ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РАСЧЁТА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОК ЗДАНИЙ, ПОПАДАЮЩИХ В ЗОНУ ВЛИЯНИЯ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА АНАЛИТИЧЕСКИМ И ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДАМИ

В последнее время развитие городов происходит без расширения их границ, а за счёт более рационального использования внутренней территории, восстановления исторических центров, уплотнения городской застройки и освоения подземного пространства. Проектирование в стеснённых условиях сопряжено с определёнными трудностями. В частности, в условиях сложившейся городской застройки возникают не только значительные технологические трудности, связанные с возведением новых зданий вблизи или вплотную к уже существующим сооружениям, но и опасность, связанная с повреждением расположенных в непосредственной близости зданий и сооружений.

Многими исследователями изучен вопрос влияния при проектировании новых зданий и сооружений на окружающую застройку численным и экспериментальным методами [1-5].

Строительство зданий вблизи существующих является достаточно сложной задачей, чем возведение отдельно стоящего здания на ненарушенном основании, так как помимо проектируемого здания необходимо также учитывать его влияние на здания окружающей застройки. При строительстве в стеснённых условиях существующие здания получают дополнительные осадки и крены, связанные как с технологическими, так и с расчетными воздействиями, в результате которых происходит изменение напряжённо-деформированного состояния основания соседних зданий.

Рисунок 1. Нормативная и расчётная зоны влияния строительства объекта на здания и сооружения окружающей застройки

Как показывает накопленный опыт, пренебрежение особыми условиями такого строительства может привести к появлению на зданиях и сооружениях окружающей застройки дополнительных дефектов, которые в свою очередь влияют на изменение категории технического состояния и несущей способности, что в конечном итоге может привести к аварийным последствиям.

Целью научно-исследовательской работы является сравнение значений дополнительных осадок при определении влияния нового строительства на действующие сооружения. Задача была решена на примере реального объекта: влияние строящегося многоэтажного жилого дома с помещениями общественного назначения с подземной автостоянкой на существующий жилой дом по адресу ул. Кошурникова 22/1 в г. Новосибирске.

Основание представлено различными грунтами осадочного происхождения (суглинки, супеси, пески) не насыщенные водой (см. табл. 1). Несущим слоем грунтового основания являются граниты прочные очень плотные, трещиноватые, размягчаемые мощность 2,2-3,0 м.

Таблица 1.

Инженерно-геологические условия строительства

В практике проектирования и на основании нормативной литературы [7] решение поставленной задачи возможно двумя способами: аналитическим и численным.

Аналитический способ реализуется с использованием метода угловых точек и метода послойного суммирования, что позволяет определить дополнительные осадки фундаментов окружающей застройки и сравнить их с предельными значениями, обозначенными нормативной документацией [7, 8].

Численный расчёт произведен с помощью программного комплекса (далее ПК) Midas GTS NX 2016 (v.2.1), основанного на методе конечных элементов. ПК Midas GTS NX позволяет моделировать условия площадки с учётом нелинейности моделируемого материала и начальных напряжений в грунте. ПК Midas GTS NX поддерживает все типы расчётов, включая статические, динамические, расчёты фильтрации, консолидации, расчёт с учётом последовательности возведения, а также расчёты устойчивости.

Согласно требований нормативной литературы [7], при проектировании сооружений, необходимо учитывать дополнительные деформации оснований сооружений окружающей застройки от воздействия проектируемых или реконструируемых сооружений.

В работе определено (см. рис. 1) воздействие строительства нового жилого дома на деформации основания фундамента, расположенного в зоне влияния, многоэтажного жилого дома по ул. Кошурникова 22/1.

Рисунок 2. Схема расположения конструкций

Расчёт основания по деформациям производится из условия:

,                                                 (1)

где s – дополнительная осадка основания фундамента, мм; s_u – предельное дополнительное значение осадки основания фундамента, мм.

Согласно требованиям нормативной литературы [8, п. 7.4.1] осадка большой группы висячих свай может быть определена с использованием модели условного фундамента на естественном основании в соответствии с [8, пп. 7.4.6-7.4.9]. Осадка большеразмерного свайного фундамента (свайного поля) определяется по формуле:

,                                          (2)

где s_ef – осадка условного фундамента, мм; Δs_p – дополнительная осадка за счет продавливания свай на уровне подошвы условного фундамента, мм; Δs_с – дополнительная осадка за счет сжатия ствола свай, мм.

,                                    (3)

где β – безразмерный коэффициент, равный 0,8; σ_zp,i – среднее значение вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа; h_i – толщина в i-го слоя грунта, м; E_i – модуль деформации грунта в i-м слое, кПа; σ_zγ,i – среднее значение вертикального напряжения в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта, кПа; E_e,i – модуль деформации i-го слоя грунта по вертикали вторичного нагружения, принято что E_e,i =5E_i, кПа; n – число слоёв, на которые разбита сжимаемая толща основания.

,                                                     (4)

где α = f(a_к/b_к; z_i/b_к) – коэффициент рассеивания напряжений, принимаемый по [7, табл. 5.8]; p – давление на фундамент, принимаемое равным 390 кПа [9].

Далее:

,                                                 (5)

где α = f(a_к/b_к; z_i/b_к) – коэффициент рассеивания напряжений, принимаемый по [7, табл. 5.8]; γ’ – усреднённый по глубине d_n удельный вес грунта, кН/м³.

В случае однородного основания осадка продавливания равна:

,                                            (6)

где d – диаметр сваи, м; a – шаг свайного поля в окрестности данной сваи, м.

Осадку за счёт сжатия ствола допускается определять по формуле:

,                                       (7)

где l – длина сваи, м; p – внешняя нагрузка на ячейку, кН.

За нижнюю границу расчётной зоны сжатия основания принимается отметка 139,000 – отметка начала слоя гранита (инженерно-геологический элемент – 6).

Рисунок 3. Фрагменты инженерно-геологического разреза с характерными отметками, а – левая часть разреза, б – правая часть разреза

Грунтовая толща разбивается ниже подошвы фундамента на отдельные слои, с таким расчетом, чтобы их границы совпадали с границами геологических слоев. Количество слоёв n = 4, толщиной h = 0,738 м.

Осадка влияния определялась в следующей последовательности. Рассчитывалась осадка основания строящегося здания в точке на границе фундамента, ближайшей к существующему зданию. Эта осадка заведомо меньше, чем осадка существующего здания. Наконец, это значение сравнивалось с предельным значением, определяемым нормами для окружающей застройки.

Чтобы определить максимальную осадку на границе строящегося здания, необходимо было определить центр тяжести фундамента. Для определения центра тяжести фундамент строящегося дома разбивается на две простейшие фигуры (прямоугольники), как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема для определения центра тяжести

Координаты центра тяжести фундамента определяются по формулам:

,                                             (8)

,                                            (9)

 м

 м

Для определения вертикальных напряжений в основании фундамента используется метод угловых точек. Напряжения и осадки определяются для точки А (рис. 5).

Из приведённой схемы следует, что вертикальные напряжения от внешней нагрузки в точке А равны:

,                                     (10)

Результаты вычислений сведены в табл. 2.

Рисунок 5. Расчётная схема для определения вертикальных напряжений от внешней нагрузки в точке А

Таблица 2.

Итоговая таблица вычисления осадки

Согласно [прил. Л, СП 22.13330.2011] предельные деформации основания фундаментов сооружений окружающей застройки, расположенных в зоне влияния нового строительства и реконструкции составляет s_u = 5 см как для многоэтажных зданий с полным железобетонным каркасом или с несущими стенами из кирпича I категории технического состояния.

Также задача была решена численно, с помощью ПК Midas GTS NX. Размеры расчётной области приняты такими, чтобы исключить влияние краевых эффектов (см. рис. 6).

Рисунок 6. Размеры расчётной области в плане

Рисунок 7. Расчётная модель

Грунтовый массив был смоделирован идеально-упругопластической моделью Кулона-Мора, суть которой состоит во взаимосвязи касательных и нормальных напряжений. Преимущество используемой модели заключается в простоте назначения требуемых для моделирования параметров, которые могут быть определены в любом отчёте по инженерно-геологическим изысканиям. Материал фундаментов зданий, для упрощения, принят упругой моделью.

Расчёт выполнялся постадийно:

• на первой стадии было смоделировано начальное поле напряжений грунтового массива;
• на второй – возведение существующего здания;
• на третьей – экскавация котлована под новое здание, с возведением ограждающих конструкций котлована;
• на четвёртой – совместная работа нового и эксплуатируемого здания.

Рисунок 8. Деформации фундамента, попавшего в зону влияния нового строительства

По результатам проделанной работы можно сделать следующий вывод: погрешность выполненных расчётов составила 10 %. Причинами расхождения полученных результатов являются: различия при назначении расчётной схемы, а также специфика расчёта программного комплекса. Однако полученные результаты осадки в обоих случаях не превысили предельного значения, для сооружения I категории технического состояния, равной 0,05 м согласно [7, прил. Л].

Следует также отметить, что на данный момент специалистами ФГБОУ ВО СГУПС НИЛ «Геотехника, тоннели и метрополитены» и независимой геодезической службой проводится геодезический мониторинг здания окружающей застройки. По текущим данным, на стадии возведения фундамента нового здания, осадка обследуемого здания составляет менее 1 мм. Интенсивность возрастания осадки следует ожидать в период возведения этажей нового здания.

Список литературы:

1. Илларионов С.О. Численный и модельный эксперимент влияния нового строительства на существующую застройку // По материалам V региональной научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» апрель 2014 г. – Пермь, 2014.
2. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. ВНИИНТПИ. – Москва, 2000. – 318 с.
3. Полянкин Г.Н., Погребняк В.Ю. Анализ влияния временных конструкций котлованов на напряженно-деформированное состояние грунтового массива и окружающей застройки // Материалы I Международного заочного конкурса научно-исследовательских работ. – Научно-образовательный центр «ЗНАНИЕ», 2015. – С 77-83.
4. Пономарев А.Б., Калошина С.В. Оценка влияния возводимых плитных фундаментов на осадку зданий в условиях плотной застройки // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2013. – № 5. – С. 13-16.
5. Пономарев А.Б., Калошина С.В. Определение осадок фундаментов существующего здания при влиянии на него нового строительства // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2014. – № 6. – С. 5-13.
6. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В. Проблемы проектирования фундаментов зданий и сооружений, возводимых в условиях плотной городской застройки – Шахты, 2008.
7. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.minstroyrf.ru/docs/14627/ (дата обращения: 6.10.2017)
8. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Изменением № 1) [Электронный ресурс]. – М.: Минрегион России, 2011. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200084538/ (дата обращения: 6.10.2017)
9. СП 120.13330.2011 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями № 1, 2) [Электронный ресурс]. – М.: Минрегион России, 2012. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200095542 (дата обращения: 6.10.2017)