В статье приведен опыт проектирования и возведения фундаментов на насыпных основаниях мощностью до 7 м в сложных инженерно-геологических условиях при строительстве зданий ледовых дворцов и сопутствующих объектов в различных регионах Республики Беларусь.
The article shows the experience of designing and constructing foundations on fills with the width up to 7 meters in complex geotechnical conditions when erecting the Ice Palaces and related projects in different parts of the Republic of Belarus.
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с основными направлениями социальной политики, определенной решениями Президента Республики Беларусь и постановлениями Правительства, в Республике Беларусь широко ведется строительство спортивных сооружений для обслуживания потребностей населения и проведения различных спортивно-развлекательных мероприятий, в том числе международного уровня [1]. Одним из главных направлений в этой области является повсеместное строительство ледовых дворцов и сопутствующих им объектов в различных регионах республики. Если ранее ледовые дворцы возводились в наиболее крупных городах Беларуси, т. е. в Минске и в областных центрах [2], то в настоящее время строительство ведется и в других городах республики.
Отличительной особенностью такого строительства зачастую являются сложные инженерно-геологические условия на строительных площадках, в том числе наличие биогенных, малопрочных и других слабых грунтов, залегающих в основании зданий и сооружений. При этом глубина залегания таких грунтов часто не позволяет осуществить устройство фундаментов ни с применением свайного варианта с прорезкой слабых грунтов, ни с их удалением и заменой, так как в этом случае фундаменты получаются очень дорогими и требуют значительных материальных, трудовых и временных затрат. В названных условиях одним из наиболее эффективных способов возведения фундаментов является применение уплотненных насыпных грунтов, а именно уплотненных песчано-гравийных и песчано-щебеночных подушек, которые перекрывают биогенные, малопрочные и слабые грунты и играют роль основного несущего грунтового слоя под фундаментами.
Исследования возможности строительства на насыпных основаниях, которые проводились РУП «Институт БелНИИС» в 1980–1990 гг. под руководством к. т. н., доцента В. Е. Сеськова, позволили обосновать и осуществить новое научное направлении в Республике Беларусь – строительство на искусственно упрочненных основаниях [3].
Суть названного направления состоит в том, что разрабатываются методы и средства инженерной подготовки (упрочнения) любых (естественных и искусственных, в том числе насыпных) грунтов, оцениваются и контролируются заданные (требуемые) улучшенные физико-механические характеристики таких грунтов и возводятся на этих упрочненных основаниях эффективные фундаменты с уменьшенными размерами и повышенной несущей способностью [4]. В рамках этого направления был разработан целый комплекс нормативных технических документов (ТНПА, пособия, СТБ и рекомендации), которые охватывают все вопросы расчета, проектирования и возведения фундаментов на принудительно упрочненных основаниях [5–16].
В качестве примеров проектирования и возведения фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях с применением уплотненных насыпных грунтов можно привести строительство ледовых дворцов в гг. Барановичи, Орше, Молодечно и Речице. Фундаменты на указанных объектах запроектированы УП «Белпромпроект» (АСО-1, начальник В. С. Баринов, главный конструктор Л. А. Аускерн) при участии РУП «Институт БелНИИС», технология устройства оснований – РУП «Институт БелНИИС».
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗДАНИЙ
Ледовый дворец с залом акробатики в г. Барановичи
Комплекс зданий Ледового дворца в г. Барановичи состоит из ряда сооружений, основными из которых являются:
– здание Ледового дворца на 2000 мест (I пусковой комплекс);
– здание специализированного зала акробатики на 360 мест (II пусковой комплекс);
– здания котельной, очистных сооружений дождевых вод, резервуаров дизельного топлива и сливного устройства (I пусковой комплекс).
Ледовый дворец запроектирован из металлического каркаса с пролетом над ледовым полем 54 м. Шаг колонн 6 м. Размеры в плане 111х72 м.
Специализированный зал акробатики также выполнен в металлоконструкциях и имеет пролет 36 м. Размеры в плане 48,0х48,6 м.
Здание котельной представляет собой сооружение с продольными несущими стенами из штучных материалов. Размеры в плане 9х12 м.
Нагрузки на фундаменты находятся в пределах: для вертикальной составляющей – 150–1950 кН, для горизонтальной составляющей – 5–55 кН и для момента – 2–105 кН×м.
Ледовый дворец спорта в г. Орше
Согласно архитектурному проекту, запроектировано одноэтажное здание эллипсообразной формы в плане с габаритными размерами 145,5х112,8 м с переменной высотой от 17 до 30 м из металлического каркаса. По краям ледовой арены предусмотрены двухэтажные пристройки в осях 1–4, 13–18 и А–В. Под зданием и полом ледовой арены – железобетонная плита. Пролет металлических ферм над ледовой ареной составляет » 78 м, шаг 6 м.
Нагрузки на фундаменты составляют: до 3235 кН – вертикальная составляющая, до 278 кН – горизонтальная составляющая, до 263 кН×м – для момента.
Спортивно-развлекательный центр в г. Молодечно
Конструктивная схема аналогична ледовому дворцу с залом акробатики в г. Барановичи, но к универсальному спортивному залу пристыковано здание бассейна с элементами аквапарка с глубиной заложения фундаментов на 3 м ниже, чем глубина заложения фундаментов универсального спортивного зала.
Ледовая арена в г. Речице
Основной объем ледовой арены размером в плане 39х66 м в осях перекрыт однопролетными (пролетом 39 м) безфасонными фермами из гнутосварных прямоугольных профилей. Шаг ферм 6 м.
К основному объему ледовой арены примыкают 1–2-этажные постройки, решенные в стальном каркасе с пролетами до 8 м.
Ориентировочные нагрузки на фундаменты составляют: до 1300 кН – вертикальная составляющая, до 40 кН – горизонтальная составляющая и до 70 кН×м – для момента.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Ледовый дворец с залом акробатики в г. Барановичи
Площадка изысканий располагается в северной части г. Барановичи на полях фильтрации ТЭЦ и территории, примыкающей к ним. Поля фильтрации разделены дамбами на карты, куда более 50 лет сбрасывалась пульпа с отходами производства ТЭЦ (песок, зола, шлаки, торфокрошка, известь), находящиеся в обводненном состоянии.
Значительная часть территории может затапливаться поверхностными водами и заболачиваться: ледовое поле, участки благоустройства. К осложняющим факторам также можно отнести наличие в основании слабозаторфованных глинистых грунтов мощностью 0,5–3,9 м и слабозаторфованных мергелей мощностью 0,7–3,5 м.
Ледовый дворец спорта в г. Орше
Основным осложняющим фактором является то, что в пятне застройки расположен бывший котлован районного Дома культуры, заполненный неуплотненными местными насыпными грунтами, остатками фундаментов, строительным мусором и другими отходами, величина которых оценивается до 25 % от всей насыпи. В процессе изысканий были выявлены также полости (пустоты) глубиной до 2,3 м.
Спортивно-развлекательный центр в г. Молодечно
Осложняющим фактором на данной строительной площадке является залегание в несущем слое оснований слабых суглинков с модулем деформации 4,0–8,0 МПа на глубине 2,5–3,5 м от существующего рельефа мощностью до 3,0 м.
Ледовая арена в г. Речице
Здесь главным осложняющим фактором является наличие в основании биогенных (заторфованных), слабых глинистых грунтов и торфов мощностью до 6,0–7,0 м, залегающих на глубине 2,0–3,0 м от поверхности рельефа.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ
На всех объектах были запроектированы столбчатые фундаменты из монолитного железобетона. Основные характеристики технического решения фундаментов следующие:
– давление по подошве фундаментов не более 0,28 МПа, оптимально – 0,25–0,27 МПа;
– глубина заложения фундаментов не более 2,5 м, оптимально – 1,8–2,3 м;
– насыпной грунт уплотненной песчаной подушки – песчаный грунт, состоящий из песка крупного, среднего, мелкого (согласно СТБ 943-93) или их смеси без глинистых частиц (масса частиц менее 0,1 мм не должна превышать 10 %);
– характеристики уплотненных песчаных грунтов под фундаментами на всю их глубину должны быть не менее: g = 17,4 кН/м3; с = 1,0 кПа; j = 34о; Е = 20,0 МПа.
Под подошвой фундаментов устраивается уплотненная щебеночная подготовка толщиной 0,10–0,15 м.
Толщина уплотненной песчаной подушки под фундаментами составила:
5,0–7,0 м – для Ледового дворца с залом акробатики в г. Барановичи;
1,0–5,0 м – для Ледового дворца спорта в г. Орше;
1,0–2,6 м – для спортивно-развлекательного центра в г. Молодечно;
0,5–1,5 м – для ледовой арены в г. Речице.
Мощность уплотненной обратной засыпки под полы и конструкции ледовых полей составляет 2,0–2,3 м.
Толщина и характеристики уплотненных подушек подбирались таким образом, чтобы обеспечить требования строительных ТНПА в части абсолютных и относительных (неравномерных) осадок фундаментов [17].
Уплотнение песчаных подушек осуществлялось вибродинамическим методом с применением виброкатков как отечественного, так и зарубежного производства (фирм «Амкодор» и «HAMM»).
Особенностью возведения уплотненного насыпного основания при строительстве спортивно-развлекательного центра в г. Молодечно явилось наличие устойчивых отрицательных температур (декабрь 2010 г. – февраль 2011 г.). Для предотвращения негативного влияния промерзания грунтов на данном объекте были применены технология немедленного уплотнения отсыпаемых грунтов по захваткам и введение в состав насыпи уплотненного слоя щебня толщиной до 0,5 м непосредственно под подошвой фундаментов.
МОНИТОРИНГ УСТРОЙСТВА ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ
В процессе отсыпки и уплотнения насыпного основания осуществлялся постоянный мониторинг в виде оперативного послойного контроля качества уплотнения отсыпаемых грунтов. Всего было выполнено около 500 точек динамического зондирования легкими забивными зондами согласно [8, 14, 15] и 45 испытаний штампом площадью 2500 см2 согласно [18].
На рис. 1–3 показаны характерные моменты строительства упомянутых ледовых дворцов.
Рис. 1. Строительство Ледового дворца с залом акробатики в г. Барановичи
Рис. 2. Строительство Ледового дворца спорта в г. Орше
Рис. 3. Строительство спортивно-развлекательного центра в г. Молодечно
ВЫВОДЫ
1 Опыт возведения фундаментов ледовых дворцов на насыпных основаниях, в том числе как в условиях большой их мощности, так и в условиях устойчивых отрицательных температур, в сложных инженерно-геологических условиях показывает, что применение этого метода позволяет эффективно вести строительство объектов любого назначения в установленные сроки согласно жестким графикам строительства.
2 В настоящее время Ледовый дворец с залом акробатики в г. Барановичи сдан в эксплуатацию (срок строительства 2 года). Ледовый дворец спорта в г. Орше находится на завершающей стадии строительства (срок строительства 2 года). Спортивно-развлекательный центр в г. Молодечно – завершено возведение фундаментов (срок строительства – 1 год). Ледовая арена в г. Речице – идет проектирование (срок строительства –1 год).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Национальная стратегия устойчивого социально-экономического развития Республики Беларусь на период до 2020 г. / Нац. комис. по устойчивому развитию Республики Беларусь; редкол.: Л. М. Александрович [и др.]. – Минск: Юнипак, 2004. – 2002 с.
2. Сеськов, В. Е. Опыт применения вибродинамического уплотнения грунтов на строительной площадке Дворца спорта в г. Могилеве и Ледового дворца в г. Минске // Архитектура и строительство. – 2007. – № 3. – С. 52–54.
3. Сеськов, В. Е. Эффективные конструкции и методы устройства оснований и фундаментов в Республике Беларусь / В. Е. Сеськов, В. Н. Лях // Строительная наука и техника. – 2005. – № 1. – С. 91–94.
4. Сеськов, В. Е. Технология уплотнения грунтов оснований зданий и сооружений вибродинамическими методами / В. Е. Сеськов, В. Н. Лях. – Минск: РУП «Институт БелНИИС», 1997. – 61 с.
5. Основания и фундаменты зданий и сооружений: СНБ 5.01.01-99. – Минск, 1999. – 36 с.
6. Проектирование и устройство оснований из насыпных, малопрочных и слабых грунтов, уплотненных вибродинамическим методом: Пособие П5-2000 к СНБ 5.01.01-99. – Минск, 2001. – 29 с.
7. Проектирование и устройство техногенных геомассивов из песчано-гравийных и щебеночных свай: Пособие П6-2000 к СНБ 5.01.01-99. – Минск, 2002. – 33 с.
8. Контроль степени уплотнения грунтов при возведении земляных сооружений: Пособие П12-2000 к СНБ 5.01.01-99. – Минск, 2002. – 62 с.
9. Земляные сооружения. Основания фундаментов. Производство работ: Пособие П16-03 к СНБ 5.01.01-99. – Минск, 2004. – 52 с.
10. Проектирование и устройство фундаментов из свай набивных с уплотненным основанием: Пособие П19-04 к СНБ 5.01.01-99. – Минск, 2006. – 88 с.
11. Фундаменты зданий и сооружений на уплотненных песчано-гравийных подушках. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-66-2007 (02250). – Минск, 2007. – 71 с.
12. Фундаменты плитные. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-67-2007 (02250). – Минск, 2008. – 136 с.
13. Основания и фундаменты зданий и сооружений на пойменно-намывных территориях. Правила проектирования и устройства: ТКП 45-5.01-76-2007 (02250). – Минск, 2008. – 32 с.
14. Зонд забивной. Технические условия: СТБ 1241-2000. – Минск, 2001. – 8 с.
15. Плотномер динамический. Технические условия: СТБ 1242-2000. – Минск, 2001. – 8 с.
16. Основания и фундаменты зданий и сооружений. Контроль качества и приемка работ. Параметры контроля и состав контролируемых показателей: СТБ 1164.0-99. – Минск, 1999. – 33 с.
17. Лях, В. Н. Фундаменты на насыпных основаниях комплекса зданий Ледового дворца в г. Барановичи / В. Н. Лях // Геотехника Беларуси: наука и практика: сб. статей Междунар. науч.-технич. конф. – Минск: БНТУ, 2008. – С. 275–285.
18. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости: ГОСТ 20276-99. – Минск, 2001. – 53 с.