Тетрадь N2, 2001

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

А.Г.Шашкин, К.Г.Шашкин

5.3. Комплекс разноэтажных зданий на свайном основании

Строительство новых кварталов городской застройки в настоящее время уже не мыслится без активного использования подземного пространства для организации проезда транспорта, размещения автостоянок, складских и торговых зон. Одну из таких современных кварталов возводится в Санкт-Петербурге на Васильевском острове по проекту Е.Герасимова. Корпуса разной этажности (от 2 до 25 этажей) объединяет цокольный этаж, охватывающий всю территорию квартала и заглубленный на 1,25 м ниже существующей поверхности. Проектируются монолитные железобетонные здания с комбинированной расчетной схемой: в цокольном и первом этажах - каркас, выше - поперечные несущие стены с шагом 7,2 и 3,6 м и продольная внутренняя стена. Перекрытия будут монолитными неразрезными, наружные стены - из кирпича и блоков пористого бетона с поэтажным опиранием на плиту перекрытий.

Под все пятно застройки, включая территорию цокольного этажа между зданиями, запроектированы забивные сваи сечением 35х36 см. Длина свай под зданием варьирует от 26 до 32 м, под ненагруженными участками цокольного этажа - 16 м.

Рассмотрим совместную работу одного из зданий застраиваемого квартала и его основания. Здание состоит из 5-ти, 12-ти и 16 -этажных корпусов с двумя внутренними дворами, объединенных единым цокольным этажом.

Абсолютная отметка дневной поверхности на участке застройки составляет +3,7…4,89 м в Балтийской системе высот (БС).

С поверхности территория сложена насыпными и намывными грунтами. Насыпные грунты мощностью 1,3…2,0 м представлены песками, супесями с включениями строительного мусора, растительных остатков. Намывной слой, залегающий под насыпными грунтами, неоднороден по толщине, имеет мощность от 3,2 до 6,5 м, развит до абсолютных отметок -3,9…-0,5 м БС и состоит в основном из пылеватых песков и реже - супесей и суглинков.

Под техногенными отложениями вскрыта толща морских и озерных отложений мощностью от 4,0 до 8,18м, представленных в кровле песками пылеватыми водонасыщенными и ниже пылеватыми суглинками слоистыми текучей и текучепластичной консистенции.

С абсолютных отметок -6,0…-11,3 м БС залегают позднеледниковые отложения мощностью 6…10 м - пылеватые суглинки ленточные текучей консистенции и слоистые с консистенцией от мягкопластичной до тугопластичной. Абсолютная отметка подошвы позднеледниковых отложений составляет -13,7…-19,2 м.

Позднеледниковые отложения подстилаются глинистыми грунтами лужской морены, представленными пылеватыми пластичными и твердыми супесями, тугопластичными суглинками с включениями гравия, гальки, валунов. Вскрытая мощность ледниковых отложений составляет 10,1...16,7 м.

Верхнепротерозойские твердые глины вскрыты рядом скважин на абсолютных отметках -28,5...-29,1 м БС.

Физико-механические свойства грунтов, слагающих площадку, приведены в таблице 1.

Табл.1

Физико-механические характеристики грунтов

• Подземные воды приурочены к техногенным отложениям, пескам, песчано-пылеватым прослоям. Зеркало грунтовых вод находится на глубине 1,0...1,4 м от дневной поверхности (на абсолютной отметке 2,3...3,7 м БС).
• Характерными особенностями данной геотехнической ситуации являются:

1. Наличие слоя намывных и насыпных грунтов неравномерной мощности, способствующего развитию длительных деформационных процессов в глинистых грунтах.

2. Присутствие в разрезе значительной толщи слабых глинистых отложений, обладающих большой сжимаемостью и значительной чувствительностью к нарушению природной структуры.

4. Неоднородность нагружения основания, связанная с разноэтажностью зданий.

5. Неодновременность нагружения основания, обусловленная большими объемами строительства и необходимостью поочередного ведения работ.

6. Проектирование единого подземного пространства под всей территорией застройки квартала.

В столь сложных геотехнических условиях обеспечение одинаковых осадок зданий и примыкающих подземных сооружений является весьма непростой задачей.

Реальные осадки должны определяться с учетом совместной работы свай в свайном поле: в деформационный процесс вовлекается межсвайное пространство и толща грунтов, залегающая под остриями свай.

Ввиду неоднородного напластования грунтов, а также сложной геометрии нагружения расчетная оценка осадок может быть выполнена только с использованием эффективных численных методов и программ.

Расчеты выполнены с использованием программного комплекса "FEM-models", позволяющего моделировать поэтапное изменение условий нагружения и геометрических контуров расчетной области. В расчетах использовались физико-механические характеристики грунтов, приведенные в табл. 1.

Расчет выполнен с учетом совместной работы основания и сооружения. Расчетная схема сооружения была составлена проектировщиками в среде программы SCAD и затем конвертирована нами в файлы исходных данных "FEM-models". В расчетную схему введено основание здания в соответствии с результатами инженерно-геологических изысканий и свайное поле. Сваи моделировались стержневыми конечными элементами с соответствующими геометрическими и механическими характеристиками. Общая расчетная схема задачи приведена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема

Задача решалась в 2 этапа. На первом этапе формировалось природное напряженное состояние основания приложением к узлам конечно-элементной схемы нагрузок от собственного веса грунта. На втором этапе в расчетную схему вводились конечные элементы свай и наземных конструкций. Тем самым выполнялось моделирование напряженно-деформированного состояния основания, фундаментов и наземных конструкций с учетом их совместной работы. Согласно результатам расчета максимальная осадка ожидается для 20-этажного корпуса и составляет 10...12 см; для 16-этажного корпуса она равна 8...11 см; для 12-этажных корпусов - 7…10 см, а 5-этажных - 6 см (рис. 2). При этом прогнозируется крен корпусов в направлении 16-этажного корпуса. Осадка подземных гаражей развивается преимущественно за счет влияния многоэтажных корпусов и достигает максимального значения в примыканиях к корпусам. Максимальная ожидаемая осадка составляет 8 см, она приурочена к участку примыкания к 20-этажному корпусу. На рис. 3 приведены изолинии осадок сооружений в плане.

Рис. 2. Изолинии вертикальных перемещений (м).

На рис. 3 отмечены расчетные осадки сооружений по сечению. За счет взаимного влияния осадок зданий расчетом получен крен 16-этажного корпуса, достигающий 0,002.

Рис. 3. Изолинии осадок зданий (м) по сечению.

На рис. 4 приведен фрагмент плана свайного поля, на котором указаны усилия, возникающие в головах свай при приложении нормативных нагрузок от здания. Здесь необходимо отметить следующие эффекты, возникающие при рассмотрении здания как жесткой конструкции. Как известно (см. напр. Бартоломей А.А., Омельчак И.М., Юшков Б.С. Прогноз осадок свайных фундаментов. М.: Стройиздат, 1994), в свайных кустах, объединенных жестким ростверком, нагрузка на сваи распределяется неравномерно. Наиболее нагруженными оказываются крайние и угловые сваи, наименее нагруженными - центральные.

Рис. 4. Нагрузки на сваи (тс) в области примыкания 20-ти этажного здания

Исследования, проведенные немецкими геотехниками при проектировании и строительстве самого высокого здания Европы - так называемой "Эко-башни" во Франкфурте-на-Майне, показали, что такой же эффект проявляется для жестких зданий и в пределах всего свайного поля. На основании пространственных расчетов была предложена такая компоновка свайного поля, при которой большее количество свай было расположено в краевых зонах. Расчетные ожидания блестяще подтвердились натурными измерениями усилий в сваях под уже простроенным зданием.

Выполненные нами расчеты также выявляют отмеченный эффект. Фактически все здание работает как достаточно жесткая конструкция, в связи с чем возникают существенные усилия в сваях под наружными стенами и снижаются усилия в сваях под внутренними стенами. Существенно отметить также возникновение значительных усилий в сваях, расположенных под углами корпусов.

Рис. 5. Эпюры продольных усилий в сваях (тс).

На рис. 5 приведены эпюры продольных усилий в сваях по одному из сечений. Из рисунка заметно, что в сваях внутренних рядов продольное усилие по длине свай меняется несущественно, в то время как в наружных рядах усилие снижается до 2,5 раз. Этот эффект связан с работой грунта в межсвайном пространстве, в силу чего по боковой поверхности внутренних свай возникают меньшие силы трения, чем по боковой поверхности наружных свай.

Таким образом, расчет указывает на необходимость увеличения количество свай в наружных рядах и в углах здания. Как показывает расчет, потребуется устройство примерно 100 дополнительных свай по сравнению с предложенным в проекте. Исключить же общее увеличение количества свай можно за счет снижения количества свай под внутренние стены.

Дополнительно была проведена серия расчетов, в которых произвольно варьировались деформационные и прочностные свойства грунта в пределах, свойственных этим отложениям. Расчеты показали, что вариабельность этих характеристик практически не влияет на величину усилия в головах свай. Значения усилий определяются преимущественно жесткостью сооружения.

Кроме этого, проведена оценка корректности полученных значений при дробной разбивке расчетной схемы на конечные элементы и представлении свай объемными конечными элементами. Учитывая большой размер системы конечных элементов, расчет выполнен для участка 16-этажного здания (рис. 6, 7). Расчет с уточенной схемой полностью подтвердил корректность результатов расчета полной схемы, в которой сваи задавались стержневыми элементами.

Рис. 6. Расчетная схема к расчету с уточненным моделированием зоны контакта свая-грунт (общий вид и вид без основания)

Рис. 7. Изолинии вертикальных перемещений (м) по сечению, пересекающему 4 ряда свай при уточненном моделировании зоны контакта свая-грунт

Последним этапом расчетов была оценка возможных осадок зданий на основании механических характеристик моренных отложений, полученных для грунтов соседней площадки на трехосных приборах большого диаметра в лаборатории Санкт-Петербургского горного института (проф. Р.Э.Дашко). Эти характеристики соответствуют длительному отклику грунта на нагружение. В этом случае осадки фундаментов будут определяться не столько уплотнением грунта, сколько выдавливанием его из-под фундаментов в стороны. Из трехосных испытаний длительный модуль общей деформации получен равным около 2 МПа. Отметим, что коэффициент поперечного расширения для практически несжимаемой среды близок к 0,5. Поэтому результаты испытаний соответствуют представлениям о грунте как о практически объемно несжимаемой среде с малой сопротивляемостью сдвигающим усилиям.

При таких характеристиках расчетная осадка фундаментов зданий примерно вдвое превышает осадки, полученные по расчету с использованием обычных характеристик, указанных в табл. 1. Максимальную расчетную осадку, составившую 20 см, имеет 20-этажный корпус. При этом величина усилий в головах свай совпадает с результатами ранее проведенных расчетов.

Несмотря на непривычно низкое (для отечественной практики) значение модуля деформации, полученного из трехосных испытаний, можно отметить, что его использование позволяет моделировать наиболее невыгодную ситуацию, а сам модуль отвечает длительному существованию сооружения (теоретически - бесконечности). Методика же его определения соответствует европейским стандартам, именно такого рода характеристики применяются в геотехнической практике.

Заметим, что задача о совместном деформировании обширного комплекса раноэтажных зданий на сложном в геотехническом основании решена впервые в отечественной практике. Для ее решения потребовалось оперировать с системой уравнений размерностью 500000 неизвестных, при этом время решения одной задачи составляло 2 часа.

Это является свидетельством эффективности примененных в программе "FEM-models" алгоритмов и возможности ее широкого применения в повседневной практике проектирования.