Содержание

При реконструкции зданий часто возникают условия дополнительного нагружения основания, либо необходимость углубления существующих подвалов, используя подземное пространство для производственных (технологических) целей. Для г. Санкт-Петербурга сложность данного вида работ обусловлена, прежде всего, условиями существования в основании фундаментов слабых водонасыщенных (структурно-неустойчивых) грунтов. Типичные геологические условия территорий в пойме р. Невы могут быть представлены следующими напластованиями:

1. Техногенные отложения мощностью 2...3 м.
2. Дельтовые отложения (пески от пылеватых до средней крупности переслаивающиеся и выклинивающиеся между собой) мощностью до 5...6 м.
3. Морские отложения (супеси и суглинки от мягкопластичной до текучей консистенции) мощностью до 12...16 м. Отличительной особенностью данных структурно-неустойчивых (часто ленточных) отложений, является их способность при незначительных динамических воздействиях переходить в тиксотропное состояние с потерей структурной прочности и развитием неравномерных осадок.
4. Ледниковые моренные отложения в виде суглинков и супесей тугопластичной консистенции, расположенные на глубине от 20 м и более.

Среднегодовой уровень грунтовых вод колеблется, как правило, на глубине порядка 1,5...2,0 м от поверхности.

Фундаменты реконструируемых зданий с подвалами представляют собой чаще всего ленточные бутовые конструкции из известнякового или гранитного камня с глубиной заложения подошвы 2…3 м и передачей давления на дельтовые пески. Данные отложения, по сравнению с морскими, являются достаточно хорошими (надёжными), которые в основном и используются в качестве основания для исторических зданий Санкт-Петербурга.

Однако в ряде случаев по результатам реконструкции возникают условия, когда несущая способность песчаных отложений не достаточна, и тогда необходимо выполнить мероприятия по их усилению. Целесообразно выполнять мероприятия по усилению оснований, не воздействуя на ниже лежащие (подстилающие) структурно-неустойчивые морские отложения, что позволит минимизировать технологические осадки, возникающие в процессе производства работ.

Рассмотрим, в качестве примера, один из реконструируемых объектов Санкт-Петербурга – здание Большого Драматического Театра (БДТ) имени Г.А. Товстоногова. С этой целью выполним совместный расчёт основания для одного из ленточных фундаментов, с использованием известного программного комплекса [1]. В представленном расчёте (рис. 1.) нагрузки по обрезу фундамента и геологические условия приняты на основе ранее выполненных обследований для данного здания [2].

Image1. Результаты расчёта фундамента и основания по двум предельным состояниям свидетельствуют о перегрузки основания (коэффициент надёжности < 1). Не выполняются условия расчёта по I предельному состоянию – устойчивости. Такое состояние провоцирует развитие неравномерных осадок и образование трещин в надземных конструкциях стен.

Как видно из результатов представленного решения (рис. 1.), несущий слой основания – пылеватый песок, для данного фундамента, находится в перегруженном состоянии. Не выполняются условия расчёта СНиП 2,02,01-83* по I предельному состоянию – устойчивости. Данные обстоятельства вызывают развитие неравномерных осадочных деформаций и являются основной причиной появления и развития трещин в надземных конструкциях здания, что и было зафиксировано результатами обследования.

Для повышения несущей способности основания необходимо выполнить его усиление.

Анализируя, выше представленные грунтовые условия для данной площадки строительства, не трудно заметить, что при глубине заложения подошвы рассчитываемого фундамента – 3 м, слой пылеватого песка (γ = 19,8 кН/м³; φ = 25°; с = 2 КПа; Е = 12 МПа) – несущего основания под подошвой фундамента составит 1,7 м. Ниже расположена 14 м толща слабых структурно-неустойчивых морских отложений: супесей и суглинков от текучей до тугопластичной консистенции (І_L=1…0,56) с более низкими прочностными и деформационными характеристиками (φ = 5…13°; с = 4…6 кПа; Е = 5…9 МПа). И только на глубине 18…19 м залегают слои ледниковых моренных отложений в виде глин с относительно не плохими характеристиками (І_L=0,28; γ = 21 кН/м³; φ = 15°; с = 13 КПа; Е = 14 МПа).

Традиционный метод усиления оснований, который уже более 30 лет используется в Санкт-Петербурге, - это пересадка фундаментов на буроинъекционные сваи, длина которых и несущая способность определяются исходя из расположения ледниковых моренных отложений.

Для условий рассматриваемого примера (рис. 2.) расчётом была определена буроинъекционная свая длиной 20 м от подошвы фундаментов и диаметром 0,15 м.

Image2. Результаты расчёта буроинъекционной сваи с определением её несущей способности.

Полученное решение (рис. 2.) определяет несущую способность сваи в 11 т., при этом «остриё» данной сваи будет входить в слой ледниковых моренных глин на 2…3 м.

Используятот же программный комплекс, определим требуемое количество свай усиления для заданных (см. выше) условий нагружения и допустимых осадок (рис. 3.).

Image3. Результаты расчёта по определению необходимого количества свай усиления на 1 п.м .подошвы фундамента.

Из представленного расчётного обоснования (рис. 3.) видно, что для усиления перегруженного несущего слоя основания, необходимо выполнить буроинъекционные сваи усиления длиной 20 м, диаметром 0,15 м, с расположением их из условия 1,36 шт. на 1 п.м. подошвы фундамента, или с шагом 0,7 м. Малый шаг расположения буроинъекционных свай потребует разбуривание в теле бутовых фундаментов многочисленных скважин, с повышенным динамическим риском для фундаментных конструкций. Исходя видимо из этих соображений, в проекте принят шаг свай 1,5 м, что позволяет снизить эффект негативного воздействия бурения на кладку фундамента, однако создаст условия повышения расчётной нагрузки на 1 сваю, превышающую её несущую способность.

В результате запроектированные сваи усиления будут перегружены, что может вызвать:

• излом ствола сваи (сваи расположены в грунте под углом до 10°);
• осаду, превышающую предельно-допустимое значение – 20 мм.

Основной негативный фактор, который проявится при реализации данного проектного решения, - это развитие технологических осадок при выполнении 20 м буроинъекционных свай. Выполнение глубинных скважин (практически вне зависимости от способа бурения) через слои слабых морских отложений – текучих, текучепластичных супесей (суглинков), неизбежно вызовет изменение их структурных связей и развитие осадочных явлений. Подобные явления при выполнении свай, с развитием технологических осадок в 2…3 раза превышающих предельно-допустимые значения, уже не раз проявлялись в Петербурге при проведении буровых работ через слои структурно-неустойчивых оснований. При таком производстве работ возникают не только недопустимые осадки самих реконструируемых зданий, но образуется осадочная воронка, вовлекающая в зону деформирования и соседние территории (здания).

Снизить негативное развитие технологических осадок при проведении буровых работ через толщи структурно-неустойчивых оснований можно уменьшением длины буровой проходки, т.е. использованием более коротких свай. Однако, более кардинальное решение данной проблемы – это отказ от бурения толщи структурно-неустойчивых оснований. В этом случае усиление основания должно быть сконцентрировано на уплотнении несущего слоя основания – пылеватого песка, в котором расположены подошвы бутовых фундаментов реконструируемых зданий.

Покажем это на следующем расчётном примере (рис. 4). Поскольку, в существующем состоянии основание перегружено (см. рис. 1), то используя ранее представленный программный расчёт в программном комплексе [1], определим допустимую нагрузку, которую может передать данный фундамент на основание. Тогда, выполним предыдущие расчёты (рис. 1.), но со снижением вертикальной нагрузки до допустимых значений, при котором соблюдаются условия расчёта по I предельному состоянию, т.е. коэффициент надёжности =1.

Image4. Представленные результаты расчёта показывают, что фундамент по 32 оси должен быть нагружен допустимой нормативной нагрузкой не более 250 кН.

По полученным результатам расчёта (рис.4.) очевидно, что фундамент должен быть нагружен допустимой нормативной нагрузкой не более 250 кН.

Поскольку на данный фундамент фактически передаётся нагрузка в 454 кН, то, для обеспечения устойчивости фундамента, на существующий дефицит нагрузки (454-250=204 кН) должно быть выполнено усиление основания.

Одним из наиболее щадящих и эффективных способов усиления нагруженного основания под существующим фундаментом является устройство выштампованных микросвай (рис. 5.).Технология изготовления данных элементов усиления основания и расчётная информация по их проектированию, подробно изложена в книгах: [3]; [4].

Image5. Принципиальная схема выполнения выштампованныхмикросвай- конструктивных элементов усиления основания для повышения его несущей способности и снижения осадки. Левая сторона – вариант выполнения из шурфа (траншеи). Правая сторона – вариант выполнения с отм. пола подвала (через кондуктор).

Для определения необходимого количества конструктивных элементов -микросвай усиления основания, воспринимающих существующий дефицит нагрузки (454-250=204 кН), возникшей в результате перегрузки основания, воспользуемся методикой, изложенной в § 3.1[5].

Предварительно задаёмся размерами выштампованной микросваи (по условиям технологии её изготовления):

• Длина, ℓ =2,0м;
• Диаметр, Ø=220мм;
• Угол наклона к вертикали, α=30º

Микросвая будет расположена под углом наклона α=30º в основании, расчётные характеристики которого (с учётом I предельного состояния) определены в соответствии с таблицей «Данные по грунту» (рис.1).

Результаты данного решения с использованием программы (по ранее разработанной методике [4] (формула 2.14)), составленной в системе «Mathcad», представлены на рис. 6.

Image6. Для усиления основания - восприятия дефицита несущей способности основания (454-250=204 кН) потребуется устройство 4 выштампованных микросвай усиления основания (длинной 2,0 м и диаметром 0,22 м).

Устройство конструктивных элементов уплотнения основания – 4 выштампованных микросвай на 1 п.м. подошвы ленточного фундамента позволяет не только повысить на заданную величину несущую способность основания (рис. 6.), но также приводит к увеличению модуля деформации несущего слоя основания. Используя методику вычисления осреднённого модуля деформации [4], представляется возможным вычислить данную характеристику для нашей задачи (рис. 7.).

Image7. По полученным расчётным данным устройство 4 выштампованных микросвай уплотнят 2м несущий слой пылеватого песка, повысив модуль деформации до 20 МПа.

Полученное значение осреднённого модуля деформации до 20 МПа для несущего слоя основания (рис. 7.) позволит уменьшить величину осадки для реконструируемого сооружения. Для иллюстрации данного утверждения, приведём расчёт осадки (по методу СНиП) для нашего фундамента: - до (рис. 8а.) и после (рис. 8б.) усиления основания.

Image8. Расчётная схема к определению осадки ленточного фундамента методом (СНиП) послойного суммирования. а) до усиления основания выштампованными микросваями. б) после усиления основания выштампованными микросваями.

Результаты вычислений осадки до усиления основания (по итогам программного расчёта по СНиП) в сокращённом виде представлены в «таблице 1 расчёта осадки».

По результатам выполненных вычислений полученная величина осадки S =9.51см. Очевидно, что данная величина осадки, проявляясь неравномерно, вызвала появление трещин в надземных конструкциях здания. Такие трещины осадочного происхождения были выявлены в период обследования здания [2]. Следует отметить, что за период многолетней эксплуатации здания данная осадка уже практически реализовалась.

Выполним аналогичные вычисления по определению осадки фундамента, но для условий закреплённого слоя основания с модулем деформации в 20 МПа после устройства конструктивных элементов уплотнения – выштампованных микросвай (рис. 8б.).

Результаты вычислений осадки после усиления в сокращённом виде представлены в «таблице 2 расчёта осадки».

По результатам выполненных вычислений, после устройства конструктивных элементов усиления – выштампованных микросвай в количестве 4 штук на 1 п. м. подошвы, полученная величина осадки S = 7,8 см < 9.5 см - величины осадки данного фундамента до усиления основания.

Следовательно, дополнительное развитие осадки для данного фундамента, при неизменном статическом нагружении, не произойдёт.

Следует подчеркнуть, что выполнение конструктивных элементов – выштампованных микросвай усиления основания не затрагивает конструкцию бутового ленточного фундамента, а только усиливает основание, повышая его несущую способность. Такое конструктивное усиление существенно снижает фактор динамического воздействия на конструкции и не влияет на ниже лежащие подстилающие структурно-неустойчивые слои основания, что позволяет избежать развития технологических осадок.