Вплив будівництва на гідрогеологічний режим ділянки будівництва та зменшення його негативного впливу на підошву фундаментної плити будівлі (на прикладі будівництва торгово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова та бульвару Лесі Українки в м. Києві)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, м. Київ

Вплив будівництва на гідрогеологічний режим ділянки будівництва та зменшення його негативного впливу на підошву фундаментної плити будівлі (на прикладі будівництва торгово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова та бульвару Лесі Українки в м. Києві)

Червінський Я.Й., к.т.н., Шумінський В.Д.,

к.т.н., Дмитрієв Д.А., к.т.н.

Анотація

гідрогеологічний будівництво фільтраційний фундаментний

В статті розглядаються питання впливу будівництва на гідрогеологічний режим ділянки будівництва та прилеглої території, визначення параметрів фільтраційного потоку та зменшення його негативного впливу на підошву фундаментної плити.

При проведенні будівельних робіт, особливо в умовах великого міста, необхідно враховувати можливість негативного впливу будівництва на гідрогеологічний режим прилеглої території. Ця проблема виникла в зв'язку з будівництвом багатоповерхових споруд з декількома ярусами підземних частин, в яких розміщуються супермаркети, паркінги та інше. Проектування підземних частин таких будівель необхідно виконувати таким чином, щоби, по-можливості, суттєво не впливати на рух ґрунтового потоку на прилеглій території. По периметру будинків, що проектуються, часто планують влаштування «стіни в ґрунті», яка повинна забезпечувати стійкість ґрунтової маси за межами площадки будівництва при розробці котлована и яка може бути частиною пальового фундаменту (зовнішній контур). При влаштуванні "стіни в ґрунті" необхідно визначати параметри фільтраційного потоку та можливість зменшення його впливу на підошву фундаментної плити будівлі.

В статті пропонується рішення таких задач на прикладі будівництва торгово-офісного комплексу на розі вулиці Мечнікова і бульвару Лесі Українки в м. Києві. Площадка будівництва має трикутну форму в плані. На рис.1 наведений ситуаційний план ділянки будівництва. Будівля торгово-офісного комплексу буде мати 31 поверх з трьома ярусами підземних гаражів. Орієнтовна площа будівлі складає 3 490 м2. Сумарне навантаження на основу від ваги будівлі складає не менше 98 500 т . Фундаменти будівлі пропонувалось зробити на буроін'єкційних палях і баретах з заглибленням до відмітки 102,5 м. Заглиблення паль передбачається в ґрунти київського ярусу (суглинок).

Гідрогеологічні умови ділянки характеризуються наявністю основного та тимчасового водоносних горизонтів. Породами, що вміщують воду тимчасового водоносного горизонту, є супіски, насипні ґрунти і піски. Цей водоносний горизонт має характер "верховодки". На період робіт рівні води були на глибинах від 3,0 м до 7,9 м (абсолютні відмітки від 136,40 до 146,11м).

Різка нерівномірність відміток рівня ґрунтових вод характеризується різноманітною будовою товщі четвертинних відкладень, з чередуванням супісків, суглинків і пісків, які можуть сприяти "розвантаженню" цього водоносного горизонту в основний водоносний горизонт цієї ділянки. Живлення цього горизонту відбувається за рахунок інфільтрації атмосферних опадів і витоку з водоносних комунікацій. Рівні води залежать від сезонних коливань з амплітудою 1,0 м. В періоди засухи "верховодка" може зникати.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.1 Ситуаційний план ділянки будівництва Умовні позначення: 1 - існуючий будинок; 2 - котлован

Основний водоносний горизонт відноситься до неогенових відкладень полтавської світи, які являють собою дрібні і пилуваті піски, а також піски та супіски харківського ярусу. Водоносний горизонт слабо напірний, з напором 0,2...0,4 м. На деяких ділянках водоносний горизонт безнапірний. Водоупором є суглинок київського ярусу. На час проведення досліджень зафіксовано постійний рівень підземних вод - відмітка 132,90 м.

Режим підземних вод характеризується зміною рівня, витрати, гідравлічного уклону, швидкості, температури, в'язкості, хімічного і газового складу підземних вод в часі і просторі. Розрізняють природній і порушений режим підземних вод. Природній режим ґрунтових і напірних вод - це такій режим, який обумовлено впливом різних природних факторів. Порушений режим підземних вод формується під впливом штучно утворених факторів, наприклад, відкачки підземних вод для потреби водопостачання або витоку з водоносних комунікацій, або при будівництві будівель і споруд, які утворюють перепону для руху підземних вод. В результаті вивчення режиму і балансу підземних вод визначають ряд гідрогеологічних параметрів: коефіцієнти фільтрації і водовіддачі, живлення водоносних горизонтів, екстремальні рівні, температуру і хімічний склад води, річні і багаторічні амплітуди коливань рівня поверхневих водотоків і витрати підземних вод.

Дослідження режиму підземних вод можна поділити на регіональні і спеціальні. Регіональні дослідження необхідні для встановлення загальної закономірності природного режиму водоносних горизонтів. Отримана в результаті цих досліджень інформація необхідна для складання прогнозів для різних споживачів. Прогноз природного режиму використовується при аналізі режиму підземних вод, який був порушений діяльністю людини, і може бути використаний для розрахунків при проектуванні споруд.

Спеціальні дослідження і прогнози режиму підземних вод необхідні для вирішення багатьох питань. Розрізняють прогнозування зміни природного і штучного режимів підземних вод. Прогнози природного режиму підземних вод складають для районів і водоносних горизонтів, в яких штучні зміни відсутні або непорівнянні по абсолютним значенням і по тривалості свого впливу з природними змінами.

При прогнозуванні режиму підземних вод порушеного діяльністю людини, розрізняють два випадки:

1) штучні фактори за силою дії значно перебільшують основні показники, які характеризують природні показники (великі водозабори, водозливи та ін.);

2) штучні зміни режиму не перекривають характерні риси природного режиму, а накладаються на нього.

В даному випадку розглядається другій випадок, коли на зміну режиму підземних вод впливає будівництво нового будинку. Підземна частина будинку, що проектується, прорізає товщу четвертинних відкладень. Основою фундаменту будинку є спонділова глина (київський мергель).

На рис. 2 показана карта гідроізогіпс першого горизонту підземних вод, яка була побудована за даними інженерно-геологічних вишукувань.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 2 Карта гідроізогіпс Умовні позначки: 143-абсолютна позначка РПВ С-2 - свердловина і ії номер 146,2 - абсолютна позначка свердловини

Максимальний напірний градієнт зафіксовано на ділянці між свердловиною №9 і №3 в напряму бульвару Лесі Українки. За даними інженерно-геологічних вишукувань вода біля свердловини №9 накопичується на лінзі суглинку, що перекрита насипними ґрунтами, по якій вода рухається в бік бульвару Лесі Українки. На ділянці між свердловинами №3 и №2 гідравлічний уклон спрямовано в протилежному напрямку-від свердловини №2 до свердловини №3. При даному характері залягання ґрунтів четвертинних відкладень на ділянці можна констатувати, що ґрунтові води характеризуються не стабільним режимом, який складно прогнозується. Цей режим залежить від джерел живлення - інфільтрації поверхневих вод і витоку з водоносних комунікацій (техногенні води). Будівництво торгово-офісного комплексу суттєво не змінить режиму першого водоносного горизонту, оскільки він залежить від нормальної організації відводу поверхневих вод і своєчасного виявлення та припинення витоків з водоносних комунікацій. Отже, при проектуванні інженерної підготовки ділянки будівництва необхідно:

- запроектувати свердловини для спостереження за рівнем ґрунтових вод, бажано з виводом п'єзометрів з кожного рівня підземних вод;

- передбачити заходи з організації відводу поверхневих дощових вод.

На рис. 3 показано, що водоносний елемент (пісок пилуватий) другого горизонту підземних вод близько підходить до фундаменту існуючого будинку по вул. Мечнікова, 4/1.

Будинок, що проектується, повністю прорізає товщу пісків. Тому для оцінки впливу будівництва на зміну режиму підземних вод виконувався аналіз режиму другого горизонту підземних вод. За результатами інженерно-геологічних вишукувань рівень підземних вод другого горизонту постійний (відмітка 132.9 м), що свідчить про малі швидкості і витрати фільтраційного потоку. Потужність водоносного горизонту 16...18 метрів. За приведеними даними складно встановити напрямок руху фільтраційного потоку. Виходячи з цих даних можна зробити висновок про те, що режим другого горизонту підземних вод є найбільш суттєвим для всієї території, на якій розташована ділянка будинку, що проектується.

Для аналізу впливу будівництва торгово-офісного комплексу на зміну другого горизонту підземних вод і на технічний стан існуючого будинку по вул. Мечнікова було виконано моделювання руху підземних вод. Вирішувалась задача планової фільтрації, в якій порівнювалися параметри фільтраційного потоку при умовах відсутності і наявності будинку на шляху руху фільтраційного потоку. Розрахунки виконані для ділянки 300200 м, крок сітки дискретизації - 5 м. Коефіцієнт фільтрації Кф=1,7Е-0,5 м/с.

Розрахунки виконувались за допомогою програми ASM. Програма забезпечує розрахунок двомірної (планової) фільтрації і масапереносу при наступних умовах: стаціонарні/нестаціонарні; однорідний/неоднорідний шар; шар напірний/безнапірний/ з перетіканням; ізотропний/анізотропний шар; умова

Q=const

на межах; живлення змінюється в часі і по площі; безперервне і миттєве надходження речовини в шар; постійний боковий приплив; змінне в просторі і в часі інфільтраційне живлення; безперервне або миттєве надходження забруднення; побудова траєкторій; розрахунок водного балансу.

Рис. 3 Геолого-літологічний переріз

Розрахунки виконувались в наступній послідовності:

1) Для заданих напорів на вході на ділянку і на її виході (граничні умови першого роду,

Н=const

для перепаду напору 4 метра на протилежних межах ділянки, виконувались розрахунки, в результаті яких визначено діапазон витрат на ділянці:

Q=8Е-05…8Е-08 м3/с (Q=0,006912…6,912 м3/доб.).

Витрати приведені до ширини блока дискретизації 5 метрів.

2) Для призначеного діапазону витрат виконувались розрахунки по визначенню параметрів режиму руху ґрунтових вод при відсутності і наявності перепони від будинку, що проектується. В розрахунках змінювалася величина витрати на вході на ділянку (граничні умови другого роду,

Q=const

Виконувались дві групи розрахунків, в яких призначались різні початкові значення витрат. В перший групі розрахунків початкові значення напорів

Н=const=132,9 м,

відмітка водоупору-115,0 м. В другій групі прийнято: початковий напір на вході на ділянку - 135,0 м; початковий напір на виході з ділянки - 130,2 м; відмітка водоупору-115.0 м.

При розрахунках першої групи при розрахунках для витрат Q=0,006912…6,912 м3/доб значення зміни рівня підземної води при відсутності і наявності перепони не отримано.

Рис. 4 Карта гідроізогіпс при Q=0.006912 м3/доб. Hmin=130.94 м; Hmax=134.23 м; ДH=0.20 м

На рис. 4 показана карта гідроізогіпс, яка була отримана в результаті рішення одного із випадків другої групи розрахунків.

Максимальна різниця напорів складає 0,4...0,5 мет-ра при Q=8Е-05м3/с. При фактичних значеннях витрат Q= 8Е-06...8Е 07 м3/с максимальна різни-ця напорів складає 0,10...0,15 метра.

На основі виконаних розрахунків можна зробити на-ступний висновок - будівництво торгово - офісного комплексу суттєво не змінить режим підтем-них вод, що був сформований на прилеглій території.

Наступна задача яку потрібно було вирішити - це необхідність оцінки впливу фільтраційних процесів на дно котловану, утвореного стінкою, яка виконана способом “стіна в ґрунті”.

Для оцінки цього впливу визначалися параметри фільтраційного потоку в зоні його виходу в котлован: швидкості фільтраційного потоку; фільтраційні витрати; градієнти напору. Задача вирішувалась для контактної області (в зоні контакту споруди с ґрунтом основи (рис.5)), в якій виникають найбільші градієнти і швидкості фільтраційного потоку.

Основою для обґрунтування фільтраційних параметрів потоку є наступне. Перед початком виїмки ґрунту з котловану вода знаходилася в порах ґрунту і ґрунт був в насиченому водою стані. Коли ґрунт з котловану вийняли до відмітки 121.05 м, рівень ґрунтових вод з боку підпірної стінки практично не змінився, а з боку котловану впав до відмітки дна котловану 121.05 м, утворивши напір фільтраційного потоку в бік котловану рівний 11.5 м. Під дією напору починається рух фільтраційного потоку в бік котловану, який чинить на підошву будівлі гідродинамічний тиск, величина якого становить

, (1)

де - густина води, рівна 1 т/м3;

g- прискорення вільного падіння, рівне 9.81 м/с2;

hi- величина фільтраційного напору в місці визначення гідродинамічного тиску (дивись рис.5), м.

Фільтраційний напір на відрізку 4 - 7 стіни в ґрунті hi визначається за

Рис.5 Схема до розрахунку загальної фільтраційної міцності підпірної стінки

=0,6 м (2)

де Н - напір на споруду, рівний 11.5 м;

S - довжина заглибленої частини стіни в ґрунті (відстань від точки 4 до точки 7), рівна 12.3 м;

y - товщина фундаментної плити, рівна 2 м.

Далі за формулою (1) визначаємо, що 5.89 кН/м2.

Для визначення параметрів фільтраційного потоку використовуються дві схеми. Розрахунок за методом коефіцієнтів опору Р.Р.Чугаєва та методом лінійно-контурної фільтрації (ЛКФ) в даному випадку застосовувати не можна, оскільки ці методи розроблялися з умови, що довжини горизонтальних елементів гідротехнічних споруд суттєво більші вертикальних. А в даному випадку для підпірної стінки довжини вертикальних елементів значно більші горизонтальних (довжина горизонтального елемента - 0.6 м, а вертикальних - 36.7 м).

Схема 1. Відсутність водоупору в напрямку паралельному контактним поверхням стени в ґрунті [2, 3, 4].

Схема 2. Наявність фіктивного водоупору в напрямку паралельному контактним поверхням стени в ґрунті [2, 3, 4].

Швидкості фільтраційного потоку будуть мати максимальні значення в зоні контакту стіни з ґрунтом основи по лінії 1-2-3-4-5-6-7 (рис.5).

Для першої схеми розподіл швидкостей в рівні дна котловану визначається за рівнянням

, (3)

де kф - коефіцієнт фільтрації ґрунту основи, рівний 8.64·10-5 м/доб;

H - напір на споруду, рівний 11.5 м;

S - величина заглиблення підпірної стінки у ґрунт, рівна 2 м;

x - відстань від споруди в бік котловану до точки, де визначається швидкість (0 x), рівна x=0. При цьому значенні x будемо мати максимальну швидкість.

Вихідна швидкість фільтрації на рівні дна котловану при наявності фіктивного водоупору визначається за рівнянням (схема 2)

, (4)

де T - товща ґрунту до фіктивного водоупору, рівна 3 м;

P - функція, значення якої залежать від S/T та x/T.

Питомі фільтраційні витрати при виході фільтраційного потоку в котлован, при відсутності водоупору в основі (схема 1)та при його наявності на глибині 3 м (схема 2) відповідно становлять

q1=0·V1=T· V1; (5)

q2=0·V2=T· V2. (6)

Питома фільтраційна витрата, що надходить із зовнішнього боку котловану (схема 1), дорівнює [1, 3]

, (7)

де x - відстань від підпірної стінки додатня в бік котловану і від'ємна в бік непорушеного масиву ґрунту, - x0.

Питома фільтраційна витрата , що надходить з зовнішнього боку котловану в основу підпірної стінки при наявності фіктивного водоупору (схема 2), визначається за формулою

, (8)

де k - повний еліптичний інтеграл 1-ого роду при модулі л;

- повний еліптичний інтеграл 1-ого роду при додатковому модулі

;

модуль визначається за формулою

. (9)

Загальна витрата для схем 1, 2, що буде надходити до котловану, буде відповідно рівна

Q1=q1·B; (10)

Q2=q2·B, (11)

де B- периметр котловану, м.

Час наповнення котловану водою через шар глини товщиною 2 м по двом схемам становить

, (12)

де Tk -товщина ґрунту на дні котловану, м;

V1,2 - швидкості фільтрації для схем 1 і 2, м/добу.

Для першого розрахункового випадку швидкість фільтрації дорівнює (формула 3) м/доб.

Після виконання розрахунків для другого розрахункового випадку (формула 4) и при

S/T=2/5=0.4 та при x=0 x/T=0/3=0

при цьому значенні x буде максимальна швидкість фільтраційного потоку) визначаємо, що P=0.810[1, 3]. Тоді

м/доб. Питомі фільтраційні витрати при відсутності водоупору в основі (схема 1) та при його наявності на глибині 3 м (схема 2) відповідно становлять (формули 5, 6) q1=47.4·10-5 м2/доб; q2=48.3·10-5 м2/доб.

Периметр котловану становить В=265.07 м. Тоді загальні витрати, що будуть надходити до котловану за схемами 1, 2, відповідно становлять (формули 10, 11) Q1=125.6 л/доб; Q2=128.0 л/доб.

В котловані ґрунт знаходиться в насиченому водою стані. Час наповнення котловану водою умовно визначався для випадку, коли після виїмки ґрунту в котловані нема води. При визначенні часу наповнення котловану водою суглинок, що має коефіцієнт фільтрації в 231 раз більше ніж коефіцієнт фільтрації глини, і супісок, що має коефіцієнт фільтрації в 11905 раз більше, ніж коефіцієнт фільтрації глини, не враховувався, оскільки визначальним для фільтраційних витрат і швидкостей фільтраційного потоку є глина. Тому прийняли Тк =2.0 м.

Час наповнення котловану по двом схемам становить (формула 12)

t1 =34.7 роки; t2=34.0 роки.

Під дією напору 11.5 м відбувається рух фільтраційного потоку в бік котловану із швидкістю 15.8·10-5... 16.1·10-5 м/доб, з притоком води до котловану 125.6...128.0 л/доб. Котлован наповниться водою за 34.0...34.7 роки.

Для забезпечення довгострокової надійної роботи об'єкта і зняття фільтраційного тиску на фундаментну плиту будівлі необхідно влаштувати дренаж по периметру котловану на відмітках 115.75 м з відводом води з колекторів в каналізацію відкачкою води з колодязів за допомогою насосів. В разі неможливості влаштування дренажу в фундаментній плиті будівлі необхідно виконати приямки для збору води, що фільтрується. Вони виконуються у вигляді колодязя глибиною 1,2...1,3 м в фундаментній плиті, на дні колодязя необхідно влаштовувати зворотній фільтр з піщаних ґрунтів або геотекстиля. Характер розташування ґрунтів четвертинних відкладень, на ділянці, що розглядається свідчить про те що грунтові води характеризуються нестабільним режимом, який складно прогнозувати. Цій режим залежить від “джерел” живлення - інфільтрації поверхневих вод і витоків з комунікацій (техногенні води). Результати досліджень свідчать про те ,що будівництво торгово-офісного комплексу суттєво не зминіть режиму ґрунтових вод, так як він залежить від нормальної організації відводу поверхневих вод та своєчасного виявлення та ліквідації витоків з комунікацій.

Наведені розрахунки є наближеними. Для більш точних розрахунків необхідно уточнити коефіцієнт фільтрації глини, з'ясувати про наявність водоупору і виконати фізичне (наприклад, за методом ЕГДА) або математичне моделювання. Для з'ясування притоку води до котловану і порівняння теоретичних витрат з фактичними можна зробити свердловини до глини і виконати спостереження за реальним притоком води. Також свердловини повинні бути виконані як постійні споруди, яки дозволять проводити спостереження за режимом підземних вод не тільки в період будівництва торгово-офісного комплексу, але і на протязі всієї його експлуатації. Вони повинні бути виконані з виводом п'єзометрів з кожного горизонту підземних вод. Крім цього необхідно передбачити засоби по організації відводу поверхневих вод.

Базуючись на результатах наших спостережень і дослідженнях та інших даних можна зробити наступні висновки: при будівництві необхідно досліджувати стан підземних вод для попередження негативного їх впливу на гідрологічний режим території прилеглої до ділянки будівництва; необхідно проводити оцінку впливу фільтраційних процесів на дно котловану з метою попередження їх негативного впливу; для зняття фільтраційного тиску на фундаментну плиту необхідно влаштовувати дренаж по периметру котловану з відводом води з нього, в разі неможливості влаштування дренажу в фундаментній плиті будівлі необхідно виконати приямки для збору води, що фільтрується; необхідно влаштовувати свердловини для постійного спостереження і контролю за рівнями ґрунтових вод, як в період будівництва так і на весь термін експлуатації будівлі.

Литература

1. Отчет о научно-технической работе: Влияние строительства торгово-офисного комплекса на углу улицы Мечникова и бульвара Леси Украинки на гидрологический режим участка строительства и эксплуатационные свойства зданий, прилегающих к площадке строительства.- Киев: НИИСК, 2003.

2. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. Под общей ред. доктора технических наук, проф. В.П.Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.

3. Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К. Гидротехнические сооружения. - М.: Колос, 1958. - 464с. 4. Справочник по гидротехнике. - М.: Гос. издательство литературы по строительству и архитектуре, 1955. - 828с.

Размещено на Allbest.ru