Тетрадь N2, 2001

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

А.Г.Шашкин, К.Г.Шашкин

5.2. Выбор типа фундаментов для 16-этажного точечного здания

При проектировании шестнадцатиэтажного экспериментального крупнопанельного жилого здания в районе Шувалово-Озерки возникло характерное противоречие. С одной стороны, компактность здания в плане и относительно благоприятные инженерно-геологические условия площадки позволяли рассматривать вариант устройства фундаментов на естественном основании (сплошной монолитной железобетонной плиты). Под небольшим слоем техногенных грунтов (толщиной до 1,4 м) на глубину до 17 м от поверхности залегают озерно-ледниковые пылеватые супеси тугопластичной консистенции и плотные пылеватые пески, подстилаемые полутвердыми моренными супесями. С другой стороны, расчеты фундаментной плиты на основании, работа которого описывалась различными моделями (двухпараметрическая модель, упругое полупространство, трехмерное упруго-пластическое основание), показали что при приложении на фундаментную плиту нагрузок от веса здания она получает неравномерные осадки с максимумом в центре 19 см (см. рис.1).

Рис. 1. Деформированная схема и изолинии осадок (м) фундаментной плиты и окружающкго грунта. Темным цветом обозначены зоны предельного состояния грунта.

Такая величина осадок допускается региональными геотехническими нормами (ТСН 50-302-96). Тем не менее возникающая при этом неравномерность осадок в 1,5 раза превышает допустимое значение даже для плиты толщиной 1,2 м. Таким образом, вариант фундаментной плиты оказывается проблематичным. Его реализация возможна лишь в том случае, если надземные конструкции здания обеспечивают восприятие усилий, обусловленных сопротивлением развитию неравномерных осадок фундаментов. Иными словами, требовался совместный расчет здания и основания, однако авторы проекта надземных конструкций не предложили какого-либо математического описания модели этого экспериментального здания.

В результате единственно возможным вариантом, обеспечивающим нормативную неравномерность осадок здания без учета его жесткости, оказались свайные фундаменты. Всего было погружено порядка 200 свай длиной 15 м. Очевидно, что стоимость свайных фундаментов существенно превысила стоимость плиты.

Попробуем оценить, существовала ли возможность устройства фундаментной плиты, при учете совместной работы здания и оснований. При этом не будем претендовать более, чем на принципиальную оценку, поскольку детальное моделирование работы сопряжений панелей остается прерогативой авторов - разработчиков типовой серии.

Рис. 2. Расчетная схема.

На рис.2 представлена схема для совместного расчета здания и основания. Задачу решаем в 2 этапа: на первом формируем природное напряженное состояние грунтов основания, на втором моделируем возведение здания. В результате расчетов было выявлено следующее.

1. Здание получает практически равномерные осадки, варьирующие по абсолютной величине от 17 до 18 см (рис.3). Наблюдается незначительный крен, относительная неравномерность осадок не превышает 0,0001.

Рис. 3. Деформированная схема и изолинии осадок (м) здания и окружающкго грунта. Темным цветом обозначены зоны предельного состояния грунта.

2. Характер работы фундамента здания в целом приближается к жесткому штампу. Под краями наблюдается локальное развитие классических зон пластических деформаций (рис.3).

3. Распределение усилий в надземных конструкциях и в фундаментной плите существенным образом отличается от результатов раздельного расчета. В плите наблюдается сравнительно равномерное распределение моментных усилий с пиками под несущими стенами здания (рис.4), причем большие значения моментов наблюдаются ближе к краям плиты.

Рис. 4. Изолинии изгибающих моментов в направлении оси x (кНм/пм).

В надземных конструкциях происходит увеличение напряжений в краевых нижних зонах несущих стен (первые 3-4 этажа), обеспечивающих сопротивление здания изгибу (рис.5). Нормальные усилия увеличиваются в этих зонах втрое, в средней же части происходит почти троекратная разгрузка. Выше четвертого этажа наблюдается сходная картина распределения напряжений по совместной и раздельной схемам расчета (см. рис.5).

Рис. 5. Изолинии усилий в поперечной стенке: а- без учета деформируемости основания; б - по совместному расчету (кН/пм).

4. Принципиальное изменение общей картины напряженно-деформированного состояния требует принятия конструктивных решений, обеспечивающих прочность и надежность элементов и здания в целом. Для монолитных и железобетонных стен эта задача решается введением дополнительного армирования локальных участков стен, для сборных - соответствующим конструированием панелей и узлов их сопряжений. Таким образом, при надлежащей расчетной проверке конструкции рассматриваемого здания вариант фундаментной плиты мог оказаться наиболее экономически и технически эффективным.