Публикации »

Геотехнические проблемы строительства в центральной части города

Санкт-Петербург занимает одно из лидирующих положений по темпам строительства в современной России, и они продолжают расти. В свою очередь это порождает ряд серьезных проблем, с которыми приходится сталкиваться и считаться инженерам-строителям.

Прежде всего активное строительство во многом затруднено сложными инженерно-геологическими условиями территории центральных районов города. Для многих площадок строительства характерны большая мощность слабых водонасыщенных тиксотропных грунтов, их значительная неоднородность в плане и по глубине, по составу и по основным физико-механическим и прочностным свойствам.

По сути дела, на территории нашего города располагалось насколько древних морей, сменившихся затем ледниковым Балтийским озером. Сход последнего ледника, подъем территории и образование древнего русла р. Невы привело к отложению в верхней части основания слоев мелких и пылеватых речных песков. Они подстилаются слабыми морскими и озерно-ледниковыми отложениями, ниже которых на различных глубинах находятся моренные грунты( от 30 до 50 м). Коренные грунты, к которым относятся кембрийские глины (а именно здесь проходят основные тоннели метро), залегают еще ниже.

При производстве работ нулевого цикла в Санкт-Петербурге часто приходится учитывать свойства грунтов надморенной толщи, представленной позднеледниковыми и послеледниковыми озерными и морскими отложениями. Именно эти грунты служат основанием фундаментов мелкого заложения старых зданий, в них располагается большая часть тела свай трения в свайных фундаментах.

Для этих грунтов (при использовании их в качестве оснований) характерны следующие процессы:
а) большие, неравномерные, длительно незатухающие осадки зданий, сооружений и окружающей территории;
б) потеря устойчивости несущих слоев оснований зданий и сооружений, сложенных пылевато-глинистыми грунтами, в состоянии незавершенной консолидации или подвергшихся промерзанию-оттаиванию;
в) разрушение природной структуры грунтов при традиционных способах производства земляных работ;
г) плывунные явления при открытом водоотливе из котлованов и траншей;
д) изменение несущей способности свай вследствие развития сил отрицательного трения на участках, поднятых намытым или насыпным грунтом;
е) развитие процессов гниения торфа, органических включений в грунте и деревянных элементов подземных конструкций при понижении уровня подземных вод.

В старой части города здания получили и получают значительные осадки (вертикальные деформации), иногда много большие, чем допускаются современными техническими нормами.

Классический пример больших осадок зданий — Исаакиевский собор. Под ним было забито 24 тыс. деревянных свай длиной от 6,5 до 10,5 м, при строительстве было использовано 14 тыс. свай архитектора А. Ринальди. Несмотря на семиметровую гранитную плиту под собором (в том числе 5 м ниже уровня древней поверхности) забитые под ней сваи все равно выглядят сравнительно малыми по сравнению с размерами собора.

Сваи являются как бы продолжением плиты, а дальше? Слабые водонасыщенные надморенные грунты. Наибольший наклон собор дал в сторону Почтамтской ул. и, по результатам наблюдений профессора С. Н. Сотникова, составил 1,1 м в одну строну и 80 смв другую. Сейчас осадка продолжается со скоростью примерно 0,1–0,15 мм в год. И это более чем через 150 лет после окончания строительства.

В свое время нами был сделан анализ конструкций фундаментов и их оснований у зданий дореволюционной постройки. У 64-х зданий были обследованы ширины и длины подошвы фундамента, а затем сопоставлены величины давления по подошве с расчетным сопротивлением на грунт основания. Результаты поразили: оказалось, что для 60 % зданий на песчаном и для 40 % на пылевато-глинистом основании давление по подошве значительно превышает расчетное сопротивление основания, т. е. существенно выше, чем рекомендуется существующими нормами.

Наши предшественники тоже старались сэкономить на фундаментах — отрыть траншею поуже и меньшей глубины, а на дно траншеи или котлована положить деревянные лежни (поскольку камень для строительства был дорог, его старались использовать как можно меньше).

За последние 100–150 лет уровень грунтовых вод на территории города понизился примерно на метр, а поскольку под многими фундаментами имеются деревянные лежни (продольно уложенные под подошвой фундамента стволы лиственных и хвойных деревьев), то из-за этого они начали усиленно гнить. Это касается и деревянных свай — все чаще при обследовании мы обнаруживаем сгнившие головы свай, на которые и опираются фундаменты. Все это тоже способствует дополнительным неравномерным осадкам зданий.

Таким образом, можно сказать, что многие здания находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточно незначительных динамических воздействий и дополнительных статических нагрузок, как трещины в зданиях начинают «оживать». Это специфика центральной части города, поэтому любое вмешательство в грунты основания при существующей застройке должно вестись очень осторожно и грамотно.

Если мы посмотрим на здания у станций метрополитена, в зоне прохода наклонных эскалаторных ходов, то многие из них имеют трещины: например, на ул. Марата, Загородном и Лиговском проспектах, в Петроградском районе. Водозаборы, дренажи, глубинное водопонижение, выполняемые в толще слабых морских и озерно-ледниковых надморенных отложений, приводят к тому же.

Активное строительство в центральной части города должно не только предполагать возведение самого здания, но и обеспечить отсутствие дополнительных осадок и деформаций у соседних, окружающих его строений.

Главный принцип строительства, как и в медицине, должен быть «не навреди» — не нанести урон уже существующей застройке. В связи с этим при новом строительстве и особенно при уплотнительной застройке должны быть решены следующие задачи:
 -  первая — это обследование существующих зданий, выявление их текущего технического состояния;
 -  вторая — проектирование новых фундаментов с учетом их влияния на существующие здания;
 -  третья — выбор технологии производства работ, которая была бы пригодна как для данных геологических условий, так и принятой конструкции здания.
 
При этом ни вторая, ни третья задачи не могут быть правильно решены без полной информации по состоянию конструкций со-оружения, его фундаментов и грунтов его основания, т. е. без полного обследования реконструируемого здания и соседних при уплотнительной застройке.

Использование подземного пространства для развития инфраструктуры сдерживается сложностью решения основной проблемы — выполнения ограждающих конструкций подземного сооружения при сохранении окружающей застройки. В инженерно-геологических условиях Петербурга весьма сложными часто оказываются устройство даже одноэтажного подземного сооружения или прокладка инженерных коммуникаций на глубине 5 м от поверхности.

Чтобы избежать деформирования прилегающей застройки, следует заранее решить вопрос о необходимости превентивного усиления зданий и их фундаментов в зоне риска. При этом должно учитываться фактическое состояние основания, фундаментов и надземных конструкций зданий. Средства защиты застройки должны быть адекватны виду и интенсивности техногенного воздействия на нее. В то же время должны быть исключены или ограничены те воздействия, которые не могут быть нейтрализованы средствами дополнительной защиты существующих зданий.

В городе мы имеем достаточное количество негативных примеров. Возьмем небезызвестную всем гостиницу «Невский Палас». При ее реконструкции предполагалось изначально устроить четыре подземных этажа. Хорошо, что удалось убедить тогдашнее руководство, что таких этажей должно быть не более двух. При строительстве ограждающего котлована использовалась сравнительно новая для начала 90-х годов технология компании Bauer: устройство секущихся буронабивных свай длиной 18 м, выполняемых под защитной трубой. Для этого была приглашена зарубежная фирма. Но применение прогрессивной зарубежной технологии без учета конкретных геологических особенностей привело к тому, что два здания по Невскому проспекту и три по Стремянной улице сильно пострадали. Только сейчас решился вопрос об их частичном сносе и капитальной реконструкции. Но более десяти лет эти здания в самом центре города стояли разрушенными.

И наконец, об очень важном вопросе — полноте инженерно-геологической информации. Следует учитывать, что проектировщик никогда не пойдет на риск — запроектировать оптимальный фундамент без серьезной инженерно-геологической подосновы. Он лучше перестрахуется и запроектирует, например, длинные сваи, хотя иногда этого можно избежать. Ему за риск зарплаты не прибавят, а неприятности, вплоть до аварий, могут быть большие. Заказчик не всегда это понимает. Когда заказываются инженерно-геологические изыскания, то торгуются иногда из-за каждой скважины и ее глубины. А о том, что проектировщик из-за недостатка необходимой геологической информации и подстраховываясь вынужден зачастую запроектировать более дорогой фундамент, думают в последнюю очередь.

То же самое касается и вопросов обследования и последующего мониторинга. Затраты на эти работы во много раз меньше, чем дальнейшее устройство неоправданно дорогого фундамента.

Как показывает опыт, во время строительства здания и в первый год его эксплуатации очень полезной бывает и практика геомониторинга: регулярные наблюдения за методами производства работ нулевого цикла, осадками строящегося и соседних зданий, развитием существовавших трещин по ранее устроенным маякам и др. Геомониторинг позволяет вовремя отследить начало развития дополнительных недопустимых деформаций сооружений и принять меры по изменению технологии производства работ.

Таким образом, становится очевидно, что вопрос назначения, проектирования и устройства фундаментов должен решаться комплексно: схема сооружения, его высотность, предполагаемые полезные нагрузки, напластование и характеристики грунтов. Тогда эта задача может быть оптимально решена и имеется возможность выбора надежного и оптимального по конструкции и стоимости фундамента.

В общем, понятно, что задача эта многофакторная, и для серьезного объекта ее приходится решать каждый раз индивидуально.

Далее необходимо выбрать технологию выполнения строительных работ: устройства котлована, водоотлива, гидроизоляции, фундаментов, в том числе свайных, бетонирование плиты или ростверка и многое другое. На сегодня у нас множество различных технологий производства работ нулевого цикла, и их правильный выбор, как и строительных организаций, способных надежно их выполнить, во многом определит дальнейшую судьбы со-оружения и окружающих зданий.

Конструктор, архитектор и геотехник должны в сотрудничестве решать вопросы устройства фундаментов в наших сложных инженерно-геологических условиях. К сожалению, у многих строительных фирм нет специалистов именно по геотехнике, а их привлекать необходимо. Ведь не секрет, что многие инженеры просто боятся вопросов, связанных с основаниями и фундаментами, — слишком много факторов: до 20 характеристик различных видов грунтов, необходимость учета совместной работы сооружения и основания (с учетом их напластования), учет влияния нового строительства на окружающую застройку и т. д.

На кафедре геотехники Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (СПб ГАСУ) мы сегодня готовим специалистов с углубленным изучением вопросов в этой области науки. Специалистов такого профиля пока еще не много, поскольку не достаточно книжных знаний — необходим серьезный проектный или производственный опыт.

Сотрудники нашей кафедры приняли активное участие в выпуске специализированных норм по проектированию и устройству фундаментов в Санкт-Петербурге и пригородах — ТСН 50 -302-96, которые были дополнены в 2004 г. ТСН 50-302-2004.

В них даются рекомендации, что необходимо делать при любом новом строительстве и при устройстве фундаментов зданий или их реконструкции в центральной части города, какие требования предъявляются к инженерно-геологическим изысканиям, обследованию, проектированию, строительству и мониторингу и многое другое.

Сейчас подготовлены к изданию первые территориальные строительные нормы (ТСН) по строительству в Санкт-Петербурге зданий выше 75 м.

Эти документы мы составляли с учетом накопленного в городе опыта и учитывая специфику наших грунтовых условий. Однако таких технических документов, учитывающих новые условия строительства и современные технологии, пока еще не достаточно. Необходимо продолжать разработку нормативной технической документации различного уровня, более подробно раскрывающей эти непростые вопросы.

Автор: Р. А. Мангушев
Дата: 29.04.2006
Журнал Стройпрофиль 3-06
Рубрика: геотехнологии, фундаменты




«« назад