ГЛАВНАЯ ОБ ИНСТИТУТЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТЫ НАШИ ПРОЕКТЫ КОНТАКТЫ

Связь поведения уровней грунтовых вод с выполненными противофильтрационными мероприятиями

Связь поведения уровней грунтовых вод с выполненными противофильтрационными мероприятиями

Монахов Сергей Александрович,  инженер, СПИИ "Гидроспецпроект"

При проектировании зданий и сооружений, располагаемых в условиях городской застройки, зачастую возникает необходимость устройства глубокой подземной части, вызванная в большинстве случаев желанием наиболее эффективно использовать отведенную под строительство площадь земли. При этом в некоторых случаях глубина освоения подземного пространства, а следовательно количество и высота подземных этажей, ограничивается глубиной залегания уровней грунтовых вод. В нашей практике неоднократно встречались случаи переноса отметки низа фундаментной плиты выше уровня грунтовых вод, отказа от строительства дополнительных подземных этажей и даже отказа от строительства всего сооружения при близком залегании грунтовых вод. В большинстве случаев, причиной является распространенное мнением о катастрофических последствиях искусственного водопонижения, вызывающего дополнительные осадки грунта и связанные с этим деформации прилегающих зданий. При этом протечки воспринимаются не более как дополнительная проблема, с которой существует большое количество успешных способов борьбы. Избежать проблемы, связанной с возможными последствиями осадок от водопонижения, многим проектировщиками кажется возможным только при устройстве в качестве ограждающей конструкции котлована "стены в грунте" на всю мощность водоносного горизонта, что зачастую сводит на нет привлекательность устройства дополнительных подземных этажей. При этом лишь некоторые из них проводят прогнозирование влияния водопонижения на окружающую застройку для получения достоверной информации о последствиях строительства. Ниже приводятся расчеты для наиболее типичных случаев водопонижения в условиях плотной городской застройки, показывающие его возможные последствия, и  описание некоторых отрицательных аспектов устройства "стены в грунте".

В настоящее время наиболее часто встречающимися в городских условиях способами водопонижения являются иглофильтровое, скважинное с применением погружных насосов и открытый водоотлив, которые, в зависимости от гидрогеологических условий и требуемого понижения уровней грунтовых вод, могут применяться комбинированно или отдельно друг от друга. Помимо способа, при расчете влияния водопонижения на окружающую застройку учитывается продолжительность работы системы водопонижения и требуемая величина снижения уровней грунтовых вод, принимаемая обычно на один метр ниже отметки дна котлована. По влиянию на состояние прилегающей застройки наибольшую опасность представляют дополнительные осадки грунта, вызванные уменьшением взвешивающей силы воды. Обязательным условием минимизации влияния водопонижения является правильный проектный выбор и расчет конструкции водоприемных устройств и параметров фильтровой обсыпки, а также точное выполнение проекта на строительной площадке.

Ограждающие конструкции, по влиянию на форму депрессионной кривой от действия системы водопонижения, можно разделить на два типа: влияющие и не влияющие. Во влияющих конструкциях можно выделить подтип исключающих влияние водопонижения.

Согласно приведенной типизации к не влияющим можно отнести стенки выполняемые "забиркой", и не доведенные до водоупора "стены в грунте", при их использовании водопонизительные скважины можно располагать за периметром котлована, так как обычно это более удобно с точки зрения производства работ.

Ограждения из металлического шпунта или соприкасающихся свай при полном перекрытии водоносного горизонта становятся фильтрационным барьером, поэтому они относятся к влияющему типу ограждений. Водопонизительные скважины при использовании этого типа ограждений всегда располагаются внутри котлована, так как при этом легче достигается требуемое понижение, и при качественном выполнении работ, значительно уменьшается радиус и влияние водопонижения на окружающую застройку.

Расчет положения уровней грунтовых вод при водопонижении наиболее точно производится при помощи компьютерного моделирования, позволяющего построить карту разницы естественных и пониженных уровней в пределах всей рассматриваемой области. При этом количество скважин, их производительность и расположение определяются из условия недопущения недо- или перепонижения уровней грунтовых вод. При сильном снижении уровней грунтовых вод за пределами ограждения, необходимо также предусмотреть плавный (поэтапный) запуск системы водопонижения в работу, а затем не менее плавное отключение. В противном случае разница осадок в пределах одного здания может превысить допустимые значения.

Максимально возможные дополнительные осадки грунта от действия водопонижения можно определять по формуле [1]:

 

где  - плотность воды; H - мощность водоносного горизонта; h - сниженный напор в расчетной точке; np - расчетная  пористость пород ; е – коэффициент пористости, полученный при изысканиях; Ep- расчетный модуль деформации грунтов.

Рассмотрим влияние водопонижения на окружающую застройку при различных типах ограждающей конструкции котлована, на примере одного из объектов в городе Москве.

На территории, прилегающей к строительной площадке, абсолютные отметки поверхности колеблются в пределах 161,20 – 161,50 м. Сверху залегают техногенные (насыпные) грунты, представленные песком, щебнем кирпича и строительным мусором. Под ними залегают флювиогляциальные пески и суглинки, которые подстилаются суглинками ледниковой морены. Подошва моренных суглинков на участке близка к горизонтальной и колеблется в пределах отметок 155,40 – 155,75 м. Под суглинками встречена водоносная толща песка общей мощностью 14,00 14,50 м. Кровля водоупорных пород представлена юрскими суглинками, толща которых вскрыта изыскательскими скважинами на глубину 4 – 5 м. Расчетный уровень грунтовых вод принимается на абсолютной отметке 154,50м, мощность водоносного горизонта Н=13,5м. Средневзвешенное значение коэффициента пористости – 0,59, расчетной пористости – 0,37, расчетного модуля деформации – 3,5 т/м2. Плотность воды принята равной – 1т/м3. Требуемое снижение уровней грунтовых вод – 2,75 м.

Расположение ближайших существующих зданий показано на рис. 1, их обследование до начала строительства сооружения показало наличие вертикальных трещин раскрытием до 12 мм и повреждения наружной штукатурки, что говорит о неудовлетворительном состоянии стен и колонн (по их наружному виду) этого строения.

Результатом проведенного моделирования работы системы водопонижения при не влияющем типе ограждающей конструкции (несовершенная "стена в грунте") и расположении скважин за пределами котлована стала карта понижений уровней грунтовых вод представленная на рис. 1. Результаты расчетов дополнительных осадок грунта под соседними зданиями приведены в таблице.

Для влияющих типов ограждений котлована был произведен подбор производительности и числа скважин, расположенных внутри контура ограждения, что позволило уменьшить суммарный дебит системы водопонижения.

Использование ограждения из соприкасающихся свай с инъекцией пространства между ними в данных гидрогеологических условиях позволило бы уменьшить падение напоров только на 20-25% рис.2.

Устройство шпунтового ограждения (типа "Ларсен") на всю мощность водоносного горизонта снизило влияние водопонижения на 70%, сильно уменьшая значения дополнительных осадок грунта под действием водопонижения.

Как видно из расчетов, максимальные дополнительные осадки должны были составить соответственно 6,10, 4,90 и 1,58 мм, при этом разница осадок в пределах одного здания не более 1,5-2,0 мм, т.е. осадки уравниваются, уменьшая тем самым вероятность деформации сооружений.

На рассмотренном объекте ограждение котлована, исходя из технологических соображений, было выполнено в виде несовершенной "стены в грунте". Скважины располагались за пределами периметра ограждения. Как уже говорилось, максимальные прогнозируемые осадки от действия водопонижения должны были составить 6,10мм. Мониторинг за прилегающими зданиями, осуществляемый в течение всего строительного периода, показал, что суммарные осадки, вызванные разработкой котлована, составили всего 4,0 мм. Никаких деформаций зданий и сооружений службой мониторинга, возглавляемой НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, замечено не было. Таким образом, мнение о том, что применение водопонижения в условиях городской застройки с использованием проницаемого типа ограждения котлована неминуемо приведет к катастрофическим деформациям прилегающих зданий, можно считать сильно преувеличенным.

К типу ограждений, исключающих влияние водопонижения, можно отнести сплошные стенки, выполненные по методу "стена в грунте", полностью перекрывающие водоносный горизонт. Использование такого типа ограждений обычно необходимо, не считая конструктивных соображений, при частом переслаивании слабопроницаемых отложений или при высокой проводимости горизонта. Водопонижение, осуществляемое внутри контура совершенной "стены в грунте", практически не вызывает изменение уровней подземных вод за пределами ограждения. Однако, при сооружении "стены", в большинстве случаев, возникает так называемый "барражный эффект", проявляющийся в поднятии уровней грунтовых вод перед преградой по потоку, и снижением их за ней. В соответствии с положениями МГСН [2] это явление необходимо учитывать при проектировании такого типа ограждающей конструкции. Величина "барражного эффекта" напрямую зависит от габаритов ограждения и градиента потока грунтовых вод. Для приблизительных расчетов можно использовать следующую аналитическую зависимость [3]:

,  (2)

где Y – градиент потока, Вширина здания, м.

Ограничения применения формулы:

1.       Однородность в плане фильтрационной толщи.

2.       Перпендикулярность здания и потока грунтовых вод.

3.       Полное перекрытие зданием водоносного горизонта.

4.       Отсутствие инфильтрационного питания.

В некоторых условиях (большие габариты сооружения, высокие уровни грунтовых вод и др.) могут потребоваться дополнительные мероприятия, призванные уменьшить нарушенность гидрогеологических условий. Для этого обычно предлагается устройство песчаной подушки в основании сооружения, дренирование вдоль наружных стен или другие, ещё более сложные в техническом отношении, мероприятия.

При проектировании незамкнутой П – образной "стены в грунте" возможно создание условий формирования "ловушки" грунтовых вод. В качестве примера можно привести "входные" участки проектируемого автодорожного тоннеля в Лефортово. Здесь, как видно на рис.3, воды с водораздела свободно попадают в П-образный контур совершенной "стены в грунте" с открытой стороны, но не имея выхода с противоположной, замкнутой стороны, приводят к поднятию уровней до отметки грунтовых вод на входной части контура. А за счет наличия инфильтрационного питания вода из созданного контура начинает движение в противоположную относительно окружающего потока сторону. В данном случае отсутствие системы перепуска грунтовых вод через "стену" способно привести к поднятию уровня воды до отметок поверхности земли. В общем случае последствием может стать появление грунтовых вод на тех участках котлована, где по результатам изысканий ее не должно было быть.

Подводя итог, хотелось бы предостеречь от необдуманной замены водопроницаемых конструкций ограждения котлована на водонепроницаемые из-за близкого расположения уровней грунтовых вод. На основании имеющегося опыта можно говорить о том, что практически всегда водопонижение без осложнений осуществляется при типе ограждения, выбранном исходя из конструктивных требований. В любом случае при замене типа ограждения следует произвести расчет, анализ и сравнение последствий использования тех или иных конструкций ограждений котлована. Во многих случаях это позволит сохранить немалые денежные суммы.

 

Расчет дополнительных осадок грунта в расчетных точках

№ точки

Забирка или несовершенная "стена в грунте"

Соприкасающиеся сваи

 с инъекцией

Шпунтовое ограждение

(типа "Ларсен")

Понижение УГВ, М

Осадки DS, мм

Понижение УГВ, м

Осадки DS, мм

Понижение УГВ, м

Осадки DS,

мм

1

2,65

5,8

2,1

4,66

0,62

1,49

2

2,8

6,1

2,2

4,90

0,66

1,58

3

2,3

5,1

1,8

4,09

0,54

1,30

4

2,8

6,1

2,2

4,90

0,66

1,58

5

2,55

5,6

2,0

4,50

0,60

1,44

6

2,8

6,1

2,2

4,90

0,66

1,58

7

2,65

5,8

2,1

4,66

0,62

1,49

8

2,55

5,6

2,0

4,50

0,60

1,44

9

2,35

5,2

1,8

4,17

0,55

1,33

10

1,8

4,1

1,4

3,26

0,42

1,03