Сохранение исторических зданий в непосредственной близости от строительства: опыт компании ABT Consulting

Компания: Adviseurs in Bouwtechniek (ABT)

Продукт: Bentley PLAXIS 3D

Производитель: Bentley Systems

Поставщик: Скрытый поставщик

Challenge (Проблема)

Groninger Forum — культурный центр с библиотекой, музеями, кинотеатрами, ресторанами и барами. Построенное по заказу муниципалитета Гронингена в Нидерландах здание высотой 45 метров включает в себя два цокольных помещения, в состав которых входит 5-этажный паркинг на 390 автомобилей и одноэтажная стоянка для 1500 велосипедов.



Надземная и подземная части макета здания Groninger Forum в разрезе

Проект Groninger Forum был разработан сотрудниками амстердамской компании NL Architects. Однако они обратились в консалтинговую компанию Adviseurs in Bouwtechniek (ABT) с просьбой о проведении геотехнического анализа для проектирования глубокого котлована под строительство здания. Поместить в центр также необходимо было и парковку, причем с учетом минимизации рисков деформаций окружающего грунта. Именно один из вариантов, исследованных фирмой ABT, и привел к созданию под зданием пятиэтажной подземной парковки и примыкающей к ней одноуровневой велопарковки.

Выбранная на основе анализа система крепления котлована (глубина — 18 м, периметр — 267 м) состоит из «стен в грунте» глубокого заложения, поддерживаемых стальными распорными трубами. Для крепления на время строительства, на дно котлована была уложена плита с использованием метода заливки бетона под водой. Для удержания этой плиты от подъема гидростатическими силами использовались работающие на растяжение и на сжатие винтовые сваи Tubex (с оставляемыми в грунте стальными стволами и наконечниками после их заполнения цементным раствором) и анкеры Gewi.

Было обозначено несколько проблем, которые могли бы помешать разработке проекта подземной части здания Groninger Forum:

• Вокруг котлована на расстоянии от 2,5 до 12,5 м расположены исторические здания. Наиболее уязвимое из них было построено в 1130 году и расположено рядом с углом котлована. Ни в коем случае нельзя было допустить деформаций этих объектов. К слову, они в основном имеют фундаменты мелкого заложения, но одна из пристроек к ним выполнена на свайном фундаменте.

• На западной стороне здания уровень дневной поверхности примерно на 2,4–3,0 м выше, чем на восточной стороне.

• Существуют значительные различия в грунтовых разрезах с разных сторон котлована. С запада имеются только слои суглинков и песков, а с востока – также толща переуплотненной глины (с коэффициентами переуплотнения OCR от 2 до 3), известной в Нидерландах как Potklei. Ее мощность в среднем составляет 12 м.

• Уровень грунтовых вод на западной стороне находится на 2 м выше, чем на восточной.

• Котлован в плане также асимметричен. На западной стороне это полукруг диаметром около 36 м, а на восточной – трапеция, точнее почти прямоугольник шириной около 43 м и длиной примерно 105 м.

Решение

Для решения этих проблем компания ABT выбрала именно метод конечных элементов в трехмерной постановке для геотехнического анализа. Созданная модель в программном комплексе PLAXIS 3D позволила детальнее выполнить схематизацию различных этапов строительства котлована и проверить возможность добавления или удаления распорных труб.

При рассмотрении разных вариантов с использованием этой модели была выбрана оптимальная последовательность выемки грунта и установки распорок. В трехмерную сетку был добавлен ряд наклонных поверхностей, моделирующих откосы временных локальных выемок грунта.

Процедура ESBM при детальном моделировании выполнялась для каждой распорки с перемещением этих локальных работ с востока на запад, пока все трубы не были размещены так, как надо. Грунт, остававшийся в западной части котлована, предотвращал деформации грунтовых оснований исторических объектов на той стороне. А поэтапная установка распорок на нижнем уровне, начиная с противоположной части котлована, предотвращала деформации с восточной стороны. Если и возникали небольшие деформации, то только в непосредственной близости от места расположения очередной временной «траншеи».

В целом при технико-экономическом обосновании было определено, что осадки соседних зданий при использовании метода ESBM должны быть значительно ниже, чем при выемке грунта сразу по всей площади котлована. Причем даже если устанавливать только один нижний уровень распорок. Но все же для дополнительного снижения рисков деформаций было решено не отказываться и от использования временных верхних распорных труб.

Чтобы решить проблемы, связанные с проектированием «стен в грунте», проектная команда ABT смоделировала их с использованием пластинчатых, а не объемных элементов. Для распорок использовались балочные элементы с жесткими узлами. Для плиты, получаемой методом подводного бетонирования, применялись объемные элементы с поверхностной нагрузкой сверху, чтобы скомпенсировать гидростатическое противодавление. В реальности эта компенсация обеспечивается сваями и анкерами, которые были исключены при моделировании. Окружающий грунтовый массив моделировался с помощью модели упрочняющегося грунта Hardening Soil (HS) в полностью дренированных условиях.

Дополнительные наклонные плоскости позволили получить сетку из более чем 500 000 элементов. Расчет пересечений (соединений) между слоями грунта и строительными конструкциями, выполнявшийся в PLAXIS 3D при переключении на вкладку Mesh, занял значительное время. Но после этого само построение сетки (разбиение на элементы) было выполнено успешно и в более короткие сроки, чем при использовании традиционных методов.



Дополнительные наклонные поверхности для моделирования локальных выемок грунта

Результат

С помощью полученной в PLAXIS 3D комплексной модели, включавшей временные и постоянные конструктивные элементы и детальную поэтапность работ, команде ABT удалось оптимизировать реализацию проекта котлована глубокого заложения под строительство общественно-культурного центра Groninger Forum и обеспечить сохранность окружающих исторических зданий.

• Трехмерная модель сэкономила время команды, поскольку деформации вокруг котлована были намного меньше по углам котлована.

• Модель PLAXIS 3D дала возможность команде разработать более подробный план различных этапов строительства, что позволило добавлять и удалять стойки распорок.

• Создание сетки пересечений между стратиграфией почвы и строительными конструкциями было успешно выполнено за меньшее время, чем с использованием традиционных методов.

Преимущества продукта

Решение PLAXIS используют для многих целей, в том числе для:

• анализа осадки поверхности при прокладке тоннелей, горных работах или истощении коллекторов;

• прогнозирования неравномерной осадки зданий, прилегающих к котлованам;

• планирования устойчивости и просачивания в котлованы или бокового смещения стенок диафрагмы;

• расчета необходимого времени консолидации для рассеивания порового давления при отсутствии дренажа;

• оценки несущей способности и расчета осадки фундамента для высотных зданий, резервуаров для хранения СПГ и других конструкций.

Инжиниринговые компании и учреждения в области гражданского и геотехнического строительства полагаются на PLAXIS 3D для создания чертежей, аналогичных САПР, а также функции извлечения, пересечения, группировки и объединения в массивы для геотехнических решений в инфраструктурных проектах. PLAXIS 3D позволяет:

• Точно калибровать модели материалов.

• Легко интегрироваться с другими решениями Bentley.

• Автоматизировать задачи для повышения эффективности с помощью скриптов на Python.

• Импортировать файлы САПР для упрощения моделирования и экономии вашего времени.

• Повысить надежность с помощью библиотеки структурных моделей.

• Получить доступ к дополнительным функциональным возможностям с анализом чувствительности и изменением параметров.

Детали внедрения на сайте ROI4CIO