СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ НА НЕРАВНОМЕРНО СЖИМАЕМЫХ ГРУНТАХ
METHOD TO CONSTRUCT BUILDINGS, STRUCTURES ON UNEVENLY COMPRESSIBLE SOILS

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и используется при сооружении и анализе напряженно-деформированного состояния строящихся преимущественно высоких и высотных зданий и сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах.
Известен способ строительства зданий, сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах (способ-аналог), включающий измерения деформаций или напряжений в основных и дополнительных элементах строения, оценку характеристик сжимаемости грунтов в основании фундамента и напряженно-деформированного состояния строения к моменту измерений и на полное возведение строения, оценку необходимости, способов и объемов воздействия на грунт для улучшения его свойств, при необходимости осуществление требуемого воздействия на грунт и продолжение возведения строения (Патент RU №2169238 «Способ строительства зданий и сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах» [1]).
Недостаток способа-аналога состоит в недостаточной точности оценки характеристик сжимаемости грунтов, поскольку фундамент, рассчитанный на полную нагрузку от строения, в момент измерений на уровне 1/3-1/2 высоты и при такой же части нагрузки от строения, создает относительно небольшие напряжения в грунте и соответствующие небольшие осадки фундамента.
Наиболее близок к заявляемому по совокупности существенных признаков принятый за прототип способ строительства зданий, сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах (способ-прототип), согласно которому после сооружения очередной группы из одного или нескольких этажей строения производят измерения осадок фундаментов, средних наклонов верхнего перекрытия над этой группой этажей и средних наклонов верхних перекрытий над всеми ранее сооруженными группами этажей, а по результатам измерения и их анализа судят о деформациях основания и напряженно-деформированном состоянии строения к моменту измерений и до полного возведения строения, а также о необходимости воздействия на грунт или фундамент (Заявка на получение патента «Способ строительства и анализа напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и других протяженных по вертикали объектов на неравномерно сжимаемых грунтах». - Уведомление ФИПС от 26.05.2011 [2]).
Недостаток способа-прототипа так же, как и способа-аналога, состоит в недостаточной точности оценки характеристик сжимаемости грунтов, поскольку осадки и напряжения в грунте в основании фундамента в момент измерений относительно невелики.
Цель изобретения состоит, прежде всего, в повышении точности оценки характеристик сжимаемости грунтов в основании фундаментов в процессе возведения здания, сооружения и, как следствие, - в повышении достоверности анализа напряженно-деформированного состояния строения при его возведении и после завершения строительства.
Цель достигается тем, что в способе строительства зданий, сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах вначале фундамент строения сооружают из расчета не на полную нагрузку от строения, а на ее часть, например от половины строения, в процессе сооружения этой части строения производят измерения деформаций фундаментов и наклонов перекрытий, по ним оценивают действительные характеристики деформируемости грунтов, напряженно-деформированное состояние строения на момент измерений и на полное его возведение, после чего в случае необходимости выполняют работы по повышению несущей способности фундаментов путем увеличения размеров фундаментов, упрочнения грунтов под фундаментами, например, путем инъекции закрепляющих растворов, дополнения ранее сооруженных фундаментов сплошной железобетонной плитой, вдавливаемыми, завинчиваемыми или буронабивными сваями, причем повышение несущей способности фундаментов осуществляют только в той части, в том объеме и на том уровне высоты строящегося здания, сооружения, которые обеспечивают безопасность и допустимый уровень деформаций строения до полного его завершения.
При строительстве согласно предлагаемому способу достигается следующее.
1) Повышение достоверности оценки характеристик сжимаемости грунтов в основании фундаментов и, как следствие, повышение достоверности анализа напряженно-деформированного состояния строения в процессе его возведения и после завершения строительства. Повышение достоверности оценки характеристик сжимаемости грунтов достигается тем, что фундамент согласно предлагаемому способу выполняется из расчета не на полную нагрузку от строения, а только на ее часть, например от половины строения, в результате чего фундамент первоначально имеет меньшие размеры, например, равные по площади половине размеров, обычно рассчитываемых на полную нагрузку от здания. Если проектируется свайно-плитный фундамент, то сначала он сооружается как плитный, без свай, но в плите предусматриваются отверстия (патрубки) с тем, чтобы в случае необходимости произвести погружение свай.
2) Поэтому при возведении части строения, например, многоэтажного здания - до половины его высоты, под фундаментами возникают напряжения и осадки, соответствующие напряжениям и осадкам от полной нагрузки. Другими словами, при сооружении строения согласно предлагаемому способу, например, до половины его высоты, производится испытание грунтов более высокой нагрузкой, которая возникнет только к концу сооружения здания.
3) Нагружение грунта полной проектной нагрузкой позволяет уточнять характеристики деформируемости грунтов за счет снятия неопределенности, связанной с нелинейными особенностями поведения грунтов под нагрузками, поскольку нелинейные эффекты в полной мере проявляются только в результате воздействия на грунты полных проектных нагрузок.
4) При реализации предлагаемого способа преодолевается существующее противоречие между характеристиками сжимаемости грунтов, получаемыми по результатам лабораторных и полевых испытаний, и теми же характеристиками, фактически рассчитанными по результатам измерения деформаций строящихся и построенных зданий: фактические модули деформации, характеризующие сжимаемость грунтов, в абсолютном большинстве случаев существенно более высокие. Это объясняется осторожностью изыскательских организаций, которые априорно полагают назначение заниженных значений модуля деформации более безопасным и гарантирующим более высокую надежность проектирования и строительства. В то же время, обычно практикуемое занижение характеристик сжимаемости приводит к более затратным и материалоемким техническим решениям системы «основание-фундамент-здание».
5) При сооружении многоэтажного здания, например, до половины его высоты, пока фундамент в полной мере для здания еще не нужен, согласно предлагаемому способу фактически ведется пробное испытание грунтов нагрузкой от полной высоты дома, а полученные значения модулей деформации грунта, различные для различные участков фундамента, позволяют оценивать напряженно-деформированное состояние строения до полной его высоты, т.е. на его виртуальное состояние в уже построенном виде. Важно, что необходимости установления именно модулей деформации здесь не возникает - достаточно вычислять значения непосредственных параметров, используемых в расчетах фундаментов совместно с надземным строением, коэффициентов постели в каждом конкретном месте основания фундамента и ввести их непосредственно в компьютерную программу для последующего анализа. Также отпадает необходимость применения расчетных моделей теории линейно-деформируемых тел, через которые обычно переходят к значениям коэффициентов постели.
6) Уточнение действительных характеристик грунтов позволяет минимизировать объемы работ по повышению несущей способности фундаментов (увеличением размеров, упрочнением грунтов, дополнением фундаментов плитами и др.), как правило, только в той части, в том объеме и на том уровне высоты строящегося здания, сооружения, которые обеспечивают безопасность и допустимый уровень деформаций строения до полного его завершения.
При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны. Также не выявлены признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-9), на которых схематически показаны планы и вертикальные разрезы 8-этажного здания с подвальным этажом высотой 3.0 м с наружными стенами 1, железобетонным каркасом (колоннами 2, перекрытиями 3). Размеры дома в плане 36 м (в осях 1-6)×24 м (в осях А-Г), высота Н=36.0 м; три первых этажа торгового назначения высотой 4.0 м, пять верхних этажей административного назначения - 3.6 м.
3
2
На фиг.1 и 3 показано инженерно-геологическое строение площадки строительства. Ниже подошв фундаментов залегают элювиальные суглинки, имеющие согласно исходным проектным предпосылкам удельный вес 18 кН/м, расчетное сопротивление R=0.28 МПа=280 кН/м, модуль деформации Е=12 МПа, причем слой суглинков выклинивается таким образом, что под фундаментами по оси 1 мощность его составляет 2 м, а по оси 6 - 8 м. Ниже залегают малосжимаемые грунты - полускальные разновидности порфиритов средней прочности.
На фиг.1 и 2 показаны вертикальный разрез здания (фиг.1) и план его фундаментов (фиг.2) на момент возведения его на 3 надземных этажа. Столбчатые фундаменты 4 колонн 2 имеют размеры I×b=2.7×2.7 м и рассчитаны на восприятие нагрузки от наиболее нагруженных колонн 2 средних рядов по осям 2-5:
3
- от трех этажей - N=1200 кН (с учетом веса фундаментов, но без учета полезной и части постоянной нагрузки от полов, перегородок и отделки);
8
- полная от восьми этажей - N=2350 кН.
fcp
3
3
fcp
8
2
2
2
Фундаменты 4 после сооружения 3-го этажа передают на грунты среднее давление (с учетом коэффициента Y.=1.15 для расчетов по деформациям) p=N/(Y.·I·b)=1200/(1.15·2.7·2.7)=145 кН/м, а после сооружения восьмого - p=280 кН/м, которые не превышают расчетного сопротивления слоя суглинков (R=280 кН/м). На фиг.2 показана бетонная подготовка 5. Для измерения деформаций (осадок и наклонов перекрытий) предусмотрены марки 6, геодезические рейки 7 и нивелир I класса 8.
На фиг.3 и 4 показаны вертикальный разрез здания (фиг.3) и план фундаментов (фиг.4) на момент возведения его до 8 надземных этажей. На этих же фигурах показана железобетонная плита 9, необходимость устройства которой возникла в результате анализа напряженно-деформированного состояния здания после возведения 3-го этажа.
На фиг.5-9 показаны: на фиг.5 - графики развития осадок фундаментов по осям 2 и 5 (позиции соответственно 10, 11 и 12); на фиг.6 - графики развития уклонов перекрытий 3 на 1-м и 3-м этажах (позиции соответственно 13, 14, 15 и 16).
На фиг.7-9 показаны возможные способы повышения несущей способности фундаментов 4: на фиг.7 - сооружение сплошной железобетонной плиты 9, верхняя и нижняя арматура которой 21 соединяется с предусмотренными выпусками арматуры 22 в фундаменте 4; на фиг.8 - нагнетание закрепляющих растворов под фундамент 4, для чего используются инъекторы 23, пригрузочные плиты 24 (предотвращающие утечки растворов вверх), соединяемые с выпусками арматуры 22 в фундаменте 4; увеличение несущей способности фундаментов 4 достигается образованием в грунте областей упрочненного грунта 25; на фиг.9 - погружение стальных свай 26 рядом с фундаментами 4 в соответствии с патентом [3], для чего предусматриваются упоры 27, соединяемые с выпусками арматуры 22 в фундаменте 4, домкраты 28 и насосная станция 29. После погружения сваи 26 соединяют с упорами 27 сварными швами 30.
В рассматриваемом примере в ходе научно-технического сопровождения строительства в соответствии с требованиями нормативов (ГОСТ Р 53778-2010 [4], ГОСТ 24846-81 [5]) получены осадки и наклоны междуэтажных перекрытий, приведенные в табл.1.
Табл. 1
Осадки фундаментов S и наклоны перекрытий i
Оси, этажи
Осадки S (см) и наклоны перекрытий i (x1000), при числе построенных этажей
3
4
6
8
Ось 2
1.20/0.90/-
1.30/1.28/1.28
1.60/1.50/1.50
1.80/1.65/1.65
Ось 5
4.00/3.00/-
4.60/4.45/4.30
5.50/5.13/4.90
6.90/6.20/5.20
Наклон, 1-го этажа
1.60/1.06/-
1.83/1.76/1.66
2.16/2.01/2.83
2.83/2.52/1.97
Наклон, 3-го этажа
1.20/0.80/-
1.30/1.37/1.25
1.46/1.36/1.32
1.70/1.54/1.50
Наклон, 8-го этажа
-
-
-
2.83/2.12/1.92
Примечание - Цифры в столбцах, например, 4.60/4.45/4.30.6, соответствуют осадкам, полученным для каждого этажа: 1-я - расчетом при исходных характеристиках грунта, 2-я - после уточнения характеристик, 3-я - после усиления части фундаментов путем устройства железобетонной плиты
3
3
1
3
2
6
8
u
На фиг.1 показано, что к моменту сооружения 3-го этажа здание получило общий наклон в сторону оси 6; осадка фундамента по оси 2 составила S=1.2 см, по оси 5-S=4.0 см; наклон перекрытия 1-го этажа i=0.0016, 3-го этажа - i=0.0012. Прогноз на 8-этажное состояние дома - осадки по оси S=1.80 см, по оси 6 - S=6.9 см, наибольший наклон перекрытий 8-го этажа i=0.00283, больше допустимого главой СНиП 2.01.04-85* [6] значения [i]=0.002.
2
2
5
5
3
3
Используя полученные данные и расчетные схемы главы СП 22.13350.20011 [7], по значениям осадок и давлений на грунты после сооружения 3-го этажа получены фактические значения модуля деформации суглинка: Е=16 МПа, на 33% выше расчетного значения Е=12 МПа. Соответствующие коэффициенты постели изменяются так: по оси 2 - с K=9062 (по первоначальным значениям Е=12 МПа) до К=12083 кН/м, по оси 5 - с K=2719 до K=3625 кН/м (здесь осадки S в метрах).
u
Учитывая вероятность прогнозируемого превышения наклонов перекрытий 3 и отклонения дома от вертикали на ΔH=8.8 см против допустимой главой СНиП 2.01-07-85* [6] величины [ΔH]=Н / 500=36 / 500=0.072=7.2 см, принято решение об инженерном вмешательстве и реализации «отложенного решения».
пл
2
2
Из набора перечисленных выше способов инженерного вмешательства принято решение о сооружении возле столбчатых фундаментов 4 в осях 3-4-6 железобетонной плиты 9 толщиной 0.8 м (см. фиг.2). Плита 9 площадью А.=432 м сооружена после возведения 3-го этажа. Согласно расчету нагрузка на плиту создает дополнительное давление на грунт p=61.1 кН/м.
2
2
1
3
8
Последующими расчетами показано, что неравномерные осадки и наклоны перекрытий 3 существенно уменьшаются против тех значений, которые могли возникнуть без устройства плиты 9. В частности, после сооружения 8-го этажа прогнозируемые осадки фундаментов 4 по оси 2 (S=1.65 см) не изменились, а по оси 5 уменьшились с S=6.9 до 5.2 см. Наклоны перекрытий 3 изменились так: на 1-м этаже i - с 0.0016 до 0.0019, на 3-м этаже i - с 0.0012 до 0.0015, на 8-м этаже i - с 0.00283 до 0.00193.
Отклонение верха здания от вертикали уменьшилось с ΔН=8.8 см до ΔН=4.9 см.
Все контролируемые параметры находятся в пределах, допустимых нормативами:
2
2
2
- максимальное давление на грунт р=280 кН/м (фундаменты 4 в осях 1-3) и p=145 кН/м (плита в осях 3-4-6) не превышает расчетного сопротивления грунта R=280 кН/м;
max
u
- максимальная осадка S=5.20<[S]=10 см;
max
u
- наклоны перекрытий 1-го этажа i=0.0012<[i]=0.002;
max
u
- наклоны перекрытий 8-го этажа i=0.00192<[i]=0.002;
u
- отклонение дома от вертикали ΔН=4.9 см<[ΔН]=7.2 см.
Таким образом, преимущества предлагаемого способа состоят в следующем.
1) Повышение точности оценки характеристик сжимаемости грунтов в основании фундаментов и, как следствие, повышение достоверности анализа напряженно-деформированного состояния строения в процессе его возведения и после завершения строительства.
2) Снятие неопределенности, связанной с нелинейностью грунтов под нагрузками.
3) Преодоление существующего противоречия между характеристиками сжимаемости грунтов, получаемыми по результатам испытаний, и характеристиками, фактически рассчитанными по результатам измерения деформаций строящихся и построенных зданий.
4) Возможность оценки напряженно-деформированного состояния строения до полной его высоты, т.е. на его виртуальное состояние в уже построенном виде.
5) Возможность минимизации объемов работ по повышению несущей способности фундаментов, которые обеспечивают безопасность и допустимый уровень деформаций строения до полного его завершения.
Список использованных материалов
7
1. Патент RU №2162917, МКИ E02D 3/12, 37/00. Способ закрепления грунтов в основании деформированных зданий и сооружений. - Опубл. 10.12.2001, Бюл. №4.
2. Заявка на получение патента: дата поступления 24.05.2011, вх. №030864, рег. №2011120865 «Способ строительства и анализа напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и других протяженных по вертикали объектов на неравномерно сжимаемых грунтах». - Уведомление отдела №17 ФИПС от 26.05.2011.
6
3. Патент RU №2037604, МКИ E02D 27/08, 37/00 E02D 27/34. Способ усиления фундамента здания, сооружения. / Э.И. Мулюков и И.П. Полишко. - Опубл. 19.06.1995.
4. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - М.: Стандартинформ, 2010.
5. ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1981.
6. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. / Госстрой России. - М.: ГП ЦПП, 2003.
7. СП 22.13350.20011. Основания зданий и сооружений (актуализированная редакция СНИП 2.02.01-83*). / Госстрой России. - М.: ОАО «ЦПП», 2011.