологические условия площадки.
9.1.3 Концепция устройства подземного объема.
9.1.4 Расчетное обоснование проектного решения.
9.1.5 Результаты мониторинга.
9.2 Подземный паркинг на Почтамтской ул.
9.2.1 Задачи, решаемые при реконструкции.
9.2.2 Инженерно-геологические условия площадки.
9.2.3 Расчетное обоснование концепции устройства подземного объема.
9.2.4 Выполнение работ и результаты мониторинга.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теоретические и методологические основы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга"
Актуальность темы диссертационного исследования
Развитие крупнейших городов мира сегодня невозможно представить без освоения подземного пространства, глубокой реконструкции кварталов сложившейся городской застройки и высотного строительства, которые также связаны с устройством подземных объемов. Для Санкт-Петербурга, с его обширным историческим центром, использование подземного пространства является особенно актуальным, поскольку позволяет вдохнуть жизнь современного мегаполиса в архитектурную среду, не искажая классического облика города. До последнего времени подземное строительство в городе было представлено только тоннелями метрополитена, сооружаемыми закрытым способом. Попытки устройства глубоких котлованов в среде городской застройки чаще всего заканчивались существенным повреждением прилегающих зданий. Основной причиной неудач являлся неадекватный учет при проектировании особенностей развития деформаций водонасыщенных глинистых отложений различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации при техногенном нагру-жении и разгрузке.
Отсутствие практического опыта подземного строительства может быть компенсировано только проведением соответствующих исследований. Для водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации, природные структурные связи которых нарушаются при внешних воздействиях, наиболее репрезентативными являются натурные исследования. Особую актуальность их проведению придает отсутствие эффективной методики расчета оснований зданий и сооружений (в том числе подземных), сложенных водона-сыщенными глинистыми грунтами малой и средней степени литификации, в условиях плотной городской застройки.
В настоящее время, когда благодаря развитию вычислительной техники совместные расчеты зданий (сооружений) и оснований становятся реальной основой проектирования (что позволяет удовлетворить требованию федерального закона Э84-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»), особенно заметно, что реальная точность расчетов деформаций основания значительно ниже тех требований, которые предъявляются к расчету надземных конструкций. В проектной практике укоренилось некритичное отношение к выбору расчетных моделей и реализующих их программ, а также к результатам расчетов. Применение моделей, не апробированных для инженерно-геологических условий рассматриваемой территории и не адаптированных к особенностям региональных грунтов, является фактором риска для сооружений любого уровня сложности и фактором чрезвычайного риска для сооружений, опыт строительства которых в данном регионе отсутствует.
В связи с этим весьма актуальным представляется применение таких расчетных моделей, которые позволяют с удовлетворительной точностью описать стандартные лабораторные опыты, полевые испытания (например, штамповые) и натурные наблюдения на опытных площадках. При этом для корректного сравнения результатов расчетов и наблюдений необходимо применять такие расчетные модели, которые позволяли бы рассматривать развитие деформаций во времени.
Основное внимание зарубежных научных школ традиционно уделяется объемной составляющей деформации, развитию процессов первичной и вторичной консолидации. Отечественная школа механики грунтов всегда уделяла особое внимание построению реологических моделей, описывающих как объемное, так и сдвиговое деформирование грунта во времени. Необходимость учета реологических параметров материалов закреплена на федеральном законодательном уровне «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений» (384-ФЭ), но до сих пор не стала общепринятой практикой проектирования.
На формирование современного понимания закономерностей изменения свойств массивов грунтов под воздействием природно-техногенных факторов, связанных со строительной деятельностью человека, оказали труды таких выдающихся исследователей как H.H. Маслов, Н.Я. Денисов, Б.В. Дерягин, И.В. Попов, Е.М. Сергеев, В.А. Приклонский,
B.Д. Ломтадзе, И.М. Горькова, В.И. Осипов, В.А. Королев, В.М. Соколов, Р.Э. Дашко и др. Отличительной особенностью этих исследований является подход к грунту, прежде всего, как природному образованию, обладающему специфическими свойствами, гораздо более вариативными и неоднозначными, чем у искусственных материалов, и, вследствие этого, плохо поддающимися обобщению в рамках какого-либо универсального математического представления. На западе, начиная с трудов основоположника механики грунтов К.Терцаги, основное внимание уделялось поиску именно этого обобщения, в жертву которому иногда приносились особенности грунта как природного образования. Для ведущих представителей отечественной школы механики грунтов - таких как H.A. Цытович, В.А. Флорин, С.С. Вялов,
C.А. Роза, П.Л. Иванов, Б.И. Далматов, Ю.К. Зарецкий, З.Г. Тер-Мартиросян, М.Ю. Абелев, А.Б. Фадеев, А.К. Бугров и др. всегда было свойственно уделять большое внимание таким проявлениям специфики грунтовой среды как наличие начального градиента напора, структурная прочность, анизотропность свойств, переменность характеристик грунта в зависимости от вида, величины и интенсивности воздействия. Однако в реальной расчетной практике в настоящее время возобладали западные подходы, воплощенные в наиболее востребованных компьютерных программах. Представляется, что необходимо предпринять усилия по реализации достижений отечественной научной школы инженерной геологии и механики грунтов в современных программных продуктах, позволяющих решать актуальные задачи проектирования.
Цель исследования заключается в выявлении закономерностей и разработке методологии прогнозирования деформационного поведения оснований, сложенных водонасыщен-ными глинистыми отложениями различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации, при строительстве зданий и подземных сооружений для обеспечения безопасной эксплуатации окружающей застройки.
Основная научная идея: деформации основания, сложенного водонасыщенными глинистыми отложениями малой и средней степени литификации, при техногенных нагрузках, связанных со строительной деятельностью, в значительной мере обусловлены процессами формоизменения (деформациями сдвига), скорость которых возрастает при нарушении природных структурных связей.
Основные задачи диссертационной работы:
- анализ результатов мониторинга напряженно-деформированного состояния основания при техногенных нагрузках от зданий и сооружений на территории Санкт-Петербурга; выявление вклада процессов уплотнения и формоизменения в развитие общих деформаций основания;
- критический анализ наиболее распространенных математических моделей работы грунта и оценка границ их применимости;
- разработка математической модели работы водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации, свободной от недостатков известных моделей (в частности, от необходимости введения искусственных критериев ограничения сжимаемой толщи), которая позволяла бы рассматривать во времени не только процесс уплотнения, но и процесс формоизменения и при этом использовать параметры модели, определенные по результатам стандартных лабораторных испытаний;
- определение реологических характеристик грунтов по данным длительных натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, а также натурных исследований поведения грунтовых толщ при устройстве глубоких котлованов;
- совершенствование методологии расчета глубоких котлованов на освоенных территориях, нацеленное на обеспечение безопасности сложившейся застройки;
- разработка концепции научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в условиях распространения водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации для обеспечения безопасности городской застройки.
Объектом исследования являются водонасыщенные глинистые отложения различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации, распространенные на территории Санкт-Петербурга.
Предметом исследования является обеспечение безопасности строительства и эксплуатации зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки на водонасыщен-ных глинистых грунтах малой и средней степени литификации.
Защищаемые научные положения:
1. В инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга для обеспечения безопасной эксплуатации городской застройки, в том числе архитектурно-исторических памятников и старинных зданий, при строительстве зданий и устройстве глубоких котлованов необходимо учитывать вязкопластический характер деформаций водонасыщенных глинистых отложений различного генезиса и возраста малой и средней степени литификации при обязательном ограничении развития дополнительных деформаций земной поверхности от совокупности наиболее значимых техногенных нагрузок.
2. Деформационное поведение водонасыщенных глинистых отложений малой и/или средней степени литификации в основании зданий и сооружений определяется не только процессом фильтрационной консолидации, но в значительной степени явлением формоизменения толщи грунтов в активной зоне, интенсивность которого зависит от степени разрушения структурных связей в деформирующихся грунтах.
3. Разработанная вязкопластическая модель позволяет повысить точность прогноза деформаций оснований зданий и сооружений благодаря независимому описанию поведения водонасыщенных глинистых грунтов при уплотнении и формоизменении и учету вязкости как функции их напряженного состояния.
4. Научно-практическое сопровождение строительства и реконструкции зданий и сооружений в пределах освоенных территорий при использовании предлагаемой расчетной модели в сочетании с инженерно-геологической информацией о природе прочности и деформируемости водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации в условиях квазистатического нагружения и/или разгрузки обеспечивает безопасность функционирования эксплуатируемых зданий в процессе освоения подземного пространства мегаполиса, при этом предлагается учитывать два состояния грунтов по величине вязкости, изменяющейся от исходного значения при сохранении природных структурных связей до минимального при их нарушении.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Установлено, что деформации формоизменения вносят существенный вклад в развитие деформаций оснований зданий и сооружений (включая подземные сооружения), который необходимо учитывать в расчетах.
2. Получено математическое описание закономерностей вязкопластического деформирования водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации при техногенных квазистатических нагрузках, реализованное в вязкопластической модели, использующей стандартные испытания деформационного поведения грунтов и позволяющей с одним и тем же набором параметров моделировать существенно различающиеся по продолжительности квазистатические воздействия.
3. Предложена численная реализация вязкопластической модели, позволяющая отказаться от искусственного ограничения активной зоны и локализовать ее естественным образом, что дает возможность моделировать в рамках одной расчетной схемы взаимное влияние зданий на разнотипных фундаментах, а также зданий и глубоких котлованов.
4. Обоснована применимость предложенной модели для оснований, сложенных водо-насыщенными глинистыми грунтами малой и средней степени литификации, путем сравнения результатов прогноза с данными лабораторных и полевых испытаний грунта, а также натурных исследований оснований при техногенных нагрузках на опытных площадках.
5. Сформулирован интегральный критерий обеспечения безопасности застройки, прилегающей к площадкам строительства зданий и подземных сооружений, от всей совокупности техногенных воздействий на грунты основания, который положен в основу научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в условиях плотной городской застройки.
6. Разработана методология проектирования глубоких котлованов на урбанизированной территории, основу которой составляют расчеты конструкции ограждения и системы крепления по двум группам предельных состояний не только для обеспечения надежности этих конструкций, но и для обеспечения безопасности прилегающей застройки; для этого рассматривается два крайних случая состояния массива грунта: грунт сохраняет природную структуру (в этом случае расчет осуществляется по деформациям, с использованием интегрального критерия обеспечения безопасности соседней застройки); структурные связи в грунте нарушены (в этом случае проводится расчет по прочности соседней застройки и выбирается конструкция котлована, исключающая ее обрушение).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сравнением прогноза по предложенной методологии и данных длительных натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, а также натурных измерений напряженно-деформированного состояния грунтовой толщи вокруг опытных котлованов. Натурные измерения имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования измерений основных параметров, позволяющую контролировать достоверность результатов экспериментов. Основные теоретические и прикладные результаты работы в составе проектной документации по реальным объектам прошли государственную экспертизу и получили практическую апробацию при строительстве зданий и подземных сооружений.
Практическая значимость. В результате выполненных исследований разработана методология расчета оснований, обеспечивающая безопасность городской застройки, в том числе архитектурных и исторических памятников, при строительстве зданий и сооружений (включая подземные сооружения) в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга:
- разработаны математическая модель водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации и реализующее ее программное обеспечение, позволяющие повысить точность определения деформаций оснований зданий и сооружений по сравнению с инженерными методами и распространенными численными моделями, а также выполнить прогноз их развития во времени, учитывая реальную продолжительность каждого этапа строительства, что позволяет принимать проектные решения, обеспечивающие безопасность прилегающей застройки;
- выполнена верификация математической модели на предмет соответствия прогнозов результатам натурных исследований водонасыщенных глинистых грунтов;
- предложена методология проектирования глубоких котлованов, позволяющая свести к минимуму риски подземного строительства, осуществляемого открытым способом в условиях плотной городской застройки и при этом оптимизировать затраты на мероприятия, обеспечивающие ее безопасность;
- сформирована концепция научно-практического сопровождения нового строительства и реконструкции в среде плотной городской застройки на водонасыщенных глинистых грунтах малой и средней степени литификации, содержащая систему требований к изысканиям, обследованиям, расчетам, проектированию и мониторингу, реализованных в ТСН 50302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений. Санкт-Петербург».
Реализация результатов исследования. На основе предложенного подхода к проектированию зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки на водонасыщенных глинистых грунтах и расчетов с применением вязкопластической модели спроектированы и успешно построены или реконструированы десятки объектов в Санкт-Петербурге. Среди них можно назвать Каменноостровский театр с развитым подземным объемом под историческим зданием (проект удостоен золотой медали на международной реставрационной выставке в Лейпциге); бизнес-центр на Почтамтской ул. с трехэтажным подземным паркингом, вплотную примыкающим к соседней застройке; концертный зал Мариинского театра, вписанный в среду сложившейся городской застройки и сохранивший исторические фасады, за которыми спрятаны конструкции современного здания; подземную часть Константиновского дворца в Стрельне, которая была спасена от разрушения и преобразована в парадный вестибюль для входа со стороны Нижнего парка с увеличением габаритов подземного пространства; коммерческий комплекс на Владимирском пр., 19, встроенный между соседними историческими зданиями, при этом были сохранены фасады лицевого строения и пр. В качестве основы действующих в Санкт-Петербурге территориальных норм по проектированию фундаментов предложенная концепция научно-практического сопровождения стала обязательной для исполнения всеми участниками строительного процесса. Об эффективности концепции свидетельствует включение ее основных элементов в новую редакцию СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений».
Апробация работы. Результаты исследований доложены на многих международных конференциях, среди которых следует, прежде всего, назвать конференции, проводимые Международным обществом по механике грунтов и геотехническому строительству (ISS-MGE) в Неаполе (1996), Афинах (1997), Гамбурге (1997), Роттердаме (2000), Пассау (2002), Осаке (2005), Любляне (2006), Мадриде (2007), Александрии (2009), Санкт-Петербурге (2003;2005; 2008), Москве (2010), Бомбее (2010), на ежегодных российских конференциях в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (19902010), ПНИИИС (2008, 2009, 2010), на Герсевановских чтениях в НИИОСП им. Н.М. Герсе-ванова и РОМГГиФ (1998, 2011).
Публикации. По материалам исследований, обобщенных в настоящей работе, опубликовано 69 работ, в том числе две монографии (Москва, 1999; Санкт-Петербург, 2010); 17 публикаций напечатаны в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобр-науки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, объединенных в 4 раздела, основных выводов, списка литературы и приложения. Она имеет объем 399 страниц печатного текста, включая приложение на 44 страницах, 251 рисунок и 58 таблиц. Список литературы включает 295 наименований, в том числе 66 на иностранных языках.
Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Шашкин, Алексей Георгиевич
Основные выводы
1. Наиболее значимым фактором риска для существующей застройки на территории Санкт-Петербурга является воздействие природно-техногенных процессов, обусловленных строительной деятельностью, приводящих к нарушению природных структурных связей в водонасыщенных глинистых отложениях малой и средней степени литификации. Количественную оценку риска можно представить в виде интегрального критерия ограничения дополнительных деформаций соседней застройки (2), который лежит в основе предложенной концепции научно-практического сопровождения.
2. Деформации зданий и сооружений, возведенных на водонасыщенных глинистых грунтах, обусловлены не только процессом уплотнения, но и процессом формоизменения, который во многих практических случаях имеет определяющее значение. Для корректного прогноза изменения напряженно-деформированного состояния водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации при техногенном нагружении необходимо применять модели с независимым описанием их поведения при уплотнении и формоизменении. В предложенной вязкопластической модели набор зависимостей объемных деформаций и деформаций формоизменения соответственно от объемного тензора и девиатора напряжений полностью определяет вектор пластической деформации при заданном приращении напряжений.
3. Деформациям формоизменения, как и деформациям уплотнения свойственно развитие во времени, причем скорость деформаций сдвига тем выше, чем в большей степени нарушена структура грунта по отношению к природному сложению. Вязкопластическая модель грунта рассматривает развитие во времени не только деформаций уплотнения, но и деформаций формоизменения. Объемные деформации определяются соотношениями фильтрационной консолидации (имеющей ограниченное значение вследствие проявления градиента начала фильтрационной консолидации), а скорость развития деформаций формоизменения описывается с помощью переменного коэффициента вязкости.
4. Параметр вязкости определяется путем обратного анализа данных натурных наблюдений. Для водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации, характерных для территории Санкт-Петербурга, по результатам анализа натурных наблюдений определены значения параметра начальной вязкости для грунтов природного сложения и при нарушении структурных связей в результате воздействий, обусловленных строительной деятельностью. Все остальные параметры предложенной расчетной модели определяются из стандартных лабораторных испытаний.
5. Статистический анализ расчетов осадок зданий, за которыми велись длительные геодезические измерения, свидетельствует о том, что при использовании предложенной модели ошибка в определении осадок зданий в Санкт-Петербурге снижается до 10%. Сравнение результатов натурных исследований глубоких котлованов и расчетов с применением предложенной модели демонстрирует удовлетворительную точность в описании развития деформаций основания с учетом фактора времени, что позволяет использовать эту модель для расчета подземных сооружений, в том числе в условиях плотной городской застройки.
6. Описание реологических свойств водонасыщенных глинистых отложений малой и средней степени литификации с помощью переменной вязкости, убывающей до минимума по мере возрастания сдвигающих напряжений, позволяет отобразить в рамках расчетной модели с одним и тем же набором параметров, описывающих поведение грунта, различные по продолжительности квазистатические воздействия: проявление эффектов медленного развития деформаций основания при небольших сдвигающих напряжениях (что характерно для зданий, претерпевающих осадки в течение десятилетий), более интенсивного развития деформаций при возрастании напряжений сдвига (что имеет место при устройстве глубоких котлованов) и быстрого разрушения при напряжениях на пределе прочности (что свойственно таким относительно быстрым процессам, как осадки сваи или штампа при испытании, технологическим процессам при изготовлении свай и пр.).
7. Предложенная расчетная модель грунта автоматически, естественным образом локализует активную зону в основании зданий и сооружений, чему способствует интенсивное затухание с глубиной объемных деформаций и деформаций сдвига соответственно при уменьшении градиента напора и девиатора напряжений, в связи с чем исчезает необходимость в ее искусственном ограничении и появляется возможность моделировать в рамках одной расчетной схемы взаимное влияние зданий на разнотипных фундаментах, а также зданий и глубоких котлованов.
8. Научно-практическое сопровождение нового строительства или реконструкции на урбанизированной территории благодаря применению вязкопластической модели становится эффективным инструментом по обеспечению безопасности соседней застройки, поскольку позволяет расчетным путем определить статические составляющие дополнительной осадки (недостающие технологические компоненты осадки могут определяться посредством технологических испытаний и контролироваться в ходе мониторинга); тем самым становится возможным на практике обеспечить соблюдение интегрального критерия по ограничению всей совокупности дополнительных осадок соседней застройки.
9. Обеспечение безопасности окружающей застройки при проектировании глубоких котлованов (конструкций ограждения и систем раскрепления) достигается расчетом этой застройки по двум группам предельных состояний: расчет по второй группе предельных состояний осуществляется, исходя из критерия (2), при условии сохранения природной структуры грунта (что в рамках расчетной модели характеризуется параметром начальной вязкости), а расчет по первой группе предельных состояний - в предположении полного нарушения структурных связей (чему в рамках расчетной модели соответствует минимальное значение начальной вязкости).
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Шашкин, Алексей Георгиевич, Санкт-Петербург
1. Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные глинистые грунты как основания сооружений. - М.: Стройиздат, 1973. 288 с.
2. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских зданий на слабых водо-насыщенных грунтах. -М.: Стройиздат, 1983. 247 с.
3. Агишев И.А. Зависимость между пористостью и модулем деформации, установленная полевыми испытаниями грунтов. Научно-технический бюллетень «Основания и фундаменты». М.: Гос. изд-во по строит, материалам. 1957, №20.С.24-27.
4. Антонов В.В. Гидрогеологические критерии обоснования ограничений на освоение территории Санкт-Петербурга. Школа экологической геологии и рационального недропользования. СПб: 2004. С.71-77.
5. Арье А.Г. К вопросу о существовании начального градиента фильтрации. Формирование подземных вод как основа гидрогеологических прогнозов: Материалы 1 Всесоюзной гидрогеологической конференции. -М.: Наука, 1982. Т.1. С.131-138.
6. Арье А.Г. Фильтрация жидкости в горных породах с учетом фазового взаимодействия. Исследование фильтрации через глинистые породы: Сб.науч.тр. - М.: 1983. С.58-64.
7. Бондаренко Н.Ф. Физика движения подземных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 215 с.
8. Бондаренко Н.Ф., Нерпин C.B. Соотношение между сдвиговой прочностью жидкостей в объеме и граничных слоях. Поверхностные силы в тонких пленках и дисперсных системах. М.:Наука, 1972. С.281-289.
9. Бондарик Г.К. Методика определения прочности глинистых пород. М.: Недра, 1974.
10. Брандль X. Разрушение глубокого котлована в условиях городской застройки. Развитие городов и геотехническое строительство. СПб: 2008, №12. С.170-179.
11. Бугров А. К. О решении смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 1974, №6. С.20-23.
12. Бугров А.К. О применении неассоциированого закона пластического течения в смешенной задаче теории упругости и теории пластичности. JL: Тр. ЛПИ, 1976, №354. С.43-49.
13. Бугров А.К., Голубев А.И. Анизотропные грунты и основания сооружений. СПб: Недра, 1993. 245 с.
14. Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. Л.: Стройиздат, 1987. 184 с.
15. Ван Импе В., Верастеги Флорес Р.Д. Проектирование, строительство и мониторинг насыпей на шельфе в условиях слабых грунтов. СПб.: Изд-во «Геореконструкция-Фундаментпроект», 2007. 166 с.
16. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978. 447 с.
17. Вялов С.С., Пекарская Н.К., Максимяк Р.В. О физической сущности процессов деформирования и разрушения глинистых грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: 1970, №1. С.7-9.
18. Габдрахманов Ф.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния при откопке котлованов. Автореф. дис. канд.техн.наук. Д.: ЛИСИ, 1990. 24 с.
19. Геологический атлас Санкт-Петербурга. Под науч. ред. М.А.Спиридонова СПб, 2009. 58 с.
20. Герсеванов Н.М., Полый ин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практическое приложение. М.:Стройиздат, 1948. 247 с.
21. Голли A.B. Исследование сжимаемой толщи в связных грунтах под центрально загруженными штампами. -Дисс.канд.техн.наук. Л.: ЛИСИ, 1972. 153 с.
22. Голли A.B., Парамонов В.Н., Шашкин А.Г. Фильтрационная консолидация слабых пылевато-глинистых грунтов в упруго-пластической постановке. Фундаментострое-ние и механика слабых грунтов. Межвуз.темат.сб.тр. Л.: ЛИСИ, 1988. С.90-94.
23. Гольдин А.Л. Консолидация ядра плотины с учетом мгновенных деформаций и ползучести скелета грунта. Известия ВНИИГ. Л.:1990. С.10-13.
24. Гольдин А.Л., Горелик Л.В., Нуллер Б.М. Влияние ползучести и газонасыщенности на процесс консолидации грунтов. Труды VIII Международной конф. По механике грунтов и фундаментостроению. М.: Стройиздат, 1973. С.87-95.
25. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1979. 304 с.
26. Горбунов-Посадов М.И. Метод решения смешанных задач теории упругости и теории пластичности грунтов. — М., 1971.
27. Горшков Л.К., Тулин П.К., Кикичев Н.Г. Геотехнологический и геоэкологический аспекты строительства и эксплуатации бесканальных теплопроводов в Санкт-Петербурге. Записки СПГГИ (ТУ). СПб:2007, т. 172.
28. Горшков Л.К., Трубников Н.С. Проблемы геоэкологической безопасности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. Экология и развитие общества. СПб: МА-НЭБ, 2008. Доп.вып.
29. Горькова И.М. Структурные и деформационные особенности осадочных пород различной степени уплотнения и литификации. М.: Наука, 1965. 128 с.
30. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М.:Стройиздат, 1975. 151 с.
31. Гуменский Б.М. Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве. М.-Л., Стройиздат, 1965.
32. Далматов Б.И. Расчет оснований зданий и сооружений по предельным состояниям. -Л.: Стройиздат, 1968. 142 с.
33. Далматов Б. И., Чикишев В. М. Определение осадок фундаментов с учетом изменения модуля деформации глинистого грунта в зависимости от напряженного состояния. Основания, фундаменты и механика грунтов. М.:1984, №1.
34. Далматов Б.И., Ягданова Л.П. Компрессионно-декомпрессионные свойства некоторых разновидностей глинистых грунтов. Механика грунтов, основания и фундаменты: Сб.науч.тр., № 78. Л.: ЛИСИ, 1973. С.53-57.
35. Дашко Р.Э. Инженерно-геологический анализ процесса консолидации водонасыщенных глинистых пород. Инженерная геология. М.: 1981, №1.
36. Дашко Р.Э. Основные представления о критерии начала фильтрационной консолидации водонасыщенных глинистых пород. Проектирование и строительство автомобильных дорог: Межвуз. темат. сб. тр. Л.: ЛИСИ, 1982. С. 142-159.
37. Дашко Р.Э. Теория и практика инженерно-геологического анализа и оценки водонасыщенных глинистых пород как основания сооружений. Дисс. .д-ра геол.-мин.наук. Л., 1985.
38. Дашко Р.Э. Анализ деформаций водонасыщенных глинистых грунтов в основании сооружений. Основания и фундаменты гражданских и промышленных зданий (в условиях слабых и мерзлых грунтов): Межвуз. темат. сб. тр. Л.: ЛИСИ, 1990. С. 104-113.
39. Дашко Р.Э. Геотехническая диагностика коренных глин Санкт-Петербургского региона (на примере нижнекембрииской глинистой толщи). Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб.: 2000, №1. С.95-100.
40. Дашко Р.Э., Александрова O.A. Анализ причин деформаций откоса Обводного канала между Предтеченским и Ново-Каменным мостами. Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб.: 2000, №1. С. 132-137.
41. Дашко Р.Э., Александрова O.A. Анализ причин разрушения набережных на Петровском стадионе. Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб: 2000, №2. С.88-95.
42. Дашко Р.Э., Александрова O.A., Шидловская A.B. Роль микробиоты в инженерной геологии и геоэкологии: история вопроса и результаты экспериментальных исследований. Сергеевские чтения. М.: 2004. Выпуск №6. С. 48-52.
43. Дашко Р.Э., Александрова О.Ю., Котюков П.В., Шидловская A.B. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга. Развитие городов и геотехническое строительство. СПб: 2011, №13. С.25-71.
44. Дашко Р.Э., Норова Л.П. Техногенная эволюция подземного пространства Санкт-Петербурга: причины и последствия. Записки СПГГИ (ТУ), т. 147. 2001.
45. Дашко Р.Э., Норова Л.П., Руденко Н.С. Ретроспективный анализ экологического состояния подземного пространства Санкт-Петербурга. Наука в Санкт-Петербургском горном институте. Сб.науч.тр. СПб: 1998. Выпуск 3. С. 89-100.
46. Дашко Р.Э., Шидловская A.B. Анализ причин разрушения зданий и сооружений Петропавловской крепости (Санкт-Петербург). Материалы IV межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и недропользования». СПб: 2003. С. 280-282.
47. Денисов Н.Я. О природе деформаций глинистых грунтов. М.: Речиздат, 1951. 200 с.
48. Денисов Н.Я. Природа прочности и деформации грунтов. М.: Госстрой-издат, 1972. 360 с.
49. Денисов Н.Я., Жукова В.М. Поровое давление и сопротивление сдвигу глинистых пород. Информ. материалы ВНИИ ВОДГЕО. М.: 1957. № 3. С. 3-44.
50. Дерягин Б.В. Теория взаимодействия частиц в присутствии двойных электрических слоев и агрегативной устойчивости лиофобных коллоидов и дисперсных систем. -Изв.АН СССР, сер.хим., 1937, №5.
51. Дерягин Б.В. К вопросу об определении понятия и величины расклинивающего давления и его роли в статике и кинетике тонких слоев жидкости. Коллоидный журнал, 1955. Т.17, №3. С.17-28.
52. Дерягин Б.В., Крылов H.A. Аномальные явления при течении жидкостей. Тр. совещания по вязкости жидкостей. - АН СССР. М., 1941. С.48-62.
53. Дидух Б. И. Упругопластическое деформирование грунтов: Монография. М.: Изд-во УДН, 1987. - 166 с.
54. Драновский А.Н., Фадеев А.Б. Подземные сооружения в промышленном и гражданском строительстве. Казань: изд-во КГУ, 1993.64.
-
Шашкин, Алексей Георгиевич
-
доктора геолого-минералогических наук
-
Санкт-Петербург, 2011
-
ВАК 25.00.08
- Анализ и оценка риска ущерба от последствий опасных геологических процессов на территории крупного города
- Инженерно-геологическое обеспечение наземного и подземного строительства в условиях активного техногенеза компонентов подземного пространства Приморского района Санкт-Петербурга
- Прогноз изменения инженерно-геологических условий городской инфраструктуры в криогенной зоне Западной Сибири
- Особенности применения метода инженерно-геологических аналогий при изысканиях на городских территориях
- Инженерно-геологическое обоснование строительства высотных зданий в г. Санкт-Петербурге
