РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ

Современная тенденция городов «расти вверх» не обойдет ни один современный мегаполис, в том числе и Красноярск. Кроме того, сегодня большая часть строительства осуществляется в условиях плотной городской застройки. В следствие этого застройщики в экономических целях вынуждены строить здания большой этажности.

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 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.

В стесненных условиях среднее расчетное давление, например, под 30-этажным жилым домом достигает порядка 0,5–0,7 МПа. В СССР никогда не сталкивались с такими величинами давлений при опирании фундаментов зданий на нескальные грунты.

Специалисты, разрабатывающие ТУ согласно [1], по геотехническим вопросам, как правило, отсылают к нормативным документам [2–5]. Заложенные в этих нормах концепции и методики расчетов оснований и фундаментов были разработаны и апробированы строительной практикой СССР и России для зданий 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. Гидротехнические нормы разработаны для сооружений, вытянутых в одном направлении. Адаптированные к указанным условиям методики [2–5] включают множество эмпирических правил и зависимостей, соответствующих параметрам обычных зданий и сооружений.

К сожалению, проблема учета грунтового основания при расчете пространственных конструкций в России активно решается и рассматривается при проектировании только в двух городах: Москве и Санкт-Петербурге.

Действующая система нормативных документов в строительстве предполагает индивидуальный подход к проектированию высотных зданий, разработку технических условий (ТУ) для каждого из них. В общем руководстве по составлению ТУ [1], во временных нормах по проектированию [6], а также в справочных рекомендациях нет конкретных указаний по методам расчета оснований и фундаментов высотных (уникальных) зданий.

Расчет фундаментов и сооружений без учета грунтового основания может привести к неточности в определении нагрузки на грунт и его поведении. В следствие этого грунтовое основание может потерять свою устойчивость. Для подавляющего числа зданий и сооружений значительные смещения неприемлемы; следует точно выделять максимально возможную нагрузку, действующую на массив грунта без потери устойчивости.

Следствием проектирования пространственных конструкций без учета грунтового основания является:

• искривление стен и появление трещин (при неравномерной осадке по длине 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;
• нарушение водостоков и трубопроводов;
• выпор грунта, сопровождающийся большой осадкой фундамента;
• выпучивание грунтов под пристройками к высотным зданиям, неравномерная их осадка (стилобаты).

Зданий в г. Красноярск, имеющих данные дефекты (в результате возможного неучета грунтового основания при проектировании) достаточно много. Например, торгово-развлекательный центр «Планета» – социально-важный ответственный объект, располагающийся на просадочных грунтах. Если рассмотреть кампус Сибирского федерального университета, то яркими примерами служат:

• корпус А «Пирамида»;
• общежитие №20.

Следствием проектирования этих зданий без учета грунтового основания стала неравномерная осадка по длине фундамента.

Исходя из вышесказанного, грунтовое основание нужно рассчитывать с учетом совместной работы фундаментов и надфундаментных конструкций на изгиб.

На практике же проектировщики чаще всего разбивают этот расчет на две части:

• основание + фундамент;
• фундамент + надфундаментная конструкция.

Расчет же совместной работы системы «основание + фундамент + надфундаментная конструкция» производится при проектировании редко по следующим причинам:

• 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;
• трудность правильного учета пространственной жесткости надфундаментной конструкции.

Многие 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).

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

Таблица 1.

Сравнение результатов расчета

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

Такой разброс получившихся значений говорит о необходимости расчета в нескольких программных комплексах.

К сожалению, в нашем городе присутствует большое количество просадочных грунтов, поэтому актуальность учета грунтового основания при расчете пространственных конструкций с каждым годом будет усиливаться. Уже сегодня проектировщики, обладая современными программными комплексами, могут производить расчеты, результаты которых приближены к фактическим.

Список литературы:

1. Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м/ Правительство Москвы; ОАО ЦНИИЭП жилища и др. – М., 2002.
2. СНиП 2.02.01–83*. Основания зданий и сооружений/ Госстрой РФ; НИИОСП. – М., 1985.
3. СП 50-101–2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений/ Госстрой РФ; НИИОСП и др. – М., 2005.
4. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01–83)/ НИИОСП. – М.: Стройиздат, 1986. – 415 с.
5. МГСН 2.07–2001. Основания, фундаменты и подземные сооружения/ Правительство Москвы; НИИОСП и др. – М., 2003.
6. МГСН 4.19–2005. Временные нормы проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в г. Москве/ Правительство Москвы; ОАО ЦНИИЭП жилища и др. – М., 2005.