Анализ возможности увеличения нагрузок по подошве фундаментов

(по А. П. Коновалову)

Таблица 3.2

Р/R	0,2-0,3	0,31-0,4	0,41-0,5	0,51-0,6	0,61-0,7	0,71-0,8	0,81-1,0	Более 1,0
Процент зданий в Москве	5,3	9,8	15,1	21,5	18,9	15,1		8,3

Увеличение нагрузок на здания в Москве без усиления фундаментов лишь в одном случае вызвало осадку 2,8см, а в остальных случаях величина прироста осадок не превышала 1,8 - 2,2см при средней 0,9см. Аналогичные минимальные дополнительные осадки при надстройке зафиксированы Мосгоргеотрестом при наблюдении за 50 жилыми зданиями построим после 1917г.

Существенно иное соотношение Р/R (см. рис. 2.4) имеет место при реконструкции зданий на слабых грунтах. Слабые грунты Петербурга Архангельска, Риги специфичны, и реконструкция на них, связанная с увеличением нагрузки на существующие фундаменты, сложнее, чем е городах с относительно хорошими грунтами. Здесь во многих случаях не обойтись без специальных мер по усилению фундаментов, а в ряде случаев - и надземных конструкций.

Однако опыт реконструкции и надстройки зданий в Москве, Петербурге, Нижнем Новгороде, Куйбышеве и других городах свидетельствует, что передача дополнительных нагрузок на фундаменты и грунты основания возможна, если учтены особенности грунтов, сформировавшихся вследствие длительного уплотнения под нагрузкой.

Во всех случаях работы по усилению оснований и фундаментов должны быть сведены до минимума. К ним обычно прибегают, когда все меры по усилению надземных конструкций исчерпаны. Это связано со значительной трудоемкостью работ по усилению оснований и фундаментов по традиционной технологии. (Фундаменты обычно вскрываются до подошвы, что небезопасно.)

Новые технологии пока не имеют массового применения, так как находятся в стадии разработки. Не отработана также методика расчета необходимости усиления. Используются обычно простейшие инженерные приемы, не всегда пригодные в сложных случаях реконструкции.

Рассмотрим историю становления современных норм с точки зрения потребностей реконструкции. С конца 30-х гг. нормирование давлений на грунты оснований производилось в соответствии с "Нормами проектирования естественных оснований промышленных и гражданских зданий" (ОСТ 9004-38). Предельное увеличение нагрузки, при котором можно обойтись без специальных работ по усилению оснований и фундаментов, определялось по ряду условий:

• давление на уровне подошвы фундаментов после надстройки не превышает допустимые значения по ОСТ;

• толщина однородного грунтового слоя в основании здания или сооружения достаточно велика;

• грунты основания не размываются грунтовыми или другими водами;

• сжимаемость оснований невелика.

Фактическое давление на грунты основания после увеличения нагрузки в процессе реконструкции (надстройки) не должно было превышать "допустимое" давление с повышающим коэффициентом k, равным 1,1 -1,5 в зависимости от вида грунта. Если это условие не соблюдалось, требовалось усиление оснований и фундаментов.

В 1941г вышли "Указания по проектированию и строительству фундаментов на естественном основании в условиях военного времени" (У21-41). В них отмечалось: "...если в конструкциях здания или сооружения нет трещин от предшествующих неравномерных осадок, допускаемое давление для всех видов реконструкции можно повышать на 40%".

В начале 40-хгг. при Ленгорисполкоме работала специальная комиссия по изучению возможности повышения фактических давлений на грунты основания в зависимости от срока эксплуатации сооружения. В заключении работы комиссии отмечено, что можно увеличить нагрузки для глинистых грунтов на 20-30%, для среднезернистых песчаных - на 40-60% и крупнозернистых песков - на 100%.

Такая практика назначения критериев для увеличения нагрузки на фундаменты оказалась в ряде случаев просто опасной. Назначенные комиссией давления под подошвой фундамента не имели должного обоснования. Наблюдались случаи развития значительных деформаций уже после увеличения нагрузки на 20-40% и "создавалась угроза зданию в целом и его части" [4].

Ряд аварийных ситуаций дал повод к более осторожному отношению к составлению рекомендаций, в том числе к вопросу об усилении оснований и фундаментов. В ведомственных "Технических указаниях проектирования капитального восстановления и строительства новых мостов и труб" (ТУМП-47), изданных в 1948г, разрешалось при использовании старых фундаментов, прослуживших без дефектов более 20 лет, повышать давление на грунт с учетом его уплотнения только на 25%.

Согласно нормам 1949г (НиТУ 6-48) допускаемые давления "могут быть повышены против действующих в соответствии с тем состоянием плотности и влажности грунтов под фундаментами, а также состоянием конструкций сооружения, которые будут выявлены при освидетельствовании". Эти требования весьма общи, и нет пояснений, до каких пределов можно повышать нагрузку в процессе реконструкции без специальных мер по усилению фундаментов.

В НиТУ 127-55 и СНиП II Б. 1-62 повышение давления на основание при надстройках ограничено без всяких обоснований величиной 20%. В действующем СНиП 2.02.01-83* вообще отсутствуют разделы, регламентирующие повышение нагрузки на фундаменты для целей реконструкции.

Таким образом, используя официальные нормативные документы, нельзя установить предел, превышение которого требует использования специальных технологических приемов по усилению оснований и фундаментов. Однако эти документы представляют несомненный интерес, так как согласно их рекомендациям надстроено большое количество зданий с усилением и без усиления фундаментов. Надстройки выполнялись фактически интуитивно, а технологические приемы усиления назначались без должного расчетного обоснования, в силу этого технологии реконструкции фундаментов не учитывали фактически сформировавшегося напряженно-деформированного состояния грунтов основания.

Отметим, что ряд авторов и отдельные институты предложили достаточно интересные, хотя и спорные инженерные приемы. Предлагалось вводить к нормируемому значению расчетного сопротивления грунта основания коэффициенты, учитывающие уплотнение грунтов в процессе эксплуатации зданий. Согласно одному из предложений вводился коэффициент т, зависящий от степени реализации величины расчетного сопротивления R, который должен был учесть улучшение прочностных и деформационных характеристик грунта в процессе длительной эксплуатации.

R_упл=m·R₇ (2.1)

где: m=f(р₀/R₇); R₇ - величина расчетного сопротивления, определяемая по формуле (7) СНиП 2.02.-83* без учета уплотненности грунтов; р₀ - фактическое давление на грунты основания на момент планируемой реконструкции (до надстройки).

Рекомендуемые значения коэффициента m· приведены в табл. 2.3.

Значения коэффициента т

Таблица 2.3

ро/R7	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1
т	1,5	1,45	1,4	1,35	1,3	1,25	1,2	1,15	1,10	1,05

Предполагалось, что усиление оснований и фундаментов не потребуется, если будет соблюдаться условие

р≤R_упл

где р - фактическое давление на грунт на уровне подошвы существующего фундамента после выполнения всех реконструкционных мероприятий.

Если использовать подобную методику для реконструкции зданий на характерных грунтах Петербурга, то во всех случаях коэффициент т будет равен 1,5. Это явление объяснялось тем, что фактическое давление в основании зданий Петербурга равно или превышает значение расчетного сопротивления грунтов основания (см. рис. 2.4).

В наиболее обоснованных разработках Академии коммунального хозяйства (АКХ) сделана попытка учесть степень реализации осадки за период эксплуатации здания на момент реконструкции. Для определения значения расчетного сопротивления грунта с учетом уплотнения R_упл, помимо коэффициента m=f(р₀/R₇), вводится коэффициент k = f(S_R/S_u) (табл. 2.4, 2.5), зависящий от отношения величины расчетной осадки при давлении, равном расчетному сопротивлению R₇, к предельной средней осадке, регламентируемой Приложением к СНиП 2.02.01-83*.

Значения коэффициента т

Таблица 2.4

	Отношение р0/R7 х 100%
Более 80%	80 - 70%	Менее 70%
1,3	1,15	1,0

 

 

Значения коэффициента k

Таблица 2.5

Грунты основания независимо от влажности, плотности)	(SR/Su)х100%
	20%	70%
Пески крупные и средние То же мелкие То же пылеватые	1,4 1,2 1,1	1,0 1,0 1,0

Методические указания АКХ составлены для всех регионов страны и достаточно формализовано подходят к сложным вопросам реконструкции с увеличением нагрузок на существующие фундаменты и, соответственно, на грунты основания. Эти указания могут быть успешно использованы в регионах с достаточно хорошими грунтами (в Москве, Саратове, Нижнем Новгороде и др.), где 90% зданий имеют отношение S_R/S_u в диапазоне 0,2-0,4. Ранее выполненный анализ и многочисленные наблюдения для условий Петербурга показывают, что фактические осадки близки к предельным либо превышают их. Таким образом, почти во всех случаях коэффициенте будет равен 1, а коэффициент т почти всегда однозначен и равен 1,3.

Рассмотренная методика лишь косвенно учитывает соотношение осадок для введения дополнительного коэффициента. Эта методика не выполняет основополагающих требований современных норм и стандартов, связанных с необходимостью расчета по второму и первому предельным состояниям (по деформации и устойчивости).

Требования довольно прогрессивных немецких норм DIN и европейских единых норм (ЕUROCODE) допускают все возможные перестройки в процессе реконструкции при условии, что деформации после выполнения работ не превысят предельных значений. Однако предельные значения фактически не регламентируются, а определяются в процессе проектирования в зависимости от состояния здания.

Проведенный анализ практики проектирования и поверочных расчетов оснований реконструируемых зданий показал следующее. Расчетное сопротивление назначается без учета фактической ширины и глубины заложения фундамента. Разница рекомендуемых в технических заключениях величин расчетных сопротивлений для одних и тех же случаев достигает 300% из-за различных сочетаний произвольно назначаемых значений расчетного сопротивления и повышающих коэффициентов.

Таким образом, в ряде случаев рекомендуются и проектируются дорогостоящие усиления со сложными технологиями без должного обоснования. Последующие заключения допускают надстройки этих же зданий вообще без усиления фундаментов. Объективных критериев в обоих случаях нет - заказчик, не имея должной квалификации, решает столь сложные реконструкционные задачи по своему усмотрению.

Применительно к слабым водонасыщенным грунтам Петербурга специализированный трест ГРИИ по результатам объемных инженерно-геологических изысканий зачастую назначает величину расчетного сопротивления R, заимствованную из табл.2 прил. 3 СНиП 2.02.01-83*. Это значение является исходным почти для всех дальнейших преобразований с введением повышающих коэффициентов.

Так, например, в центральной части Петербурга характерными грунтами, залегающими в зоне устройства фундаментов, являются пески и супеси пылеватые, насыщенные водой, средней плотности. Согласно СНиП значения расчетного сопротивления R₀ находятся в диапазоне 100-250кПа. Как отмечалось ранее, фактическое давление в целом ряде случаев в 1,5-2 раза превышает полученное значение расчетного сопротивления, что вносит неопределенность в геотехнические расчеты, связанные с прогнозом поведения здания в послереконструкционный период. Таким образом, поверочные расчеты ведутся приближенно и мало отражают физическую суть процесса. Полученные результаты зависят от квалификации и интуиции эксперта.

Для обоснованного решения вопросов о необходимости усиления фундаментов и выбора соответствующих технологий представляется оправданным следующий подход:

1. В процессе обследования состояния грунтов в основании изучают большой массив грунта ниже подошвы фундамента в пределах сжимаемой толщи с использованием специальных полевых экспресс-методов (in situ).

2. По специально разработанной методике оценивают напряженно-деформированное состояние грунта основания.

3.На основании серии геотехнических расчетов устанавливают возможные деформации здания после выполнения всех реконструкционных мероприятий и оценивают предельное сопротивление грунтов основания.

4. Моделируют различные варианты технологических приемов усиления оснований и фундаментов по специально разработанной методике

5. Выбирают наиболее приемлемую технологию усиления,
позволяющую выполнить все геотехнические расчетные требования по
предельным состояниям и, соответственно, исключить все неблагоприятные
последствия реконструкции любой сложности в различных грунтовых
условиях.

Для регламентации осадок реконструируемых зданий имеются интересные разработки С.Н. Сотникова, сотрудников ВНИИГС, обобщенные в специальных таблицах. Используя эти таблицы, можно оптимизировать варианты усиления оснований и фундаментов, определяя расчетным путем деформации фундаментов при их реконструкции с применением различных технологических приемов.

2.2. Учет изменения свойств грунтов под подошвой фундаментов в процессе эксплуатации зданий

2.2.1. Увеличение плотности, изменение влажности грунтов

В процессе уплотнения грунтов под нагрузкой изменяются основные прочностные и деформационные характеристики. Это связано, в частности, с изменением напряженного состояния грунта, плотности, влажности, а также со сложными физико-химическими процессами, происходящими в грунте. Многими исследователями установлено, что в основаниях существующих зданий и сооружений, как правило, уменьшается коэффициент пористости (упрочняется грунт), увеличивается значение модуля деформации, изменяется естественная влажность грунта в пределах площадки застройки. Исследования М.Г. Ефремова, П.А. Коновалова (1980), В.В. Михеева, А.Т. Ройтмана (1970) свидетельствуют о том, что большое влияние на характер изменения прочностных свойств грунта оказывает процесс уплотнения либо разуплотнения в зависимости от реконструкционной ситуации.

Изменение свойств грунтов под нагрузкой выражается прежде всего в увеличении плотности. При действующих в основании давлениях в диапазоне 0,15-0,3МПа это увеличение может достигать 5-15% от начальной плотности. По данным П.А. Коновалова, при нагрузках от 0,3 до 1МПа плотность увеличивается на 10- 25%. Величина изменения плотности зависит, в частности, от начальной плотности, гранулометрического состава, типа грунта, величины уплотняющего давления, времени действия нагрузки и пр.

Установлено, что основное уплотнение происходит в зависимости от уплотняющего давления на глубине до 0,5 -1 ширины подошвы. П.И. Драни-шников (1985) установил, что при давлении р= 0,22МПа для суглинков и мелких песков изменение коэффициента пористости составляет 6-26% на уровне подошвы и 3-18% - на глубине z=0,5b (табл. 2.6).

Фактически глубина сжимаемой толщи при р =0,07МПа равнялась 0,8b при р =0,11МПа-1,4b.

На основе анализа результатов многочисленных исследований установлено, что уплотнение грунтов, которое может быть учтено в расчетах для дальнейшей реконструкции, в основании существующих фундаментов распространяется на глубинах (1,75-2bот подошвы). Наиболее интенсивное уплотнение происходит в зоне 0,5-1,0b.