Тетрадь N2, 2001

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗДАНИЯ И ОСНОВАНИЯ: МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

А.Г.Шашкин, К.Г.Шашкин

ПРЕДИСЛОВИЕ

Социальные и экономические изменения, произошедшие в нашей стране, затронули все стороны жизни общества, и в том числе, строительную отрасль. Все участники строительного процесса - изыскатели, проектировщики, подрядчики, застройщики, инвесторы - стали вполне реальными юридическими лицами. Главный архитектор проекта - руководитель архитектурной мастерской, наконец, занял подобающее ему положение: стал главной фигурой проекта. Теперь, как и в дореволюционные времена, любое строящееся здание ассоциируется, прежде всего, с именем архитектора. Это, заметим, ко многому обязывает. С именем архитектора связываются не одни только художественные совершенства или недостатки здания. Теперь нередко можно услышать "Архитектор NN построил дом и развалил два соседних". Или : "Где бы ни строил архитектор ХХ, у него всегда трещат соседние дома".

Совершенно бесполезно оправдываться, говоря, что не архитектор только проектирует здание, что это недоработка конструкторов. В настоящее время, когда архитектор стал во главе проектного дела, он обязан быть Зодчим. Он должен привлекать к проектированию не только талантливых ассистентов-архитекторов, но и опытных конструкторов. Если же архитектор проектирует в Петербурге, и особенно, в историческом центре города, ему не обойтись без геотехника-специалиста по основаниям и фундаментам. Это обусловлено тем, что Петербург расположен на территории, чрезвычайно сложной в инженерно-геологическом отношении. Под всем историческим центром города многометровой толщей (от 10 до 30 м) залегают слабые глинистые отложения. Более 90% случаев деформаций зданий Петербурга обусловлены причинами, так или иначе связанными с поведением грунтов основания.

Современный проект в любой цивилизованной стране мира держится на трех китах: архитекторе, конструкторе и геотехнике. Чем раньше понимание этого обстоятельства будет достигнуто руководителем проекта - главным архитектором - тем совершеннее будет геотехническая составляющая проектного решения, тем надежнее будет проектируемое здание и безопаснее технологии его возведения для окружающей исторической застройки. Сотрудничество с геотехниками для архитектурной мастерской - это гарантия сохранения ее высокого профессионального рейтинга, страховка от ошибок, связанных с недоучетом свойств коварных питерских грунтов.

В.М.Улицкий

ВВЕДЕНИЕ

Геотехническим вопросам строительства зданий и сооружений в Санкт-Петербурге уделялось самое серьезное внимание с самого момента основания города. Топкие невские берега укреплялись деревянными сваями. Обычная длина свай составляла 8...9 м, но в ряде случаев погружались и длинные 12...14-метровые сваи. Если встречался торф, он извлекался и заменялся песчаной подушкой, укладываемой с трамбованием. Особо тщательно готовилось основание под уникальные сооружения. Вот, например, свидетельство об устройстве основания под Смольный собор. По "Доложению в кабинет Ея Императорского Величества" "... по оказавшейся слабости земли ... вынять земли надлежит еще в глубину на четыре аршина с четвертью (3 м). Для сего вынято той земли под фундамент глубиной 2 сажени один аршин с половиною (5,4 м) и глубже малой воды в Неве на четверть аршина (0,18 м). ... После той выемки должно еще бить сваи". Причем погружение свай "с великой трудностью происходит...", (что согласуется инженерно-геологическим строением площадки - залеганием плотных пылеватых песков в основании Собора).

Не меньшее внимание уделялось и рядовой застройке города. Она возводилась преимущественно на ленточных бутовых фундаментах на естественном основании. Несущим слоем для фундаментов являлись дельтовые песчаные отложения, залегающие слоем 3...5 м почти повсеместно на территории исторического центра города. До 1917 г. существовало жесткое ограничение нагрузки на основание: высота зданий не должна была превышать уровня карниза Зимнего дворца. Не станем отрицать: возможно, что просвещенные монархи, вводя такое правило, руководствовались иными соображениями - этическими и эстетическими. Тем не менее ограничение оказалось весьма удачным в геотехническом плане: поверхностные дельтовые пески перераспределяли нагрузку от бутовых фундаментов здания; при скоростях нагружения, свойственных той эпохе, на кровлю слабых глинистых отложений приходились такие нагрузки, которые не вызывали их расструктуривания.

Наше время, с его высокими скоростями строительства, с тенденциями повышения нагрузок на основание и потребностью освоения подземного пространства, - существенным образом отличается от предшествующих веков по степени влияния на сложившуюся городскую застройку и, прежде всего, на грунты в ее основании.

Характерной особенностью последнего десятилетия является концентрация строительной деятельности преимущественно в зоне сложившейся городской застройки. Интенсивно застраиваются пустыри и лакуны, оставшиеся со времен Великой Отечественной войны. Осуществляется глубокая реконструкция исторических зданий. От строений, утративших внутреннюю отделку, во многих случаях оставляется только лицевой фасад, все внутренние конструкции заменяются на новые. При этом чрезвычайно важной задачей становится обеспечение совместной работы новых конструкций и сохраняемых старых стен.

Настоящей бедой для сложившейся городской застройки стало освоение лакун - возведение новых зданий в непосредственном примыкании к существующим. Анализ причин развития деформаций существующих зданий, проведенный нами по случайной выборке из 50 объектов, показал, что 58% случаев деформаций обусловлены техногенными факторами, связанными с ошибками при изысканиях, проектировании и строительстве примыкающих объектов. Глядя на сегодняшнюю практику строительства в историческом центре города, можно с прискорбием констатировать, что практически ни одно новое строительство не обходится без существенного повреждения соседних зданий. Лозунгом последних лет является: "Дом строим - два ломаем!". Причин такого чудовищного положения дел много - и объективных, и субъективных.

К объективным следует отнести, прежде всего, отсутствие норм по реконструкции кварталов городской застройки, к которой можно отнести как строительство новых зданий-встроек и пристроек, так и глубокую реконструкцию с оставлением отдельных фрагментов исторических строений. Современные федеральные нормы не дают практически никаких указаний по вопросам реконструкции. Несколько лучше обстоит дело с региональными петербургскими нормами. Вышедшие в 1996 г. ТСН 50-302-96 содержат предписания об ограничении статической составляющей дополнительной осадки соседних зданий величиной от 2 до 6 см в зависимости от состояния окружающей застройки. Допуск столь существенных величин дополнительных осадок представляется весьма смелым сам по себе, не говоря уж о том обстоятельстве, что осадки могут происходить уже на стадии производства работ, что никак не оговаривается действующими нормами. Неслучайно изданные недавно московские региональные нормы ограничивают осадку зданий - памятников архитектуры от всей возможной совокупности воздействий величиной 2 мм, т.е. в 10 раз меньшей, чем в Петербурге!

Жизнь подсказывает, что следует считаться не только с соседством с памятниками архитектуры, но и с наличием современной высококачественной отделки, стоимость которой сопоставима со стоимостью строительно-монтажных работ. В цивилизованных странах давно подсчитано, что дешевле обеспечить реальную безосадочность зданий, чем тратить деньги на бесконечное восстановление отделки от повреждений, вызванных неравномерными осадками. Этот урок должен быть воспринят и нами: если мы хотим иметь по-европейски комфортабельный офис или жилье, мы должны проектировать адекватные им фундаменты. Это относится и к аспекту влияния строящегося здания на окружающую застройку, и к собственно объекту строительства.

Другой объективной причиной неблагоприятной ситуации со строительством в центре города является естественное усложнение задач, стоящих перед участниками строительного процесса.

Сжатые сроки строительства, стремление устроить подземный объем под пятном застройки и пространством двора, возрастание нагрузок на основание - вот перечень основных проблем современного строительства в центре города. Их успешное решение может быть обеспечено только применением современных геотехнологий, адаптированных к инженерно-геологическим условиям города (что является отдельной и весьма сложной задачей геотехники, выходящей за рамки настоящей публикации), а также применением новейших инструментов расчета системы "здание-фундаменты-основание".

Федеральные и Петербургские геотехнические нормы прямо предписывают учитывать совместную работу несущих конструкций зданий и сооружений с их основанием в следующих условиях:

• неравномерной сжимаемости грунтов на естественном основании и под острием висячих свай;
• подрабатываемых территорий в районах возможного изменения свойств основания в связи со строительством подземных сооружений под построенными или проектируемыми объектами (метро, коллекторы больших диаметров, подземные переходы и т.п.);
• дополнительных осадок, вызванных строительством новых объектов на соседних участках, т.е. в зоне их влияния.

Это - дословная цитата из ТСН 50-302-96.

Остается задать риторический вопрос: строительство какого здания или сооружения в черте городской застройки (кроме разве что газетного киоска или ларька для продажи овощей) остается вне поля действия этого требования? Если же совместный расчет обязателен, то отчего же он остается таким редким в сложившейся практике проектирования? Ответ на этот вопрос опять-таки содержит объективный и субъективный аспекты.

Начнем с субъективного, который одновременно является и причиной неблагоприятной строительной ситуации при застройке центра города. Демонополизация рынка проектных услуг, сопровождающаяся разрушением крупных проектных институтов, привела к образованию небольших мобильных и конкурентноспособных архитектурных фирм, многие из которых уже завоевали заслуженную известность. Оборотной стороной этого позитивного процесса оказалась оторванность большинства этих фирм от расчетных центров, которые имелись во всех крупных институтах. Оказалось, что свобода выбора далеко не всегда способствует привлечению наиболее квалифицированного (и, естественно, дорогостоящего) специалиста, владеющего современным расчетным аппаратом. Да, и что скрывать: к сожалению, таких специалистов в нашей стране считанные единицы. Они одни способны, виртуозно используя имеющиеся программные продукты, правильно моделировать работу надземной коробки здания и стыковать ее с упрощенной моделью основания. Что же касается моделей оснований, отвечающих современному уровню развития механики грунтов - до последнего времени они применялись, в лучшем случае, исключительно для расчета оснований, без учета фактической жесткости надземных конструкций. Сложилась достаточно парадоксальная ситуация: специалист - надземщик рассматривает здание как стоящее на абсолютно неподатливом основании (на скале) и полученные из такого расчета реакции передает фундаментщику; последний же прикладывает эти реакции на упругую, упруго-пластическую или вязкую среду как абсолютно гибкую нагрузку. Спрашивается: какое же у нас основание - абсолютно жесткое или податливое? Какое у нас здание: абсолютно гибкое или конечной жесткости?

Очевидно, что если процесс расчетов сделать итерационным, на каждой итерации прикладывая к зданию осадки, полученные из решения задачи о деформации основания, а к основанию - новые реакции от здания, то в результате может быть достигнуто решение совместной задачи. Однако реализация такого итерационного процесса вручную для двух разных пакетов программ (расчета надземных конструкций и расчета оснований) - цель практически не достижимая.

Объективным препятствием развитию компьютерных программ, реализующих расчеты взаимодействия основания, фундаментов и здания, являлась потребность в огромном объеме памяти и высоком быстродействии компьютеров. Для расчета пространственной работы оснований требуется огромный порядок системы линейных алгебраических уравнений, в большинстве случаев намного превышающий размерность системы при расчете здания на абсолютно неподатливых опорах. В связи с этим задачи геотехники всегда стремились решать с минимальной деталировкой расчетной схемы основания. При совместном расчете оснований и здания такой подход невозможен, поскольку уровень деталировки конечно-элементных сеток диктуется схемой надземных конструкций. В связи с указанными объективными сложностями в расчетной практике развитие получили упрощенные методы расчета ограниченного класса фундаментов, а именно методы расчета зданий на фундаментных плитах с использованием различных гипотез о работе основания, описываемых чаще всего так называемыми коэффициентами постели. Совместный расчет основания и здания на столбчатых, ленточных фундаментах на естественном основании и на сваях до сих пор остается задачей, решаемой лишь для отдельных уникальных объектов. Таким образом, можно констатировать, что требование действующих региональных норм о совместном учете работы основания и здания не выполняется на практике.

В настоящей публикации сделана попытка показать возможность успешного разрешения этой проблемы. Авторы поставили перед собой задачу разработать методику совместного расчета оснований и зданий, которую, во-первых, можно реализовать на вычислительной технике, доступной проектным фирмам, и, во-вторых, можно выполнить за промежуток времени, приемлемый для проектировщика (не более суток).

Для того, чтобы продемонстрировать преимущества предлагаемой нами методики совместного расчета, остановимся сначала на кратком обзоре известных упрощенных методов и очертим область их применения. Далее нам придется кратко описать математическую процедуру решения системы уравнений, без которой данная методика была бы неосуществимой, и дать характеристику структуре расчетной программы и ее основным элементам (Технические и математические подробности проводятся в тексте петитом). После этого на конкретных примерах мы рассмотрим возможности методики и эффекты, которые остаются незамеченными при сложившейся практике расчетов, но тем не менее являются весьма существенными для правильной оценки работы конструкций здания.

Надеемся, что данная публикация, знакомящая с новым инструментом для совместного расчета здания и основания, окажется полезной для специалистов проектных фирм, а применение этого инструмента в практике проектирования позволит снизить процент ошибок, связанных с недоучетом работы грунтов в основании здания.