Особенности учета совместной работы конструкций здания и грунтового основания при проектировании в сложных грунтовых условиях

Проблемы, возникающие при проектировании и строительстве оснований и фундаментов высотных зданий обусловлены тем, что рост этажности и размеров здания в плане приводит к существенным качественным изменениям процесса формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) основания, конструкций фундаментов и здания, а также совместной работы всей системы в целом. В результате значительная нагрузка от фундаментов высотных зданий передается на отложения, обладающие недостаточно высокими прочностными и деформационными характеристиками. Соответственно, роль основания в этой системе увеличивается.

Проектирование уникальных зданий и сооружений без учета совместной работы конструкций здания и грунтового основания может привести к неточности в определении нагрузки на грунт и его поведении. В следствие этого основание может потерять свою устойчивость.

Следствием неучета совместной работы конструкций здания и грунтового основания могут стать:

·     искривление стен и появление трещин (при неравномерной осадке фундамента);

·     развитие крена (при продольном крене отдельных частей сооружения осадочные швы могут закрываться либо раскрываться);

·     значительные смещения конструкций, которые ограждают массив грунта или заделаны в него;

·     выпор грунта, сопровождающийся большой осадкой фундамента.

Этапы развития расчета системы «основание – фундамент – надфундаментная конструкция»

1 этап. Проектирование строительных конструкций по предельным состояниям

Концепции и методики расчетов оснований и фундаментов, основанные на методе предельных состояний, были разработаны и апробированы строительной практикой СССР для зданий и сооружений этажностью до 17–22 этажей с фундаментами, передающими на естественное грунтовое или укрепленное основание нагрузки не выше 0,2–0,3 МПа и устраиваемыми в котлованах глубиной до 15–20 м. В стесненных условиях среднее расчетное давление, например, под 30-этажным жилым домом достигает порядка 0,5–0,7 МПа. В СССР практически не сталкивались с такими величинами давлений при опирании фундаментов зданий на нескальные грунты.

Современные российские нормы проектирования являются переработкой советских нормативных документов и также не устанавливают конкретных требований к расчету уникальных зданий, зданий повышенной этажности. Действующая система нормативов в строительстве предполагает индивидуальный подход к проектированию высотных зданий, разработку технических условий (ТУ) для каждого из них.

2 этап. Проектирование строительных конструкций с помощью ЭВМ в простейших программных комплексах

В начале 60-х годов в отечественном строительстве возникло новое направление – строительство зданий повышенной этажности. В результате этого увеличилась величина передаваемых на грунтовое основание нагрузок. Это привело к следующим трудностям в проектировании оснований.

Во-первых, учет нелинейного характера зависимости между сдвиговыми напряжениями и деформациями имеет принципиальное значение при моделировании работы грунта. При напряжениях, достаточно далеких от предела прочности деформации будут происходить достаточно медленно; при приближении к пределу прочности скорости деформации будут резко возрастать.

Во-вторых, повышение нагрузок на основание приводит к существенным качественным изменениям процесса формирования напряженно-деформированного состояния (НДС) основания, конструкций фундаментов и здания, а также совместной работы всей системы в целом. В результате в процессы формирования НДС зоны влияния высотного здания вовлекаются огромные массивы грунта как под подошвой фундаментов (плиты, пят свай), так и в стороне от ограждающих конструкций.

Ведущим ученым строительной отрасли стало ясно, что решение задач, возникших при появлении высотного строительства, необходимо искать в применении численных методов, а также ЭВМ, которые в то время были еще весьма несовершенны и для строительной отрасли трудно доступны.

Ближе к 2000 годам произошел бум в сфере компьютеризации: появились «понятные» операционные системы, которые сделали персональный компьютер доступным для строительной отрасли. Вместе с тем развивались и программы, которые существуют и по сей день: LIRA, SCAD, STARK ES и др. Основным недостатком данных программных комплексов была невозможность совместного расчета системы, поэтому на практике проектировщики разбивали этот расчет на две части:

·     основание + фундамент;

·     фундамент + надфундаментная конструкция.

3 этап. Проектирование строительных конструкций с учетом совместной работы всей системы

Сегодня, когда современные программные комплексы позволяют выполнять сложнейшие совместные расчеты строительных конструкций с учетом разнообразных комбинаций нагрузок, перед проектировщиками остаются вечные проблемы, которые не позволяют довести точность этого расчета до идеального, такие как:

·     трудность представления основания в общей расчетной модели;

·     трудность оценки деформируемости грунтов во всех точках основания и выбора коэффициентов постели (буровые скважины обычно располагаются через 20–50 м);

·     трудность определения глубины сжимаемой толщи.

Центральные научно-исследовательские институты и проектные организации работают над этими проблемами, стараясь минимизировать разницу между результатами расчета и реальными показателями.

Кроме того, уже сегодня современные программные комплексы (PLAXIS 2D, MIDAS GTS и т.д.) дают приближенные к реальным значения параметров (осадка, глубина сжимаемой толщи).

Рисунок 1. Расчетная схема в программе PLAXIS 2D

На международном форуме высотного и уникального строительства «100+ FORUM RUSSIA» в 2015 году ведущими проектными институтами была проанализирована работа основания высотного здания; были определены глубина сжимаемой толщи и максимальная осадка от действия собственного веса здания. Результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Сравнение результатов

Расчетные значения данных параметров были сравнены с фактическими и было определено, что значения параметров в программном комплексе PLAXIS 2D наиболее приближены к ним.