Содержание к диссертации
Введение
1 Геотехнические проблемы реконструкции зон исторической застройки крупных городов 18
1.1 Формирование зоны исторической застройки г. Саратова 18
1.2 Анализ основных принципов проектирования и конструктивных особенностей фундаментов зданий исторического центра г. Саратова 23
1.3 Предварительная оценка современной геотехнической ситуации исторической застройки центральной части г. Саратова 38
1.4 Основные причины усиления фундаментов и упрочнения оснований. Обоснование необходимости применения свай при реконструкции исторической застройки центральной части г. Саратова 51
1.5 Сваи, погружаемые вдавливанием: достоинства, недостатки, область применения 62
1.6 Состояние инструментальной и информационной базы геотехнического мониторинга и научного сопровождения объектов реконструкции 69
2 Геотехнический мониторинг изменений инженерно-геологической обстановки зоны исторической застройки г. Саратова при длительной эксплуатации и воздействии антропогенных факторов 75
2.1 Общая характеристика географических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий территории г. Саратова 75
2.2 Инженерно-геологические условия центральной части г. Саратова 85
2.3 Систематизация инженерно-геологической и гидрогеологической информации, геотехническое картирование территории г. Саратова 96
2.4 Организация комплексного геотехнического мониторинга зоны исторической застройки г. Саратова 104
2.5 Исследование изменений физико-механических характеристик геотехнических массивов в основании фундаментов зданий при длительной эксплуатации и подтоплении 115
3 Современное состояние проблемы применения свай, погружаемых вдавливанием, при реконструкции 140
3.1 Применение вдавливаемых свай в условиях реконструкции 140
3.2 Применение вдавливаемых свай при новом строительстве в стесненных условиях 158
3.3 Процессы, происходящие в грунтах при вдавливании сваи, «отдыхе» и передаче на нее расчётных нагрузок 174
3.4 Существующие нормативные методы расчета оснований вдавливаемых свай на действие вертикальных нагрузок 188
3.5 Обзор существующих методов оценки несущей способности свай при действии вертикальной нагрузки 192
4 Теоретические основы расчета свай, погружаемых вдавливанием, на вертикальную нагрузку 204
4.1 Напряженно-деформированное состояние грунта вокруг внедряемой в него цилиндрической сваи с коническим наконечником 204
4.2 Анализ влияния различных факторов на сопротивление свай и зондов при внедрении их в грунтовый массив 214
4.3 Напряженно-деформированное состояние грунта вокруг погруженной сваи 257
4.4 Расчет оснований вдавливаемых свай по деформациям с использованием прямых механических характеристик грунтов 269
5 Экспериментально-теоретическая проверка основных положений методики расчета вдавливаемых свай на вертикальную нагрузку 285
5.1 Исследование параметров грунтового основания, влияющих на величину расчетного сопротивления свай, погружаемых вдавливанием 285
5.1.1 Лабораторные исследования песчаных грунтов в объемном лотке полевыми методами 285
5.1.2 Натурные испытания глинистых грунтов тензометрическим зондом в режимах штампа, стабилизации и разгрузки 299
5.1.3 Натурные испытания тензометрической сваи в глинистых грунтах 306
5.2 Комплексные экспериментально-теоретические исследования оснований висячих стальных и железобетонных свай при погружении вдавливанием и воздействии осевых статических нагрузок 314
5.2.1 Исследование влияния конструкции ростверков на усилие погружения и несущую способность вдавливаемых свай 315
5.2.2 Оценка минимально необходимого усилия вдавливания свай по результатам статического зондирования 320
5.2.3 Исследование особенностей взаимодействия с основанием железобетонных и стальных свай в процессе вдавливания 323
5.3 Комплексные экспериментально-теоретические исследования оснований висячих свай после «отдыха» 331
5.3.1 Экспериментальная оценка несущей способности основания стальных и железобетонных свай после «отдыха» 331
5.3.2 Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчетов по деформациям оснований свай после «отдыха» 342
5.3.3 Численное моделирование статического нагружения сваи 349
6 Внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства 357
6.1 Совершенствование оборудования и внедрение вдавливаемых свай в практику реконструкции зданий исторической застройки г.Саратова 358
6.2 Совершенствование оборудования и внедрение вдавливаемых свай в практику нового строительства в стесненных условиях г.Саратова 377
6.3 Внедрение в практику нового строительства вдавливаемых свай повышенной удельной несущей способности 395
6.4 Внедрение разработанного метода расчета вдавливаемых свай по деформациям в практику проектирования и учебный процесс 402
6.5 Осуществление геотехнического мониторинга при проведении работ по инженерной защите исторической территории от подтопления и реконструкции уникальных объектов 410
Общие выводы по работе и основные результаты исследований 427
Список литературы 430
- Анализ основных принципов проектирования и конструктивных особенностей фундаментов зданий исторического центра г. Саратова
- Инженерно-геологические условия центральной части г. Саратова
- Процессы, происходящие в грунтах при вдавливании сваи, «отдыхе» и передаче на нее расчётных нагрузок
- Анализ влияния различных факторов на сопротивление свай и зондов при внедрении их в грунтовый массив
Введение к работе
Актуальность темы. К началу 1990-х гг. в нашей стране произошли принципиальные изменения в инвестиционной политике в области строительства. Переориентация подрядных организаций с типового строительства на свободных территориях на реконструкцию, усиление, модернизацию зданий и сооружений, новое строительство в условиях плотной городской застройки потребовали создания соответствующей нормативной базы, внедрения щадящих технологий, принципиально отличающихся от используемых при новом строительстве, разработки специализированной техники, обучения персонала и т.д. Наиболее сложные задачи возникли перед специалистами-геотехниками, т.к. реконструкция или перепрофилирование зданий связаны либо с увеличением нагрузок на основание, либо со строительством вблизи существующих зданий, сопровождаемое требованием исключения негативного влияния и сохранения исторических и архитектурных памятников, определяющих индивидуальный облик старых городов.
Анализ причин необходимости усиления фундаментов и упрочнения оснований зданий исторической застройки показывает, что самой распространенной из них является дефицит несущей способности основания, возникший, в-первую очередь, вследствие снижения его физико-механических характеристик при техногенном подтоплении. Самым перспективным способом компенсации такого дефицита может служить применение свай усиления.
При реконструкции аварийных фундаментов с нестабилизированными осадками основания важно не только уметь оценивать несущую способность свай усиления при погружении и после «отдыха», но и вычислять их осадки под расчетными нагрузками, обеспечивая совместную работу с существующими фундаментами. При этом добиваясь максимальной эффективности по грунту, сваи, как правило, заранее размещают на расстояниях, исключающих их взаимное влияние и негативное воздействие на основание реконструируемого фундамента. Следовательно, многие факторы, принципиальные при устройстве свайных фундаментов под новое строительство, в условиях реконструкции устраняются превентивными конструктивными мероприятиями и не требуют проведения специальных исследований (учет взаимного влияния и снижения несущей способности свай при работе в составе ленточных и групповых фундаментов, расчет на горизонтальную нагрузку и др.).
На основе технико-экономических сравнений, сваи, погружаемые вдавливанием, признаны для г. Саратова наиболее надежными, технологичными и эффективными по удельной несущей способности при усилении существующих и устройстве новых фундаментов в стесненных условиях. Однако частота применения такого типа свай в практике строительства значительно опережает изученность работы их грунтового основания.
В соответствии с положениями действующих норм проектирования, расчет оснований должен производиться с использованием прямых прочностных и деформационных характеристик грунтов (удельного сцепления, угла внутреннего трения, модуля деформации). Только при отсутствии таких расчетных методов временно допускается использование параметров, косвенно
отражающих взаимодействие фундаментов конкретного типа с основанием (показатель текучести глинистых грунтов, дисперсность песков и т.д.).
Для свай вдавливания методы расчета по предельным состояниям с использованием механических характеристик основания отсутствуют. Оценка их несущей способности производится, как для забивных свай, по таблицам СП 50-102-2003, несовершенство которых отмечалось многими учеными.
Вместе с тем, достоверная оценка дефицита несущей способности оснований аварийных фундаментов и принятие грамотных инженерных решений о необходимости их усиления, изучение грунтовых массивов полевыми методами, долговременный прогноз изменений напряженно-деформированного состояния исходного и усиленного оснований, научное сопровождение и геотехнический мониторинг сложных объектов реконструкции, оценка эффективности выполненных усилений и совершенствование на основе полученных экспериментально-теоретических результатов, к примеру, методов расчета свай по предельным состояниям, невозможны без создания соответствующей технической, инструментальной и информационной базы.
Поэтому наиболее актуальной задачей является создание инструментально-информационной базы экспериментально-теоретических исследований, и лишь затем - решение конкретных научных и прикладных задач. По инженерно-геологическим, геотехническим и градостроительным условиям г. Саратов достаточно типичен среди старых городов Европейской части России. Поэтому выработка на его примере общего комплексного подхода к обеспечению реконструкции исторической застройки, и решение на этой основе частной проблемы совершенствования методов расчета по деформациям свай, погружаемых вдавливанием, с последующим внедрением их в практику строительства имеет большое научное и народно-хозяйственное значение.
Связь работы с научными программами. Работа является частью комплексных научных исследований, проводимых на кафедре «Промышленное и гражданское строительство» СГТУ в рамках внутривузовской программы НИР 10В «Совершенствование методов расчета и оптимальное проектирование строительных конструкций и оснований сооружений».
Цель диссертационной работы - решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся в создании инструментально-информационной базы проведения комплексных геотехнических исследований в условиях реконструкции исторической застройки городов; всестороннем изучении взаимодействия свай, погружаемых вдавливанием, с окружающим грунтовым массивом, создании методов их расчета; внедрении полученных результатов в практику проектирования и строительства.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
Изучить особенности формирования зоны исторической застройки г. Саратова и принципы проектирования фундаментов старых зданий.
Провести анализ причин необходимости усиления фундаментов и упрочнения оснований зданий, обосновать эффективность применения свай, погружаемых вдавливанием, для сохранения ценной городской застройки.
Выполнить систематизацию инженерно-геологической, гидрогеологической и градостроительной информации, произвести геотехническое кар-
тирование и районирование территории, организовать комплексное исследование оснований лабораторными и полевыми методами, создать инструментально-информационную базу мониторинга сложных инженерных объектов.
Провести экспериментальные исследования особенностей взаимодействия с основанием стальных и железобетонных вдавливаемых свай при действии вертикальных нагрузок в различных грунтовых условиях на стадии погружения и после «отдыха», одиночных и в составе ростверков.
Разработать метод оценки сопротивления грунтов при погружении свай вдавливанием и методику расчета их оснований по деформациям на действие расчетных вертикальных нагрузок.
Произвести численное исследование напряженно-деформированного состояния основания свай, погруженных вдавливанием.
Выполнить сравнение расчетных величин, полученных теоретически, с экспериментальными данными.
Осуществить внедрение результатов исследований в практику проектирования и строительства.
Методы исследований. В работе использовались современные теоретические методы исследований: аналитический аппарат теории упругости и пластичности, численный метод конечных элементов для моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) основания, методы математической статистики для обработки данных экспериментов. В экспериментах использовались современная электронная регистрационная аппаратура и тен-зометрические приборы, стандартное оборудование для испытаний зондов, свай и грунтов лабораторными и полевыми методами. Методики экспериментальных и теоретических исследований соответствуют действующим нормам. Результаты, выводы и рекомендации, приведенные в диссертации, базируются на основных положениях механики грунтов, теории упругости и пластичности. Методы обработки, анализа и оценки полученных данных отвечают современным требованиям.
Достоверность результатов исследований подтверждается: наличием базы данных об инженерно-геологической и гидрогеологической ситуации, техническом состоянии исторической застройки г. Саратова; большим количеством модельных и натурных опытов; практикой проектирования, строительства и эксплуатации зданий, реконструированных с применением вдавливаемых свай; использованием рекомендаций нормативной и научно-технической литературы, результатов исследований других авторов; длительными наблюдениями за деформациями фундаментов в натурных условиях; хорошей сходимостью результатов теоретических исследований и данных натурных испытаний.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
Впервые сформулированы основные принципы проектирования фундаментов зданий при формировании исторической застройки г. Саратова.
На основе анализа архивных материалов и результатов собственных экспериментальных исследований прослежены изменения несущей способности оснований старых зданий в процессе длительной эксплуатации, при подтоплении, других антропогенных воздействиях, и предложена схема систематизации основных причин необходимости усиления фундаментов и уп-
рочнения оснований зданий центральной части г. Саратова.
Обоснована необходимость применения вдавливаемых свай для компенсации дефицита несущей способности фундаментов на естественном основании в условиях негативных техногенных воздействий и при реконструкции.
Выполнены сбор, анализ и систематизация геотехнической информации, составлены карты районирования г. Саратова по грунтовым условиям, создана инструментальная база мониторинга сложных инженерных объектов в виде системы глубинных реперов, осадочных марок, гидрогеологических режимных скважин и т.д., организовано комплексное исследование грунтовых оснований штампами, прессиометрами, статическим зондированием в оптимальном сочетании с современными лабораторными методами.
Экспериментально изучены в лабораторных и полевых условиях основные процессы, происходящие в основании фундаментов из стальных и железобетонных свай при их вдавливании, «отдыхе» и загружении вертикальными статическими нагрузками в песках и слабых водонасыщенных грунтах; выявлено влияние последовательности бетонирования ростверков при устройстве свайно-плитных фундаментов на несущую способность вдавливаемых свай.
На основе упруго-пластического решения осесимметричной задачи и экспериментально установленных закономерностей взаимодействия грунта со сваями, разработаны аналитический метод расчета сопротивления свай в процессе вдавливания и методика расчета оснований по деформациям на действие расчетных вертикальных нагрузок с использованием прочностных и деформационных характеристик грунтов, реализованные в виде программ для персонального компьютера.
Произведены численные исследования напряженно-деформированного состояния основания свай вдавливания и сравнение расчетных величин с экспериментальными данными, подтвердившие правильность полученных теоретических и экспериментальных зависимостей.
Усовершенствованы оборудование и технология погружения свай вдавливанием при реконструкции и в стесненных условиях.
Осуществлено применение свай, погружаемых вдавливанием, при реконструкции объектов историко-культурного наследия и новом строительстве в стесненных условиях на основе комплексного исследования грунтов лабораторными и полевыми методами.
Выполнены длительные инструментальные наблюдения за осадками объектов, фундаменты которых решены с применением методики автора.
Практическое значение работы заключается в том, что:
Созданы инструментальная и информационная базы для проведения сложных геотехнических исследований НДС оснований, испытаний грунтов современными полевыми методами, грамотного проектирования оснований и фундаментов, мониторинга и научного сопровождения объектов реконструкции и нового строительства в центральной части г. Саратова.
Материалы по систематизации инженерно-геологических, гидрогеологических, градостроительных и специальных геотехнических условий территории легли в основу разработки Рабочего проекта инженерной защиты
города от подтопления, ТЭО защиты от оползневой опасности, генплана г. Саратова.
Созданная система инструментального мониторинга деформаций оснований использована при реализации мероприятий по инженерной защите территории от подтопления, при строительстве лучевого дренажа, реконструкции ряда зданий-памятников федерального и регионального значения.
Исключено применение динамических методов устройства фундаментов в зоне исторической застройки г. Саратова. Разработаны и изготовлены десятки сваевдавливающих установок. Вдавливаемые сваи стали применяться повсеместно при новом строительстве в стесненных условиях и реконструкции фундаментов зданий, в т.ч. объектов историко-культурного наследия.
Предложенная методика оценки сопротивления грунта при вдавливании позволяет верно выбирать необходимое оборудование для погружения свай, а инженерный метод расчета свай по деформациям - прогнозировать осадки и обеспечивать совместную работу с усиливаемым фундаментом.
Разработки автора могут использоваться в аналогичных геотехнических условиях других городов, что позволит снизить стоимость и материалоемкость работ нулевого цикла при новом строительстве и реконструкции.
Реализация работы. Разработки автора представлены на международном форуме «Интерстройэкспо-2003» (СПб), включены в строительные нормы республики Беларусь РСН 69-89 «Проектирование свайных опор под трубопроводы тепловых сетей», территориальные нормы Пермской области ТСН 12-304-04 «Строительство объектов на склонах». Экономический эффект от их внедрения составил более 1 млн. руб. на объектах нового строительства Администрации г. Саратова и более 2 млн. руб. на объектах реконструкции Министерства культуры Саратовской области (в ценах 1984 г.). Результаты работы использованы также на объектах строительного комплекса г. Перми, г. Новосибирска и др.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Международных конференциях по проблемам свайного фун-даментостроения (Пермь, 1990; Минск, 1992; Саратов, 1994; Тюмень, 1996; Уфа, 1998); Международной конференции «Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство» и Международном строительном форуме «Интерстройэкспо-2003» (Санкт-Петербург, 2003); Международных научных конференциях по современным проблемам фундаментостроения (Волгоград, 2001, 2003, 2005; Пенза, 2000, 2002, 2004; Пермь, 2000; 2004; 2005; Уфа, 2006); Всероссийских научно-технических конференциях «Геотехника Поволжья» (Казань, 1986; Балаково, 1989; Тольятти, 1992), II Всесоюзном координационном совещании-семинаре по механизированной безотходной технологии возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности (Владивосток, 1988); Всеукраинских научно-технических конференциях по механике грунтов и фундаментостроению (Полтава, 1991, 1995; Одесса, 2001); VII школе-семинаре «Современные проблемы механики грунтов и охраны геологической среды» (Ростов-на-Дону, 1998); ежегодных научно-технических конференциях Саратовского (1994-2001) и Пермского (2002-2004) государственных технических университетов и др. Отдельные результаты работы (в виде 4 методических указаний) использованы в учебном про-
цессе при подготовке инженеров-строителей в СГТУ по специальности ПГС, в т.ч. специализации «Основания и фундаменты», а также в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов при чтении лекций по дисциплине «Основания и фундаменты», на занятиях по УИРС, в дипломном проектировании и в научной работе магистрантов и аспирантов кафедры.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом исследований, проводимых автором с 1988 г. по настоящее время. Постановка проблемы, формулирование цели и задач, поиск их решения путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, научные разработки и практические рекомендации, анализ полученных результатов и все выводы осуществлены автором.
На защиту выносятся:
Результаты обобщения и анализа основных принципов проектирования фундаментов при формировании исторической застройки г.Саратова, изменений несущей способности их оснований в процессе длительной эксплуатации, при подтоплении и других техногенных воздействиях, систематизация основных причин необходимости усиления фундаментов и упрочнения оснований старых зданий в современных инженерно-геологических условиях.
Результаты поиска, анализа и систематизации геотехнических материалов по территории г. Саратова в виде готовых карт и таблиц.
Результаты комплексных экспериментальных исследований взаимодействия с массивом грунта одиночных и в составе ростверка свай вдавливания при действии вертикальных нагрузок.
Система коэффициентов, устанавливающих соотношения между деформационными характеристиками, полученными различными лабораторными и полевыми методами, и методики определения прочностных характеристик грунтов для всех стадий работы свайного основания.
Методики оценки сопротивления свай в процессе погружения и расчета по деформациям оснований вдавленных свай на действие вертикальных нагрузок в глинистых грунтах.
Результаты численного моделирования взаимодействия массива грунта со сваей вдавливания при нагружении вертикальной статической нагрузкой.
Основные выводы экспериментальных и теоретических исследований и рекомендации по применению свай, погружаемых вдавливанием.
Публикации. Материал диссертации изложен в 86 печатных работах, в т.ч. 9 статьях в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 монографии и 2 нормативных документах. В автореферат включены 35 основных публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов, библиографического списка из 290 наименований и приложений. Она содержит 319 страниц основного текста, 67 таблиц, 122 иллюстрации. Общая структурная схема работы дана на рис. 1.
Анализ основных принципов проектирования и конструктивных особенностей фундаментов зданий исторического центра г. Саратова
Город Саратов находится на третьем месте в России (после гг. Москва и Санкт-Петербург) по количеству сохранившихся памятников истории, культуры, архитектуры и градостроительства. По времени основания, периоду формирования и характеру базовой застройки, численности населения, сложным инженерно-геологическим, гидрогеологическим, геотехническим условиям территории и тенденциям их изменения г. Саратов является типичным среди исторических городов Поволжья и большинства крупных городов Центрально-Европейской части России [151]. Поэтому комплекс общих проблем, с которыми сталкиваются старые города нашей страны при проведении реконструкции исторической застройки, может быть рассмотрен на примере г. Саратова.
Город Саратов был основан в 1590 г. в царствование Федора Иоанновича князем Г.О. Засекиным, заложившим ранее Самару (1586 г.) и Царицын (1589 г.), и боярином Ф.М. Туровым. Князь Г.О. Засекин стал его первым воеводой.
Свое современное местоположение на правом берегу Саратов обрел по царскому указу в 1674 г. вблизи впадения в р. Волгу устья большого, заполненного водой, оврага, получившего позднее имя первого в правобережной истории города стольника и воеводы М. Глебова, где уже находились царский рыбный городок и монастырские дворы. В числе первых строений заложен деревянный во имя Святой Троицы собор, а вокруг площади, получившей название Соборной (позднее - Старособорная, Музейная), начал формироваться центр города-крепости. Осваиваемая территория была защищена земляным валом с деревянными ограждениями и дозорными башнями (от берега Волги вдоль Глебучева оврага (ныне ул. Валовая) до ул. Октябрьской и вдоль нее - снова до Волги) (см. рис. 1.1) [152].
В этих границах Саратов оставался до середины XVIII в., а к концу века значительно вырос - его границы достигли современного парка «Липки» на севере и Белоглинского оврага на юге [152].
В 1780 г. Саратов становится губернским городом и для размещения органов управления губернией и городом строятся здания Присутственных мест, Городской думы, Дворянского собрания и др.
Первый регулярный проектный план для Саратова составлен в 1803 г. Однако уже в 1810 г. заменен другим, который также не стал исходным для нового строительства. Опустошительный пожар 1811 года, когда в городе уцелело всего 129 каменных зданий, повлек необходимость в составлении нового плана, который был высочайше утвержден 14 сентября 1812 г.
В 1813 г. город был распланирован по новому плану. Предусмотрено строительство 14 кварталов отдельных дворянских и купеческих домов, а также намечено на всю длину города - от въезда в город по Московской улице до Волги - на центральных улицах строить дома дворянские, а по боковым улицам - купеческие и мещанские. Дома проектировались преимущественно каменные, двухэтажные, крытые черепицей. Деревянные дома строились на каменном фундаменте. Все, что не украшало город, - лабазы и амбары, кожевенные и салотопенные заводы и т.п. - было вынесено за черту города. Туда же выселяли городскую бедноту, не имевшую возможности строиться по проекту [152].
Плотность населения и застройки на новых землях была невелика. Основное строительство велось в старой части города: вокруг Старособорной площади, которая по-прежнему оставалась фактическим центром, а также вдоль Московской и Царицынской улиц (от Волги).
К середине XIX века, когда основная торговля была перенесена на Верхний базар, а многие купцы переселились на Немецкую улицу (проспект Кирова), часть города вокруг Ново-Соборной площади (ныне Соборная), ограниченная современными улицами Московской, Радищева, Советской и Мирным переулком, стала приобретать роль нового административно-торгового центра.
С начала XIX века для массового жилого строительства и наиболее распространенных видов административных, хозяйственных зданий создавалось большое число «образцовых» - типовых - проектов, призванных упорядочить застройку городов и придать ей более представительный вид. Фасады домов строго регламентировались, планировка же отдавалась на волю заказчиков. «Собрание фасадов» введено в действие 31 декабря 1809 года указом «О строении домов в городах по вновь высочайше утвержденным фасадам». Альбомы рассылались для обязательного использования во все губернии. В Саратове, например, было выстроено по «образцовым» проектам на нынешних улицах Чернышевского, Мичурина, Соляной, Челюскинцев, Октябрьской и других за второе десятилетие XIX века более 300 домов. Больше всего таких зданий возведено на центральной улице города - Московской. До сих пор абсолютное большинство ее застройки - от улицы Чернышевского до Соборной - составляют «образцовые» полутора-, двух- и трехэтажные дома. По индивидуальным проектам возводились только самые значительные («опорные») здания и сооружения - соборы, гостиные дворы, крупные административные здания, а также особняки дворцового типа [252]. Например, в 1815-1826 гг. по проекту В.П. Стасова на Ново-Соборной площади возводится Александро-Невский собор.
После буржуазных реформ 1860-1870-х гг. в Саратовском крае началось бурное развитие капиталистической промышленности, торговли и коммерции. В 1871 г. открыта ветка Тамбовско-Саратовской железной дороги, связавшая Саратов с крупнейшими городами России. Все это сопровождалось интенсивным строительством жилых, общественных, административных зданий.
К концу XIX столетия Саратов превращается в крупный торгово-промышленный город и согласно переписи 1897 г. является третьим по численности населения (137 тысяч человек) среди чисто российских городов, т.е. расположенных в современных границах России [237] (см. рис. 1.2).
На рубеже веков Саратов значительно расширил свою территорию, «перешагнув» через линию железной дороги и Большую Садовую улицу. Застройка стала обходить Лысую гору, направляясь в Смирновское и Игуменское ущелья. Город растет вдоль Волги, сильно разрастаются постройки его горной части: вверх по склону Соколовой горы и по краю левого берега Глебучева оврага.
С ростом населения увеличивается плотность строительства, особенно в центральных кварталах города. Земля здесь становится дефицитной и дорогой. Высота домов из-за нехватки площадей все больше повышается: здания в три-четыре этажа вытесняют одноэтажные особняки и домики [23] (см. рис. 1.3).
Инженерно-геологические условия центральной части г. Саратова
Подъем уровня, вне зависимости от природно-климатических факторов, характерен для участков близкого залегания глинистых отложений, перекрытых маломощным чехлом рыхлых образований. При потерях используемой в хозяйственном обороте воды здесь происходит нарушение поверхностного и подземного стока и наблюдается подъем УПВ (пос. Елшанка, 6-й квартал) или образование верховодки. В пос. Елшанка образовались подтопленные участки с глубиной залегания подземных вод менее 1,0 м.
На левом склоне Глебучева оврага, в районе пересечения ул. Б. Садовая и Рахова, образовался участок с глубиной залегания УПВ менее 1,0 м. В скважинах №№ 104 и 310 среднегодовой УПВ с 1992 по 1995 гг. поднялся на 1,0 и 0,7 м соответственно. Аналогичная ситуация сложилась в районе засыпанного За-летаевского оврага, где за тот же период подъем среднегодового УПВ составил 1,38 м.
Обусловленное антропогенным влиянием близкое залегание УПВ (менее 1 м) наблюдается и в районе пос. Мирный. Зона подтопления относится к руслу оврага 1-й Гуселки и связана с повышением инфильтрационного питания после застройки на фоне низких фильтрационных свойств водовмещающих грунтов и геоморфологических особенностей местности. Общая площадь участков с отметками УПВ менее 1 м в 1992-1995 гг. возросла до 1120 га.
По результатам режимных наблюдений на 1995 г. в пределах городской территории выделяются: подтопленные площади с глубиной залегания УПВ до З м (4870 га); потенциально-подтапливаемые площади с глубиной залегания 3-5 м (3500 га) и неподтапливаемые площади с глубиной залегания УПВ более 5 м.
В результате активной градостроительной деятельности, особенно во второй половине XX века, ИГ и ГГ условия центральной части г. Саратова стали коренным образом меняться. Это привело, в том числе, к существенному ухудшению технического состояния зданий. Выполним краткий анализ сложившейся к началу XXI века геотехнической ситуации зоны исторической застройки.
Центральная часть г. Саратова расположена в пределах Волжского, Кировского, Октябрьского и Фрунзенского районов. Рельеф территории ровный. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 85-90 м (в районе железнодорожного вокзала) до 18-20 м (в районе набережной Космонавтов), снижаясь в восточном направлении (к р. Волге).
В геоморфологическом отношении территория относится к долине р. Волги и представлена комплексом надпойменных террас четвертичного возраста. Основное градостроительное значение имеет III надпойменная (хазарская) терраса среднечетвертичного возраста, протянувшаяся вдоль р. Волги полосой шириной до 5 км (почти от подножья Лысогорского массива до ул. Чернышевского) в пределах всей центральной части города. Поверхность террасы была осложнена современными оврагами, промоинами, старичными понижениями и другими формами рельефа, типичными для поверхности речных террас. В результате градостроительной деятельности мелкие формы рельефа сглажены и снивелированы, поверхность приобрела современный вид.
III надпойменная терраса р. Волги имеет выдержанное однотипное геологическое строение почти на всей площади распространения. Она врезана в глины альбского яруса нижнего отдела меловой системы, являющиеся цоколем террасы или материком. На размытой поверхности альбских глин залегают четвертичные отложения террасы, представленные суглинками, глинами с линзами и прослойками песка, гальки и гравия, относящимися к различным видам аллювиальных (речных) отложений. Здесь встречаются отложения озерных, пляжных, болотных, старичных и других фаций пойменного аллювия. Причем в верхней части разреза могут залегать грунты не только среднечетвертичного, но и верхнечетвертичного и современного возрастов, т.к. процессы осадкона-копления продолжались до современного возраста. В верхнечетвертичное и современное время эрозионными процессами часть среднечетвертичных отложений могла быть смыта и заменена отложениями более сложного генезиса, отображающими те процессы осадконакопления, которые проходили на поверхности террасы. Это могут быть отложения делювиального, пролювиального, ов-ражно-балочного и других генезисов. Четкой границы между отложениями различных генезисов, фаций и возраста в отчетах по изысканиям не отмечается, геологами эти грунты классифицируются по-разному, что приводит к большим трудностям при обобщении материалов изысканий.
В целях удобства практической работы обычно считают, что все отложения, слагающие III надпойменную террасу, относятся к среднечетвертичному возрасту и имеют аллювиальный генезис (aQnhz), без подразделения на дополнительные виды отложений и возраст.
Всю толщу среднечетвертичных отложений можно разделить на два горизонта: нижний - глинистый, представленный глинами с редкими прослойками песка (до 5 мм) и почти не имеющий гравийно-галечниковых включений, залегающий, как правило, на глубинах более 15 м, и верхний - суглинистый, представленный песчано-глинистыми отложениями с включениями до 20-40% гравия и гальки, которые нередко залегают в виде прослоев крупнообломочного материала мощностью до 15-25 см и более. Суглинистые грунты террасы -макропористые, известковистые и выше УПВ обладающие просадочными свойствами. Грунтовые условия данного района по просадочности в настоящее время относят к I типу, хотя на отдельных площадках (Музейная площадь) сохранились условия II типа. Просадочные свойства, как правило, отсутствуют на тех участках, где содержание крупнообломочного материала достигает 30-40%.
Мощность отложений зависит от положения цоколя террасы (глубины залегания нижнемеловых глин) и поверхности рельефа. От железной дороги до ул. Чапаева мощность четвертичных грунтов возрастает от 1-3 до 7-8 м, плавно увеличивается до 12-15 м в районе ул. Вольской, после чего резко возрастает за счет погружения цоколя и достигает максимума 30-40 м в районе ул. Радищева и Соборной. Далее, к ул. Чернышевского, из-за понижения рельефа мощность четвертичных отложений уменьшается до 15-25 м (см. рис.2.1).
Процессы, происходящие в грунтах при вдавливании сваи, «отдыхе» и передаче на нее расчётных нагрузок
Отмеченные особенности территории и самих зданий изначально создавали предпосылки для развития неравномерных деформаций их основания.
Осадки зданий, показанные на рисунке 2.10, связаны с преобладавшими на начало 1990-х гг. деформациями просадочности [44, 167]. Очевидно, период интенсивного подъема УПВ и вызываемых им классических просадочных деформаций закончился, УПВ на площадке стабилизировался. Однако эти деформации не являются единственными. Не останавливаясь подробно на особенностях реализации просадочных деформаций, дискуссия о характере и продолжительности которых до сих пор ведется между наиболее авторитетными в этой области специалистами (М.Ю. Абелев, Ю.А. Багдасаров, А.Г. Григорян, В.И. Крутов и др.), отметим, что обводнение просадочного основания и превращение его в массив слабого расструктурированного грунта служит лишь началом нового этапа развития осадок. Наблюдаемые с 1999 г. деформации связаны уже, в основном, с процессами фильтрационной консолидации водонасыщенного слабого суглинка под действием собственного веса и нагрузок от здания.
При стабилизации УПВ происходит и снижение амплитуды его сезонных изменений. Значительные колебания УПВ свидетельствуют о том, что его максимум не достигнут. Циклические изменения УПВ с большой амплитудой позволяют в полной мере реализоваться просадочным свойствам основания.
Из результатов ИГ изысканий на исследуемой территории следует, что УПВ в районе скв.1 достиг своего исторического максимума, а у скв.2-4 его подъем может продолжаться. О величине колебаний УПВ свидетельствует размер зоны мягкопластичных суглинков, вскрываемых скважинами в сухой летний период (июль 1999 г.) над установившимся на момент бурения УПВ. Мощности соответствующих зон составляют: скв.4 - 2,0 м; скв.2 - 1,4 м; скв.1 - 0,7 м.
Фильтрация грунтовой воды с учетом рельефа позволяла успешно осуществляться консолидации слабых текучепластичных грунтов, в которые превратились просадочные суглинки при обводнении, в первую очередь, на наиболее близких к оврагу участках. Это подтверждается результатами СЗ, показавшими, что верхняя граница слоя с возросшими параметрами начинается на глубинах 13,4-14,0 м в районе точек зондирования ТСЗ-4 - ТСЗ-6, и не вскрывается на глубинах более 15,0 м в районе ТСЗ-1. Следовательно, упрочнение основания в районе ТСЗ-4 - ТСЗ-6 произошло в большей степени, однако процессы фильтрационной консолидации будут продолжаться еще длительное время.
Исходя из полученной ИГ информации и результатов наблюдений за осадками, складывается следующая картина дальнейшего развития деформаций. Под частью здания в осях «Д-М», имеющей наибольшее заглубление фундаментов и получившей максимальные деформации (до 940 мм), просадочность основания почти полностью исчерпана и дополнительные осадки за счет ее реализации будут минимальными. Процессы фильтрационной консолидации здесь начались раньше и проходили более интенсивно, поэтому мощность слабой толщи текучепластичных грунтов меньше, чем под другими участками здания. Дальнейший подъем УПВ невозможен, т.к. уже достигнут его исторический максимум; консолидационное упрочнение основания и сопровождающие его осадки будут продолжаться длительный период, составляющий несколько десятков лет. Под частью здания в осях «1-20» сохранился слой просадочного грунта мощностью до 4,5 м. Возможности подъема УПВ и связанные с ним деформации просадочности до конца не исчерпаны. Дополнительную опасность представляют вероятные утечки из коммуникаций, проложенных в подвалах, которые могут вызвать полную реализацию просадки за счет замачивания сверху. Мощность слабого неконсолидированного грунта составляет не менее 10 м и его уплотнение будет протекать значительно дольше, чем под частью здания в осях «Д-М», в силу особенностей рельефа и большей мощности.
Таким образом, защиты от обводнения, усиления основания и фундаментов требует, в первую очередь, части зданий, получившие на сегодняшний день наименьшую осадку, в основании которых сохранился мощный слой просадочного грунта, а толща слабого суглинка имеет наибольшую величину.
Для оценки влияния методов отбора монолитов из скважин и шурфов на достоверность определения характеристик грунтов природного сложения и исследования просадочных свойств уплотненного основания непосредственно под подошвой фундаментов проведены следующие специальные исследования.
Колонковой трубой диаметром 127 мм конструкции ПриволжТИСИЗ проходились скважины с отбором монолитов минимальной высоты грунтоносами задавливаемого типа с внутренним диаметром не менее 114 мм. Осуществлялась организация шурфа № 1 размерами 1,0x2,0 м путем бурения шурфобуром диаметром 900 мм конструкции КуйбышевТИСИЗ на глубину 6,5 м за две проходки с разработкой перемычки между выработками вручную и одновременным отбором монолитов грунта природного сложения. Прочностные свойства грунтов определялись по ГОСТ 12248-96 [55] по схемам KB и НВ.
Значения физико-механических свойств суглинков ИГЭ-2 природного сложения, полученные по результатам испытаний монолитов из шурфов и скважин, а также уплотненных грунтов из-под подошвы фундаментов приведены в таблице 2.2. При обработке результатов привлекались материалы испытаний монолитов аналогичных грунтов, отобранных из шурфов на соседних площадках. В той же таблице приведены значения характеристик грунтов ИГЭ-3 природного сложения, полученные по монолитам из скважин.
Сравнивая значения плотностей при природной влажности и сухого грунта ИГЭ-2, полученные по монолитам, отобранным грунтоносом из скважин, и монолитам, вырезанным вручную из шурфов, можно заметить, что первые значения существенно выше. Следовательно, при отборе грунтоносом происходит уплотнение грунта. Значения плотности сухого грунта по скважинам равны 1,47 г/см , по шурфам - 1,26 г/см , плотности грунта природной влажности, со-ответственно, 1,82 и 1,56 г/см . Поэтому, при расчете оснований, к частным значениям плотностей грунта необходимо применять корректировочный коэффициент 0,86. Соответствующим образом изменятся и все вычисляемые характеристики (например, уменьшатся пористость и коэффициент пористости, увеличится степень влажности и т.д.). Выполненные нами эксперименты в компрессионном приборе показали, что увеличение плотности грунта естественной влажности на 15% соответствует уплотнению нагрузками 0,15-0,25 МПа.
Анализ влияния различных факторов на сопротивление свай и зондов при внедрении их в грунтовый массив
Рассмотрение принятой расчетной схемы и НДС грунта вокруг внедряемого зонда позволяет утверждать, что полученный из выражения (4.52) модуль является модулем мгновенных деформаций Е0 при быстром вытеснении упругого грунтового тела из-под острия зонда в окружающий грунтовый массив. Для несвязной среды Е0 определяется упругими свойствами частиц и практически равен модулю упругости Ее. Для водонасыщенных глинистых грунтов его величина будет определяться деформационными свойствами малосжимаемой расструктурированнои грунтовой массы с высоким поровым давлением, также близкой к упругому телу. Величина Е0 Ее может быть также получена из прессиометрических испытаний при разгрузке или из испытаний в быстром режиме от начального диаметра камеры при давлении, равном бытовому Р0, при малых изменениях давления АР и диаметра камеры Ad.
Для пояснения используемых нами в дальнейшем названий стадий на-гружения основания сваи и экспериментальных модулей деформации построен график испытаний глинистого грунта радиальным прессиометром (см рис.4.3), на котором выделены следующие характерные участки: ОА - участок свободного расширения камеры прессиометра до касания резиновой оболочкой зонда стенок скважины, выравнивания ее неровностей и дефектов, достижения природного горизонтального давления грунта Р0 в точке А; АВ - участок упругого сжатия грунта от Р0 до начального давления пластического течения РР; ВС -участок уплотнения грунта, в пределах которого вычисляются пластические ЕР или стандартные прессиометрические ЕРг модули деформации, в дальнейшем -Ер , CD - участок упругой разгрузки, позволяющий определять модуль упругих деформаций Ее по формуле Г. Ламе; СЕ - участок полной разгрузки грунта, в пределах которого вычисляются модули деформации при разгрузке Ed; EF -участок вторичного нагружения, на котором определяется модуль вторичного нагружения Er\ FC - участок уплотнения основания, аналогичный участку графика ВС; CD ; СЕ ; EF - участки графика при повторной разгрузке и повторном нагружении грунта, аналогичные соответствующим участкам CD, СЕ, EF; F G - участок, характеризующий завершение стадии уплотнения грунта и начала фазы сдвигов; GF - фаза интенсивных сдвигов и внутреннего выпора грунта, теоретически достигающая в точке G величины максимального давления Р.
Кроме проведения обычных испытаний по ГОСТ [55] радиальные прес-сиометры с резиновой камерой позволяют проводить специальные опыты на релаксацию. С помощью дополнительного устройства (крана с манометром) при любом заданном давлении фиксируется постоянный объем жидкости в камере зонда, а по манометру наблюдается падение тотальных напряжений грунта во времени. Испытания саратовских грунтов в стандартном режиме, с разгрузкой на различных стадиях и повторным нагружением, на релаксацию в пробуренных и пробитых скважинах выполнялись прессиометром Д-76 в 1981-83 гг. А.К. Чухаевым под руководством Ф.К. Лапшина [110, 288].
Покажем на основе анализа литературных источников, что, с незначительными терминологическими и количественными неточностями, модуль Е0, формирующий величину сопротивления под острием ВС сваи или конусом зонда может считаться модулем мгновенных деформаций, упругости при быстром нагружении до давления РР или модулем на начальном этапе разгрузки и определяться соответствующими экспериментальными методами.
На то, что поведение грунта при СЗ должно определяться упругими свойствами среды, указывалось еще в первых теоретических работах, посвященных этому вопросу (A. Buisman, R. Haefely, Н. Fehlmann). Например, О.М. Резников [171] при вычислении давления, действующего на конус зонда при погружении, для песчаных и глинистых грунтов в формулы подставлял величины модуля, определенные из испытаний на одноосное сжатие при разгрузке. В работе [253] З.Г. Тер-Мартиросян назвал модуль, определяемый при быстром нагружении дилатометра, модулем мгновенных (условно упругих ) деформаций Е0 Ее.
В более поздних работах в уравнениях, отражающих НДС грунта при СЗ или под концом сваи при нагружении статической нагрузкой, используется понятие модуля общих деформаций без указания его связи с экспериментальными деформационными характеристиками грунтов [16, 275, 282 и др.].
Для практического использования деформационных характеристик, вычисленных по q, необходимо установить зависимости между модулем Е0 и значениями модулей, полученных при стандартных прессиометрических (ЕР), штамповых (Es) и компрессионных испытаниях грунтов в одометре (Ес).
Поведение грунта в состоянии предельного равновесия вокруг острия сваи при достижении предельного радиального давления Р и вокруг конуса зонда при зондировании имеет сходный характер, что позволяет использовать решения, полученные по этим расчетным схемам, для установления соотношений между модулем по СЗ и другими деформационными характеристиками. На основе теоретических решений Значения коэффициентов тс для глинистых грунтов приведены в таблице 4.6. На рисунке 4.3 приводится график, поясняющий возможность получения модулей ЕР, ЕгиЕ0 по результатам испытаний грунтов прессиометром.
Проанализируем найденные значения Es и сравним соотношение между qcnEsC зависимостями других исследователей.
Предлагаемые большинством авторов зависимости между модулем деформации Е и сопротивлением под наконечником зонда qc в песках имеют вид Е — kqc и исходят из предположения, что с некоторой критической глубины, равной 10-20 диаметрам зонда, сопротивление грунта погружению зонда не зависит от глубины и диаметра зонда (критическое сопротивление грунта), а определяется только его сжимаемостью [279, 282 и др.].
Данное предположение базировалось на результатах экспериментальных исследований 1960-х гг. Ж. Керизеля, В. Ченга и др., проводивших пенетрацию крупноразмерным зондом диаметром 32 см толщи однородных песков с р от 35 до 42 и лабораторных исследованиях Ж. Керизеля плотных песков пенетрометром диаметром 45 мм (J. Kerisel [307, 308], V. Thenq [319], Т. Muromachi [313] и др.). На основании результатов опытов утверждалось, что сопротивление под острием зонда увеличивается лишь до определенной (1-3 м) глубины, а затем остается постоянным. Более поздние экспериментальные исследования не подтвердили выводов Ж. Керизеля. Установлено (R. Bellotti [300], В.П. Беляев [15], Ю.Н. Козаков [94]), что интенсивный рост сопротивлений под острием и по боковой поверхности свай (зондов) в однородных песчаных грунтах лишь несколько замедляется с глубины 2,5-3,5 м. Стабилизация значений может наступать только в плотных песках при очень больших значениях qc, что объясняется разрушением частиц грунта (D. Thomas [320]) или образованием в грунте над зонами уплотнения разгружающих сводов (В.А. Ярошенко; В.Г. Березан-цев [16]).
