Оценка надежности проектных решений по устройству фундаментов гостиничного комплекса в г. Боровое Республики Казахстан
д.т.н., профессор Жусупбеков А.Ж., к.т.н.,доцент Сонин А.М., PhD, доцент Алибекова Н.Т., докторант PhD Морев И.О. (кафедра «Строительство»)
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана Численные методы расчетов в практической геотехнике: сборник статей
научно-технической конференции.- Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2012 Аннотация. Расчеты, анализ и оценка надежности проектных решений по устройству фундаментов на слабых грунтах.
Abstract. Calculation, analysis and evaluation of reliability of design solutions for foundations on soft soil.
Ключевые слова. Слабые грунты, неравномерные осадки, надежность основания.
Целью работы являлось выполнение расчетов по определению абсолютных и относительных деформаций основания фундаментов, с использованием численных методов, а также оценка надежности возведения фундаментов с учетом наличия под их подошвой более слабого подстилающего слоя глинистого грунта, в сложных грунтовых условиях.
Здание гостиницы высотой от 1 до 4-х этажей запроектировано в монолитном железобетонном рамно-связевом каркасе и имеет достаточно сложную конфигурацию в плане. Каркас разделен температурно-осадочными и деформационными швами.
Согласно техническому отчету об инженерно-геологических изысканиях на объекте «Курортная гостиница и казино «Бурабай», выполненному в 2010 г., в геологическом строении участка изысканий до глубины 8,0-13,0 м принимают участие (сверху- вниз):
- современные делювиально-пролювиальные пески средней крупности и пески гравелистые с модулем деформации Е от 17 до 21 мПа, переменной мощностью от 1,7 до 2,4 метра, вмещающие в себя линзы и прослои водонасыщенного суглинка;
- элювиальные образования верхнего девона, представленные глинами и суглинками с модулем деформации, определенным в лабораторных условиях при замачивании, который изменяется в пределах от 4,4 до 14,3 МПа, и в среднем составляет 9,3МПа.По результатам исследований элювиальные грунты имеют высокую степень влажности, их консистенция изменяется от твердой до тугопластичной.
Грунтовые воды вскрыты на глубинах от 0,5 до 1,2 м от поверхности земли.
Водовмещающими отложениями являются все грунты, вскрытые на участке изысканий. Глинистые грунты, вскрытые на месте изысканий, характеризуются низким значением коэффициента фильтрации.
Также можно отметить, что застраиваемая территория, 10 годами ранее, являлась дном естественного озера. На данный момент урез водоема расположен на расстоянии от 200 до 300 м от рассматриваемого строительного объекта.
Учитывая особенности инженерно-геологических условий строительной площадки, проектной организацией было принято решение разработать проект отдельно стоящих фундаментов под внутренние несущие колонны каркаса здания, по периметру каркаса, предусмотреть ленточные фундаменты под колонны. В качестве несущего был принят верхний слой песчаного грунта и он рассматривался как естественная песчаная подушка, залегающая над более слабым подстилающим глинистым грунтом.
Проектной организацией расчет каркаса выполнялся в программном комплексе SCAD Office 11.1. В качестве расчетной модели основания принималась двухпараметрическая модель с осредненными в плане и по глубине грунтовыми условиями.
В процессе строительства здания Заказчик обратил внимание на появившиеся в конструкциях надземной части признаки деформаций, характерные для неравномерных осадок фундаментов. Строительство было временно приостановлено до выявления причин сложившейся ситуации и разработки мер по устранению дефектов.
Нами, по поручению Заказчика, были выполнены проверочные расчеты принятых в проекте размеров подошвы фундаментов, а также их абсолютные и неравномерные осадки.
Одной из основных задач, решаемых в рассматриваемой работе, являлось выявление и систематизация приведенной в отчете по инженерно- геологическим изысканиям толщи песчаных грунтов, покрывающих нижерасположенные глинистые грунты основания.
Необходимо отметить, что при относительно спокойном рельефе, мощность верхнего естественного слоя песчаного грунта, на который опираются подошвы фундаментов, по данным изысканий распределена крайне неравномерно как в плане, так и по глубине. Особенностью результатов инженерно-геологических изысканий являлось то, что, несмотря на неравномерное залегание слоя песчаного грунта, скважины были заложены только за пределами контура здания.
Величина осадок фундаментов, расположенных на кровле верхнего слоя - песчаного грунта, в значительной мере зависит от его толщины, а также от данной толщины грунта зависит и величина давления на кровлю подстилающих более слабых глинистых грунтов.
Учитывая сложившуюся ситуацию, нами с использованием имеющегося материала изысканий, были составлены обобщенные грунтовые профили, наиболее характерные для различных участков строительной площадки. В общей сложности было установлено 22 грунтовых профиля, которые в дальнейшем использовались при расчетах и анализе причин неравномерных осадок фундаментов.
Расчет осадок фундаментов выполнялся с использованием сертифицированной лицензионной программы общестроительных расчетов Base 7.4. В исходные данные, кроме прочих входили: размеры и фактическая глубина заложения подошвы фундаментов с учетом насыпного слоя грунта, а так же обобщенные грунтовые профили. Нагрузки по обрезу фундаментов принимались по результатам расчета каркаса здания в SCAD Office.
В общей сложности были выполнены расчеты 175 фундаментов под колонны каркаса здания.
Далее для проверки пригодности фундаментных решений к нормальной эксплуатации, была определена относительная разность осадок, которая определялась как для отдельно стоящих фундаментов, без учета перераспределения давления на основание надфундаментными конструкциями.
По результатам расчета осадок фундаментов нами было выявлено, что из 175 фундаментов в 21 расчетной ситуации, относительная разность осадок, рядом расположенных фундаментов, превышала предельно допустимое по действующим нормам значение 0,003 (фактический диапазон изменения от 0,0032 до 0,0058), но при этом абсолютная величина осадок не превышала 50%
от предельно допустимой величины 15 см.
Необходимо отметить, что относительная разность осадок в общем случае определяется по формуле:
L i DS
=w , где i – относительная разность осадок;
w - параметр, зависящий от жесткости системы «основание – фундаменты - надземная часть здания», имеющий значения от 0 до 1,0 и принимаемая равной 1,0 для расчетного случая отдельно стоящих фундаментов,
L
DS - вычисленная относительная неравномерность осадок для абсолютно гибкой конструктивной схемы.
Параметр w учитывается при корректной реализации в расчетных программных комплексах модели, учитывающей податливость грунтового основания.
В связи с вышеизложенным, полученные значения осадок являются максимально возможными и не учитывают их выравнивание надфундаментными конструкциями. В рекомендациях по результатам анализа, нами было предложено проектной организации, выполнить перерасчет каркаса здания с учетом составленных нами обобщенных грунтовых профилей.
Следующим этапом анализа, являлись проверочные расчеты по определению давления от отдельно стоящих фундаментов на кровлю более слабого подстилающего слоя глинистого грунта.
Рисунок 1. Расчетная схема к определению давления на кровлю слабого
подстилающего слоя грунта.
Расчеты выполнялись с учетом требований норм проектирования (п.
2.48 СНиП РК 5.01-01-2002).
Проверка давления
выполнялась для 3-х наиболее невыгодных сочетаний условий по нагрузкам, размерам подошвы и расстояниям от подошвы фундаментов до кровли более слабого глинистого грунта.
По результатам проверочных расчетов было установлено, что при рассмотренных вариантах давление на кровлю более слабого грунта не превышает 60 - 70% от допустимых значений.
Третий этап поверочных расчетов – проверка более слабого глинистого грунта по несущей способности.
Расчет оснований по несущей способности выполнялся в соответствии с требованиями п. 2.58 СНиП РК 5.01-01-2002.
Для наиболее невыгодных сочетаний начальных условий, коэффициент запаса по несущей способности основания, сложенного глинистыми грунтами составил от 1,73 до 3,31.
С целью повышения достоверности результатов расчета осадок фундаментов, Заказчику было предложено провести полевые исследования по определению штампового модуля деформации глинистого грунта в скважинах, который как известно, из опыта инженерной геологии, в ряде случаев, превышает модуль деформации полученный в лабораторных условиях.
На территории строительного объекта было выполнено 2 штамп опыта по определению модуля деформации подстилающего глинистого грунта, согласно ГОСТ 20276-85 «Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости», в местах, указанных Заказчиком.
Опытным работам были подвергнуты глинистые грунты, залегаемые на глубинах 2,80 и 3,85 м, с заглублением штампа от кровли рассматриваемого слоя на 0,5 м.
Результаты определения модуля деформации E глинистых грунтов основания приведены на графиках зависимости осадки штампа S от давления Р (рис. 2 и 3) и в таблице 1.
Таблица 1. Результаты определения модуля деформации E глинистых грунтов
№ испы- тания
Наимено- вание
грунта Заглуб- ление штампа
v Кр К1 D,
см Δp=pn- p0,
МПа Δs=sn-s0,
см Е,
МПа
№1 Глина 2,80 0,42 0,70 0,79 27,7 0,15 0,4280 4,42
№2 Глина 3,85 0,42 0,70 0,79 27,7 0,15 0,1723 10,98 Опытные работы дали достаточно противоречивые результаты, которые отличаются от среднего, более чем на 25%, что говорит о необходимости проведения дополнительных опытных работ по определению модуля деформации глинистого грунта. Столь значительное расхождение результатов, могло быть вызвано тем, что глинистый грунт содержит примесь гравия, которая может значительно повлиять на деформационные свойства рассматриваемого грунта.
Таким образом, по результатам анализа принятых и фактически выполненных проектных решений фундаментов, установлено, что не учтено одно из обязательных требований норм проектирования оснований по деформациям – величина относительной разности осадок, рядом расположенных фундаментов, превышает предельно допустимые значения.
Также необходимо отметить то, что согласно проектному решению, подошва фундаментов опирается на песчаный грунт, содержащий прослои и линзы водонасыщенного суглинка. Глубина заложения наружных и внутренних фундаментов, на момент возведения каркаса здания, составляла 0,50-0,90 м, что значительно выше глубины промерзания грунта. Уровень грунтовых вод расположен на глубинах от 0,5 до 1,20 м о поверхности земли. При данных обстоятельствах, рассматриваемый песчаный грунт нельзя считать надежным основание, так как в талом состоянии линзы и прослои суглинка значительно ухудшают деформационные свойства грунта основания, а при замерзании могут проявлять пучинистые свойства.
Рисунок 3. График зависимости осадки штампа S от давления Р (опыт №2) Рисунок 2. График зависимости осадки
штампа S от давления Р (опыт №1)
Основные выводы по результатам работы:
При подготовке к расчету и проектированию фундаментов, выдаче задания на проведение изысканий Заказчиком и проектной организацией не было учтено следующее:
1) От толщины верхнего слоя, сложенного песчаными грунтами, залегающего неравномерно как в плане, так и по глубине, кроме прочих условий во многом зависит величина как абсолютных, так и неравномерных осадок, что и было подтверждено нашими расчетами. Тем не менее, при проведении изысканий в средней части здания не было заложено ни одной скважины и расчет осадок выполнялся по инженерно- геологическим разрезам, расположенным за пределами контура здания.
2) По получении отчета о результатах инженерно-геологических изысканий и его анализа Заказчиком, проектной организации необходимо было предусмотреть дополнительные изыскания, что на стадии разработки рабочих чертежей предусмотрено нормами проектирования. Кроме этого, в дополнение к проведенным изысканиям, рекомендовалось провести штамповые испытания элювиальных глинистых грунтов в скважинах для установления различия между штамповым модулем, полученным в условиях естественного залегания и лабораторным модулем деформации.
До получения результатов штамповых испытаний такой информации по конкретному виду грунта не имелось.
3) Необходимо отметить, что нормы на проведение инженерно- геологических изысканий содержат минимальные требования, которыми руководствовалась изыскательская организация, но окончательное решение о составе и объеме изысканий, а так же решение о необходимости проведения дополнительных изысканий определяет Заказчик совместно с проектной организацией.
4) В процессе расчета осадок отдельно стоящих фундаментов, кроме определения их абсолютных величин, проектной организации необходимо было выявить и на стадии проектирования, с использованием известных в практике проектирования фундаментов методов (вариация размеров подошвы, учет жесткости надземной части здания и т.д.) выровнять неравномерные осадки в тех местах, где по предварительным расчетам они превышают предельно допустимые значения.
5) В связи с изложенным выше считаем, что окончательное решение о необходимости усиления фундаментов в тех местах, где это необходимо, следует принимать по результатам геодезических наблюдений осадок фундаментов, выполненных в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями, изложенными в ГОСТ 24846-81. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений.
6) Мероприятия по предотвращению развития неравномерных осадок фундаментов могут включать улучшение свойств грунтов и (или) увеличение жесткости надземной части здания. Закрепление грунтов в конкретной ситуации технически не представляется возможным, в связи с
чем, как вариант, было предложено увеличить жесткость надземной части здания в тех местах, где по результатам геодезических наблюдений выявлены недопустимые неравномерные осадки фундаментов путем устройства в осях между колонами стальных связей по всей высоте пролета или только под перекрытиями в виде элементов сквозных балок, ферм, арок и т.д.
Литература:
1. Технический отчет об инженерных изысканиях на объекте: «Курортная гостиница и казино «Бурабай»», ТОО «КарагандаГИИЗ и К», 2010 г.
2. МСП 5.101-102-2002 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений, Астана – 2005 г.
3. СНиП РК 5.01-01-2002 Основания зданий и сооружений. Астана – 2002г.
4. ГОСТ 20276-85 «Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости».
