О необходимости использования пространственной модели системы «Здание-фундамент-основание» для обоснования решения о возможной реконструкции здания, расположенного на площадке с уклоном

Дыбрин А.А.; д.т.н. Кашеварова Г.Г. О НЕОБХОДИМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ» ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕШЕНИЯ О ВОЗМОЖНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ПЛОЩАДКЕ С УКЛОНОМ

Основанием для выполнения работ явилось техническое задание на проверку несущей способности существующего фундамента здания, которое требовалось реконструировать под культовое учреждение, расположенное в сложившейся застройке города Перми.

Здание двухэтажное. Цокольный этаж: размеры в плане 25,96x12,00 м. Усредненная высота стены 1,3м.

Материал наружных стен: керамический кирпич марки 75, толщина 64 0мм; плотность 18 0 0кг/м3;

Была выполнена разборка покрытия и существующих стен первого этажа здания до отметки верха плит цокольного этажа (-0.080м) и первый этаж требовалось надстроить заново высотой 5, 9м и толщиной стены 64 0мм. Материал наружных стен: глиняный кирпич пластического прессования марки 100 по ГОСТ 530-95 на

растворе марки 75, плотность 1800кг/м3. По наружным стенам здания должны быть предусмотрены железобетонные пояса в двух уровнях: на отметке -0,080 и на отметке 4.300.

Существующие фундаменты - ленточные со ступенчатой схемой заложения по высоте с понижением отметки подошвы в сторону уклона площадки, из фундаментных блоков (бетон В15), уложенных по монолитным бетонным подушкам на естественном основании (рис. 1). Основание под фундаментом состоит из текучепластичных и мягкопластичных глин.

В результате инженерно-технического обследования здания, выполненного кафедрой оснований, фундаментов и мостов ПГТУ в основании был обнаружен фильтрационный поток, в результате чего локально изменились физико-механических характеристик грунта в части основания. По результатам обследования с использованием традиционных методов расчета было предложено стандартное инженерное решение об усилении части основания существующего фундамента в северном углу здания буронабивными сваями.

Ставилась задача определения осадок и несущей способности фундамента и здания с учетом усиления

грунта.

При ее решении мы выделили две подзадачи:

1. Расчет осадок и несущей способности фундамента и здания с учетом усиления грунта буронабивными

сваями (характеристики усиленного грунта взяты из отчета по обследованию).

2. То же, но в случае не усиленного грунта.

Конечно-элементная модель системы «здание-фундамент-основание» (ЗФО) изображена на рис. 1. Различными цветами обозначены разные материалы. Для придания дополнительной жесткости конструкции здания и более точных расчетов была смоделирована конструкция крыши с помощью стержневых элементов.

Рис. 1. Схема системы «здание-фундамент-основание»

Рассматривалось четыре слоя грунта разной толщины с осредненными свойствами, общей толщиной 15 метров, лежащих под нижней поверхностью железобетонного фундамента. Механические свойства бетона, арматуры и кирпичной кладки приведены в табл. 1. Свойства грунтового основания приняты по материалам инженерногеологических изысканий 2000 года, приведены в табл. 2.

В расчете учитывались:

- нагрузки от собственного веса здания, вес конструкций крыши - в виде поверхностной нагрузки 100,78 кг/м2 и вес металлического шпиля (517 кг), опирающегося на внутреннюю стену;

- временные нагрузки: ветровая, снеговая и полезная на перекрытия. Нормативные значения средней составляющей ветровой нагрузки, снеговой и полезной нагрузки на перекрытия определялись по формулам СНиП [1].

Таблица 1.Механические свойства бетона, арматуры и кирпичной кладки

Свойства Начальный модуль упругости, ГПа Коэф-т Пуассона Расчетное сопротивление растяжению, МПа Расчетное сопротивление сжатию, МПа Плот- ность, кг/м3

Бетон В10 18 0.22 0.57 6.0 2400

Бетон В15 23 0.22 0.75 8.5 2400

Кирпичная кладка 6,4 0.25 0.27 2,5 1800

Арматура 200 0.28 365 365 7800

Таблица 2. Механические свойства основания

Номер слоя Вид грунта Нормативный модуль деформаций, Ео, МПа Коэф-т Пуассона Плотность кг/м3

1 Глина тугопластичная 2.3 0.42 1950

2 Глина текучепластичная 1.5 0.45 2000

3 Суглинок песчаный 12 0.38 2000

4 Гравийный грунт 18 0.35 2000

5 Аргилитовое основание 38 0.3 2000

6 Суглинок ослабленный 6.8 0.38 2000

Кроме граничных условий в напряжениях, перечисленных выше, задавались также граничные условия в перемещениях. На гранях массива грунта заданы симметричные граничные условия (2.4).

Задача определения напряженно-деформированного состояния системы «здание - фундамент-основание» решалась методом конечных элементов с использованием нелинейной модели Друккера-Прагера (2.71) при описании свойств грунта. Для дискретизации трехмерных областей (фундамент, основание, конструктивные элементы зданий) применялись объемные восьмиузловые конечные элементы первого порядка шести и пятигранной конфигурации. Оконные проемы не моделировались. Составлена программа построения и расчета системы ЗФО на языке APDL и получены результаты решения - компоненты тензоров напряжений и деформаций. На рис. 2 и 3 показаны вертикальные перемещения системы «здание-фундамент-основание» в метрах, полученные при решении первой задачи (с усиленным грунтом).

Рис. 2. Схема осадок здания с учетом усиления фундамента

Максимальная осадка фундамента получилась равной 7.5 см, а разность осадок частей фундамента составила ~ 6.5 см.

Сравнивая величины полученных осадок с предельными значениями, установленными СНиП [2], имеем:

- максимальная осадка фундамента гтах = 7,5 не превышает значения предельной средней осадки 15 см.

- значение относительной разности осадок Лг/Ь = 6,5 / 2860 = 0,00227 не превышает предельной относительной разности осадок: 0,0024.

Рис. 3. Осадки здания

При решении второй задачи, т.е. в случае не усиленного грунта результаты получились практически такими же. На рис. 4, показаны вертикальные перемещения системы ЗФО второго случая.

Рис. 4. Значения и характер осадки в случае не усиленного грунта

Осадка фундамента в данном случае изменяется от 0 в самом благополучном месте, до 6,5 см в месте ослабленного грунта. Разность осадок частей фундамента при этом по-прежнему составляет 6,5 см, но характер осадок уже совершенно иной.

Таким образом, как показали результаты вычислительных экспериментов, предложенное усиление только одной части здания, не дает желаемого эффекта: меняется лишь характер осадок, а не их значения. Причиной этого является своеобразная ступенчатая конструкция фундаментов, являющаяся недостаточно жесткой, в результате чего здание располагается не строго горизонтально. Получается, что, закрепив здание от осадки и сползания в нижнем углу, мы, тем самым, инициируем осадку части конструкции, расположенной выше по склону. Здание стремится принять наиболее устойчивое положение, что и приводит, учитывая слабые грунты, к такому характеру осадок.

Таким образом, не всегда самый простой и очевидный способ усиления является самым эффективным. И лишь моделирование пространственной системы ЗФО, учитывающее все виды нагрузок и грунтовых особенностей позволяет прогнозировать действительный характер осадок и дает возможность предсказать, нужно ли делать усиление и как его делать.

Анализ напряженного состояния конструкций сооружения показал, что в несущих стенах и фундаменте исследуемого здания напряжения не превышают допустимых значений и стены находятся в относительной безопасности. Бетонные пояса усиления практически полностью разгружают стены здания.

Но в грунте (слабосжимаемая текучепластичная глина) в отдельных наиболее опасных местах возникают большие растягивающие напряжения (рис. 5, 6), превышающие несущую способность грунта, и может произойти выпучивание грунта, что в свою очередь может привести к разрушению бетонной подготовки пола цокольного этажа. Для восприятия этих напряжений предложено ввести арматурную сетку, что и было реализовано на практике.

Рис. 5. Напряжения, возникающие в конструкции фундамента и основания по оси х

Рис. 6. Напряжения, возникающие в конструкции фундамента и основания по оси у

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. - М.: Стройиздат, 1985.

2. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1985. - 41 с.