Тетрадь N2, 2001

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

А.Г.Шашкин, К.Г.Шашкин

ПРИМЕРЫ СОВМЕСТНОГО РАСЧЕТА ЗДАНИЯ И ОСНОВАНИЯ

Рассмотрим несколько примеров расчета взаимодействия конструкции здания и его основания. Все эти примеры взяты из реальной практики проектирования зданий в Санкт-Петербурге.

Прежде всего, вниманию читателя будет предложен ретроспективный анализ аварийной ситуации, сложившейся с административным каркасным зданием. Деформации здания фиксировались в течение 15 лет с помощью геодезических измерений. Это позволяет сравнить результаты расчета с результатами измерений и оценить достоверность разработанной расчетной методики. После этого остановимся на примерах расчета новых зданий с учетом совместной работы их конструкции и основания и рассмотрим эффекты, которые обычно ускользают из поля зрения проектировщика при раздельном расчете оснований и зданий. В заключение проанализируем ситуацию, типичную для реконструкции городской застройки: встройку нового здания между двумя существующими жилыми домами.

5.1. Ретроспективный анализ причин деформирования административного здания

Четырехэтажное здание предприятия "Малахит" было возведено в конце 1970-х годов в виде прямоугольного в плане строения с железобетонным сборным каркасом на подвальном этаже. Фундаменты были выполнены в виде ребристого монолитного железобетонного "корыта", состоящего из плиты днища толщиной 500 мм и ребер по периметру плиты и по продольным осям (под колоннами). Глубина заложения подошвы плиты днища составляет 3,9 м от поверхности. К зданию с двух сторон примыкают лестничные клетки с лифтовыми шахтами, возведенные из бетонных блоков в цокольной части и выше - из кирпича на отдельных фундаментных плитах толщиной 500 мм из монолитного железобетона. Проектом предусматривалось устройство деформационного шва в примыкании лестниц к основному объему.

В основании здания под пластовым дренажом толщиной 0,65 м из крупнозернистого песка залегают озерно-ледниковые текучие ленточные глин (w=0,41, е=1,04, IL=1,2) с мощностью слоя до 6,5 м, подстилаемые моренным мягкопластичным суглинком (w=0,26, е=0,7, IL=0,6).

После строительства здания стал наблюдаться перекос направляющих лифта. Организация, эксплуатирующая лифты, была вынуждена их отключить, поскольку система уже не допускала рихтовки. В это же время стало наблюдаться раскрытие деформационного шва. С 1987 г. за зданием было организовано постоянное геодезическое наблюдение (рис.1).

Для стабилизации деформаций было предложено весьма сомнительное решение: засыпать подвальную часть лестничных клеток 3-метровым слоем песка. Оно оказалось роковым для здания. Стал интенсивно развиваться крен лестничных клеток в сторону от здания с раскрытием деформационного шва и появлением системы вертикальных трещин в зоне примыкания с первого по третий этаж. К 1995 г. наибольшие осадки наружной стены лестничной клетки достигли 60 мм, деформационный шов в уровне пола 4 этажа раскрылся на 130 мм. Щель была забетонирована, но к концу 2000 г. раскрылись еще на 80 мм. К этому времени осадку одной лестничной клетки осадки достигли 80 мм, а крен 350 мм, у другой - соответственно 55 мм и 183 мм.

Обследование показало, что деформационные швы в кирпичной кладке стен и фундаменте не совпадают в плане: в уровне цоколя шов смещен на 50 мм в сторону основного объема здания относительно шва в кирпичных стенах. Это обстоятельство объясняет возникновение трещин в нижней части кладки стен. Было также установлено, что подошва фундаментной плиты ленточных клеток расположена на 0,5 м выше, чем у основного объема здания. Слой крупнозернистого песка выполнен только под частью плиты лестничной клетки (в зоне примыкания). Таким образом, имеет место опирание блока лестничной клетки на плиту основного здания при наличии неоднородности основания.

Для оценки причин неравномерных деформаций здания и выбора варианта усиления была произведена серия геотехнических расчетов. Для того, чтобы корректно оценить характер деформаций здания, в расчетах необходимо было учесть следующие факторы:

1. пространственную работу грунта основания с учетом физической нелинейности;
2. работу конструкций фундаментов (фундаментных плит под зданием и лестничными клетками);
3. работу надземных конструкций здания (железобетонного каркаса и кирпичной кладки стен лестничных клеток).

Расчетная схема для совместного расчета здания и основания показана на рис. 1. Для моделирования основания использовалась упругопластическая модель среды с предельной поверхностью, описываемой критерием Мизеса-Шлейхера-Боткина, поверхность пластического потенциала при этом предполагалась параллельной гидростатической оси. Для моделирования надземных конструкций использовались стандартные пространственные стержневые конечные элементы с 6 степенями свободы в узле (для каркаса здания), а также плоские оболочечные элементы, сочетающие плоское напряженное состояние в плоскости элемента и изгиб из плоскости (для фундаментных плит, диафрагм жесткости, перекрытий и стен лестничных клеток).

Рис. 1. Расчетная схема (разрез между осями 2 и 3). Цифрами подписаны номера слоев грунта: 1 - техногенный слой 1, 5 м; 2 - суглинок тугопластичный, 1,5 м (с=20 кПа, j=24°, g=20,7 кН/м3; Е=12 МПа); 3 - глина текучая, 4,7...6,7 м (с=8 кПа, j=18°, g= 19,0 кН/м3; Е=6 МПа); 4- суглинок моренный тугопластичный (с=20 кПа, j=16°, g= 20,4 кН/м3; Е=13 МПа);

Расчеты производились в 2 этапа: на первом этапе моделировалось напряженное состояние от собственного веса грунта, на втором шаге моделировались деформации от нагружения основания и конструкций фундаментов весом надземных конструкций.

Расчеты показали следующее.

1. Наибольшие осадки получают лестничные клетки. При этом характер и абсолютные величины осадок по расчету и по данным геодезических наблюдений практически совпадают (рис. 2), что говорит о корректности расчетной схемы и принятых в расчете физико-механических характеристик грунтов основания. Влиянием лестничных клеток объясняется увеличение осадок здания в области, прилегающей к лестничным клеткам. В целом такое влияние приводит к закручиванию конструкций здания (рис. 3), однако неравномерность осадок самого здания (исключая лестничные клетки) не превышает допустимых значений.

Рис. 2. Изолинии осадок фундаментов: а) по расчету; б) по результатам геодезических измерений

Рис. 3. Деформации здания по расчету (масштаб деформаций увеличен в 50 раз).

2. В случае корректного выполнения деформационного шва между лестничными клетками и зданием, а также подготовки под фундаментные плиты крен лестничных клеток, как показывают расчеты (рис. 4), не превышает допустимых значений. Кроме того, наклон лестничных клеток происходит в этом случае в сторону здания, что противоречит результатам геодезических наблюдений.

3. Наблюдаемый крен лестничных клеток с наклоном от здания можно получить в расчете только при учете частичного или полного "зависания" конструкций лестничной клетки на плите основного здания. Как показывают расчеты, при учете такого "зависания" характер деформаций по расчету полностью совпадает с наблюдаемым по данным геодезических наблюдений (см. рис. 2, 5).

Рис. 4. Изолиниии осадок (м) (разрез между осями 2 и 3)в случае устройства полноценного деформационного шва.

Рис. 5. Деформации здания по геодезическим наблюдениям (масштаб деформаций увеличен в 50 раз). Деформированная схема получена при задании точкам схемы измеренных перемещений.

4. Как показывает расчет, в основании лестничных клеток наблюдается зона предельного состояния грунта, что говорит о возможности развития незатухающих осадок лестничных клеток. Это согласуется с геодезическими наблюдениями. Действительно, по данным наблюдений осадки марок, расположенных на основном здании имеют затухающий характер, в то время как осадки марок, расположенных на лестничных клетках (на внешней стене) продолжают активно расти.

5. При незначительном изменении прочностных свойств грунта, расположенного выше подошвы фундаментов (что вполне возможно вследствие динамических воздействий, протечек канализационных, водопроводных сетей и т.д) решение становится неустойчивым, что свидетельствует о возможности развития значительных осадок и обрушения лестничных клеток.

6. Моделирование усиления фундаментов лестничных клеток с помощью буроинъекционных свай показало, что такое усиление позволит избежать дальнейшего развития неравномерных осадок. При условии, что такое усиление было бы выполнено в самом начале процесса развития неравномерных деформаций, оно позволило бы избежать недопустимого крена лестничных клеток. В настоящее время такое усиление может снять опасность развития зон предельного состояния в основании лестничных клеток, а следовательно предотвратить дальнейшее развитие незатухающих деформаций.