Вопросы надежности проектного решения фундаментных плит высотных зданий

1/2006

ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

А.Л. Крыжановский О.И. Рубцов

адача надежного проектного решения фундаментных плит больших плановых размеров (порядка 70x70м) и средним напряжением по подошве порядка 0,5^1,0 МПа в геотехнической практике обсуждается давно.

В 1990 году, применительно к задаче повышения достоверности прогноза напряженно-деформированного состояния фундаментных плит реакторных отделений АЭС (подобные габариты и нагрузки) специалистами кафедры МГрОиф МГСУ высказана уверенность о необходимости управляемой корректировки деформационных свойств основания плиты в процессе строительства и эксплуатации [1]. За прошедшее время эта убежденность значительно углубилась, т.к. полученные результаты всесторонне подтверждаются анализом указанного вопроса другими авторами с использованием самых разнообразных методов и средств.

При этом важны задачи, которые не имеют достаточно удовлетворительного решения, например:

- определение начального напряженно-деформированного состояния грунтового основания, его изменение во времени за счет масштабных геологических процессов в пределах активной зоны деформации (на глубину 100 и более метров);

- изменение параметров физического состояния грунтового основания, его гидрогеологического режи-

ма, продолжение процессов физико-химической природы;

- невозможность получения образцов для лабораторного испытания без искажения природного напряженного и деформированного их состояния в процессе отбора на больших глубинах;

- несовершенство лабораторного оборудования для исследования механических свойств грунтов во всем необходимом разнообразии схем нагружения-раз-грузки при общем случае пространственного напряженного и деформированного состояния, включая исследование роли поворота осей главных напряжений относительно физических частиц грунта;

-несовершенство описания механического поведения грунта в общем случае пространственного напряженно-деформированного состояния на основе данных конечного числа испытаний в лабораторном эксперименте;

- невозможность определения параметров деформируемости грунтов на основе данных полевых экспериментов в связи с неразработанностью схем подобного исследования и трактовки полученных результатов в нелинейной постановке.

К сожалению, перечень существенных вопросов, не имеющих достаточно удовлетворительного решения, можно существенно расширить. Это определяется исключи-

тельной сложностью физической природы отклика грунта на внешние силовые воздействия как следствие реальной его дискретности. Механический отклик определяется самими приложенными напряжениями, накопленной пластической деформацией с определяющей ролью последовательности изменения напряженных и деформированных состояний в рассматриваемой области основания.

Нужно подчеркнуть, что современные средства описания механических свойств грунтов с использованием представленной теории пластически упрочняющейся среды решают вопросы описания деформируемости грунтов значительно более совершенно, чем на основе теории линейно-деформируемой среды. Но достигнутый уровень совершенства недостаточен для уверенности в том, что математическое ожидание (данные расчета напряженно-деформированного состояния системы плиты-грунтовое основание) будет удовлетворительно соответствовать фактическим данным.

Для иллюстрации затронутых вопросов рассмотрим данные численного расчета напряженно-деформированного состояния основания фундаментной плиты реакторного отделения 6-го блока Ново-Воронежской АЭС с плановыми размерами 66х66м [2,3]. Механические свойства песка мелкого, средней плотности определены на аппаратуре с независимо регулируемыми главными напряжениями по исчерпывающе широкой программе. Описание механических свойств выполнено на основе представлений теории пластически упрочняющей среды с отражением различия в механическом поведении при нагрузке и разгрузке. В соответствии с реко-

мендациями СП 50-101-2004 для такого песка рекомендуется в расчетах использовать значения модуля деформации Е=20 МПа. Данные же численного расчета в нелинейной постановке определяют интервал значений 20-300 МПа.

Данные, приведенные на рис. 1. показывают, что интервал значений Е зависит от:

- нагрузки, передаваемой на штамп О и изменения напряжений от сил гравитации (рис. 1-а);

- допущения о геостатическом или гидростатическом законе изменения природного напряженного состояния основания (сопоставление данных рис. 1-а и 1-б);

- от, например, инженерных мероприятий по предварительному обжатию грунта в пределах активной зоны деформации в горизонтальном направлении (сопоставление данных рис. 1-а и 1-в).

Практически важно подчеркнуть, что только в результате взаимодействия плиты с основанием возникает масштабная неоднородность основания по значению модуля деформации в плане и по глубине. При благоприятном напряженном состоянии песка модуль деформации превышает 300 МПа; при неблагоприятном-менее 20. Этот факт определяет целесообразность корректировки напряженного состояния основания дополнительными инженерными средствами с целью максимальной локализации области основания с низкими значениями деформационных характеристик.

Требования к такому дополнительному воздействию следующие:

- строго адресное воздействие;

- необратимость достигнутого уровня изменения напряженно-деформированного состояния во вре-

Рис. 1 Изололинии значений модуля деформации

мени (сведение на нет релаксации напряжений);

- возможность неоднократного усиления достигнутого уровня упрочнения основания в процессе строительства и эксплуатации сооружения;

- простота технологической схемы и низкая стоимость работы.

На строительной площадке Ново-Воронежской АЭС поставлен крупномасштабный эксперимент с наблюдением за осадкой неравномерно нагруженного штампа с плановыми размерами 3x3м. Основание штампа предварительно неравномерно напряжено на глубину 4,5м за счет впрессовывания песка в радиальном направлении в стенки скважин, пройденных по сетке 1,5x1,5м (рис. 2). Технологическая схема впрессовывания песка пояснена на этом же рисунке. Давление впрессовывания Р обоснованно расчетом (в том числе численным в нелинейной постановке) и должно было обеспечить поступательное

перемещение штампа. По центральной оси давление впрессовывания изменялось от 0 до 2,0 ати 20 циклов; по переферийной части - в соответствии с данными, показанными на рис.2. Цикличность увеличения и сброса давления выполнена (в основном) с целью сведения на нет релаксации достигнутого эффекта локального упрочнения основания. Результат эксперимента полностью подтвердил расчетную задачу - средняя осадка штампа составила 1 4 мм, а разность перемещений точек А и В достигла 2мм и в сторону минимальной загрузки штампа. Наблюдение за штампом под нагрузкой в течение 3 месяцев подтвердило стабильность достигнутого результата. На рис. 2 показан график зависимости разности перемещений Уа-Уб от среднего напряжения по подошве штампа уср.

Ясно, что подобный механизм корректирования напряженного состояния основания может быть задействован не только на стадии

Рис. 2 Нагружение штампа неравномерной нагрузкой и его перемещение на преобразованном основании

предшествующей строительству, но и во время строительства, эксплуатации.

Лабораторный эксперимент в лотковых условиях подтвердил высокую эффективность использования изложенной технологии в решении задачи исправления, например, состоявшегося крена на момент стср= стср! при дальнейшем увеличении стср11> СТср1.

Следующий практический вопрос: необходимый масштаб изменения модуля деформации основания в плане для получения планируемого результата; реальность получения необходимых значений Е при относительно невысоких давлениях впрессования песка в стенки скважин в радиальном направлении.

На рис. 3 показаны результаты расчета (в линейной постановке) деформации равномерно загруженной (д = 3 кгс/см2) железобетонной плиты с плановыми размерами 25x25м. При однородном основании (Е=сога/=10МПа, эпюра 1 на

рисунке) прогиб в центральной части достигает 28 мм, соответственно, требуется максимальное армирование в центре по нижнему поясу. При изменении модуля деформации основания по варианту эпюры 2 (Етах

= 20МПа) максимальная осадка уменьшается до 17 мм изменяется необходимое армирование и зоны максимального армирования по нижнему и верхнему поясу. Преобразование в соответствии с 3 и 4-м вариантами изменения модуля деформации уже являются чрезмерными и резко изменяет необходимую схему армирования.

В случае действия сосредоточенной силы в центре плиты наиболее благоприятный результат получен при 4-х кратном увеличении значения начального модуля деформации, результат 3 является чрезмерным.

Таким образом, для решения практических задач фундаментост-роения достаточно 2^3 кратное увеличение начального модуля де-

Рис. 3. Изгиб плиты в 4-х вариантах эпюры значений модуля деформации основания

Рис. 4. Осадка плиты при действии силы Р=сош1 при трех вариантах плановой неоднородности основания

формации Е в заданной области основания.

В случае одномерной задачи загрузки основания для увеличения значения модуля деформации в 2-3 раза (в первом приближении необходимо увеличить среднее значение Стхх1 в пределах активной зоны деформации до (0,5^0,3) от среднего напряжения по поверхности д. Допустим, что д = 5 ^10 кгс/см2. Требуемое увеличение стхх - 2^4 кгс/см2.

При сетке скважин 1,5х1,5м, начальном их диаметре порядка 150мм, задачу соответствующего повышения стхх в межскважинном пространстве удается решить при давлении впрессовывания песка в

стенки скважин 6^12 кгс/см2. Приведенные оценочные данные показывают, что технологический процесс впрессовавания песка не требует специальных параметров технологического оборудования.

Расчетное обоснование параметров преобразования основания можно выполнить на основе данных лабораторных и полевых исследований, проведенных лабораторией «ПиК» МГСУ в 2000-2005г.[4,5] фрагмент лабораторного исследования впрессованного песка в стенки скважин показан на фото рис. 5.

Сопоставление технологии впрессовывания песка, использованной в работах на строительной площадке на Ново-Воронежской

г»ч.

Рис 5. Расширение области впрессованного песка при увеличении давления впрессования; разгрузки лотка

АЭС (условно-технология тампонирования) и применяемой в настоящее время лабораторией «ПиК» МГСУ (технология «Песконасос»), дано на рис.6. Детали эластичной оболочки, осуществляющей впрессовывание песка в радиальном направлении разработаны и опроби-рованы в настоящее время в пяти вариантах в зависимости от особенностей грунтовых условий и решаемой инженерной задачи:

- неводонасыщенные песчаные

и глинистые грунты с динамическим и квазистатическим способом изменения давления Р;

- с возможностью обжатия впрессованного песка как в радиальном направлении, так и вертикальном специальным коническим

штампом, сопряженным с эластичной оболочкой;

- впрессовывание как песка, так и сухой цементно-песчаной смеси для образования ствола буронабив-ной сваи повышенной несущей способности.

В приложении к обсуждаемой проблеме приближения очертаний эпюры контактных напряжений по фактическим данным к расчетному, алгоритм инженерных действий следующий:

-проектом фундаментной плиты предусматривается сетка технологических отверстий, которые позволяют (в случае необходимости) пройти скважины в основании без повреждения арматуры в плите;

-в подошве плиты в контрольных точках устанавливаются мес-сдозы для измерения контактных напряжений; основные несущие конструкции каркасного здания оборудуются тензодатчиками для регистрации усилий, передаваемых на плиту; производится регулярная фиксация деформаций плиты в горизонтальной плоскости;

-по этапам строительства (например, через каждые 5-6 этажей) производится расчетный анализ с целью сопоставления фактических усилий, передаваемых на плиту, ее деформации и фактических данных о контактных напряжениях. На основе указанных данных и их анализа принимается решение о необходимости местного увеличения «жесткости» основания для того, чтобы при дальнейшем нагружении сблизить значения расчетных и фактических усилий в несущих конструкциях, расчетных и фактических значений контактных напряжений по подошве фундаментной плиты.

Расчетные значения контактных напряжений, опорных сил на завершенной стадии строительства

Рис 6. Сопоставление методов управления напряженным состоянием основания по технологии

«Тампонирование» и «Песконасос»

Рис 7.Схема принятия решения о корректировке НДС основания с использованием технологии

«Песконассос»

должны соответствовать математическому ожиданию, в соответствии с которым определено необходимое армирование плиты. Как только выполнено армирование в соответствии с проектом, математическое ожидание контактных напряжений и опорных усилий переходит в разряд эталонных величин. Если фактические данные соответствуют эталонным значениям, то надежность конструкции обеспечена; при отклонениях от эталонных значений - нужно анализировать степень опасности установленных отклонений;

Местное увеличение «жесткости» основания выполняется по технологии, обеспечивающей заданное увеличение радиальных напряжений. Параметры необходимого упрочнения рассчитываются на основе данных зафиксированных расхождений в усилиях, напряжениях, перемещениях на предшествующем этапе строительства (рис. 7).

При рассмотренном алгоритме инженерного решения вопроса при сдаче сооружения в эксплуатацию появляется возможность обоснованно составить документ о «стартовом здоровье» сооружения, а именно о том, что один из основных элементов конструкции-фунда-ментная плита-работает при расчетном сочетании нагрузок. При этом в несущем каркасе зафиксированы усилия, соответствующие проектному решению. Такого рода документ должен быть определяющим и при решении вопросов страхования здания.

вуз. сборник «Численные методы в геомеханике и оптимальное проектирование фундаментов»», Йошкар-Ола, 1989.

2. Крыжановский А. Л., Бокижа-нов X. «Инъектирование оснований тяжелых сооружений сыпучим материалом», Материал 17 конф. «Фун-даментостроение, Брно 1989».

3. Крыжановский А.Л., Бокижа-нов X., Потапов В.Н. Уменьшение осадки и крена сооружений методом предварительного напряжения их оснований, «Энергетическое строительство», №5, 1990.

4. Крыжановский А.Л., Рубцов И.В., Рубцов О.И. Проблемы геомеханики при расчете фундаментных плит высотных зданий. Девятая международная специализированная выставка «Инвестиции. Строительство. Недвижимость. КЕДПЕХ-2004», 23-26 июня 2004 г. Материалы семинара «Актуальные проблемы строительства высотных зданий» (24 июня 2004 г.)/

5. Крыжановский А. Л., Рубцов И.В., Рубцов О.И. Контроль показателей надежности элементов конструкции высотного здания в процессе строительства и эксплуатации. Девятая международная специализированная выставка «Инвестиции. Строительство. Недвижимость. КЕД1_ТЕХ-2004», 23-26 июня 2004 г. Материалы семинара «Актуальные проблемы строительства высотных зданий»

ЛИТЕРАТУРА

1. Крыжановский А. Л., Шеляпин Р.С. Потапов В.Н. «Деформационная неодородность основания тяжелого большеразмерного сооружения в зависимости от его начального напряженного состояния, Меж-