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-Петербургавыявление 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 застройкидля 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 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 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 застройкеконцертный зал Мариинского театра, вписанный в среду сложившейся городской застройки и сохранивший исторические фасады, за которыми спрятаны конструкции современного зданияподземную 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 пространствакоммерческий 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 22.13 330.2011 «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 (19 902 010), 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.

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).