CC BY
117
Оржеховский Юрий Рувимович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник института «УралНИИпроект РААСН» e-mail: smvic@list.ru
Соломин Виталий Иванович
доктор технических наук, профессор, акаде мик РААСН
Лушников
Владимир Вениаминович
Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник института «УралНИИпроект РаАСн» e-mail: gis@mail.e-burg.ru
Оржеховская Регина Яковлевна
кандидат технических наук, профессор УралГАХА e-mail: regorz12@yahoo.com
Сметанин Максим Викторович
инженер-исследователь e-mail: smvic@list.ru
УДК 624.131
ОРЖЕХОВСКИЙ Ю. Р СОЛОМИН В. И.
ЛУШНИКОВ В. В.
ОРЖЕХОВСКАЯ Р. Я.
СМЕТАНИН М. В.
Адаптивное управление параметрами фундамента в процессе строительства
Статья посвящена новой концепции проектирования фундаментов, основанной на принципе адаптивного управления параметрами фундамента в процессе строительства. Показана общая схема управления, описаны ее основные этапы — предварительного анализа и мониторинга. Приведены основные положения методики обработки данных, полученных в ходе мониторинга, и методики прогноза дальнейшего развития деформаций. Сформулированы критерии оценки деформированного состояния основания плитного фундамента.
Ключевые слова: грунты, фундамент, мониторинг, осадка, прогноз деформаций, подкрепляющие сваи, инъекция, консолидация, коэффициент постели.
ORZHEKHOVSKIY Y. R.
SOLOMIN V. I.
LUSHNIKOV V. V.
ORZHEKHOVSKAYA R. Y.
SMETANIN M. V.
ADAPTIVE CONTROLLING FOUNDATION PARAMETERS IN THE PROCESS OF CONSTRUCTION
The article is devoted to the new concept offoundation design, based on the principle of adaptive controlling the foundation parameters in the course of construction. The general scheme of the controlling is shown, its main stages — preliminary analysis and monitoring f — are described. The main principles of the methods of processing data, obtained in the course of monitoring, and of prediction for further development of deformations are given. Criteria for evaluation of the deformed state of the base slab foundation are stated.
Keywords: soils, foundation, monitoring, settling, deformations forecast, underpinning pile, injection, consolidation, bed coefficient.
Бесспорно, что абсолютное большинство проектных решений фундаментов разрабатывается в условиях недостатка достоверной информации о ключевом параметре — его несущей способности, понимаемой здесь в весьма широком смысле и определяемой, прежде всего, грунтовыми условиями площадки строительства.
Подобное положение обусловлено сочетанием большого количества фак-
торов. Один из главных — значительная неоднородность грунтов основания; этот фактор особенно значим в геологических условиях Урала с широким распространением элювиальных грунтов. Вполне типична ситуация, когда на шаге 5-10 м отметка кровли скального грунта падает от 2 до 12-15 м, причем подобные перепады не отражены (да и в принципе не могут быть отражены в полном объеме) в материалах изысканий. В результате в проекте
90
© Оржеховский Ю. Р., Соломин В. И., Лушников В. В., Оржеховская Р. Я., Сметанин М. В., 2013
Иллюстрация 1. Устройство буроинъекционных свай: а — гильзы для инъекции; б — буроинъекционные сваи
возникают 10-12-метровые сваи, значительная часть которых реально забивается на 2-3 м.
С другой стороны — весьма частая в практике строительства в г. Екатеринбурге ситуация, когда одна забивная свая заходит в грунт на 2-3 м и дает практически нулевой отказ, а другая, 12-метровая, забиваемая в нескольких метрах от первой, «проваливается» на всю длину с отказом 1.0-1.5 см.
Можно утверждать, что при стандартных объемах инженерно-геологических изысканий и соответствующих расстояниях между проходимыми скважинами в 20-30 м картина геологического строения основания, представленная в материалах таких изысканий, нередко является весьма случайной и далекой от истинной.
К источникам погрешностей, безусловно, относится несовершенство нормативной базы как в отношении методик определения механических характеристик грунтов, так и к регламентации различных расчетов конструкций на грунтовом основании. Это обусловлено, прежде всего, сложностью грунта как среды — объекта моделирования, отсутствием общепризнанной адекватной модели его механического поведения.
Общий вывод по результатам наших наблюдений за осадками зданий в процессе строительства и эксплуатации (а здесь накоплена статистика примерно за 25 лет) однозначен: фактическая осадка зданий значительно — в среднем в 3 раза — ниже расчетной. Аналогичная пропорция имеет место по величинам крена и неравномерности осадок на неоднородном основании.
Традиционно любые сомнения в несущей способности основания трактуются в сторону создания дополнительных запасов. Такие запасы фактически представляют собой плату за неполноту и неточность исходной информации и погрешности применяемых, узаконенных нормами, расчетных методов. Все это приводит к «утяжелению» проектных решений фундаментов. Такое «утяжеление» нередко принимает уже не количественный (увеличение размеров подошвы фундаментов и т. п.), но и качественный характер — дополнительные и весьма дорогостоящие мероприятия по закреплению грунтов, переход к другому, более затратному типу фундаментов, например, с применением свай.
Приведенные выше оценки показывают, что подобная плата в абсолютном большинстве случаев оказывается неоправданной.
Одно, вполне очевидное замечание. При традиционном подходе к проектированию и строительству полная, предусматриваемая проектом, несущая способность фундамента создается при его фактическом устройстве, т. е. на самой ранней стадии строительства. Между тем реально востребованной в полном объеме она становится лишь
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Базовый расчет \ вариация параметров Выявление "опасных" деформаций Предельные значения основных показателей Схемы размещения марок и гильз
МОНИТОРИНГ (типовой цикл)
Геодезическая съемка (+ этаж)
Расчет стабилизированных осадок (задача консолидации)
Расчет текущих показателей, прогноз конечных деформаций
Оценка конечных деформаций: превышение предельного уровня?
д^ \НЕТ
/Ресурс по нагрузке? / / Признак завершения?
НЕТ I ДА^ч /НЕТ ДА
^/усиление фундаментам/следующий цик.^^/мониторингзавершен/^
Иллюстрация 2. Блок-схема метода адаптивного управления
по завершении строительства, в процессе эксплуатации здания, при реализации всех проектных нагрузок. В то же время именно процесс строительства, сопровождаемый соответствующим мониторингом, может предоставить существенную дополнительную информацию о фактических свойствах грунтового основания, проявляющихся в его деформациях под известными и изменяющимися по известному закону нагрузками.
Суть метода адаптивного управления параметрами фундамента заключается в непрерывном контроле осадок фундамента в процессе строительства и возможном — по результатам такого мониторинга — конструктивном усилении фундамента путем устройства подкрепляющих свай. Подкрепляющие сваи выполняются как буроинъекционные — инъекцией песчано-цементного раствора в грунтовой массив через специальные перфорированные металлические трубы — инъекторы, выполняющие впоследствии функцию армирования свай (Иллюстрация 1). Технология инъекционного способа позволяет устраивать буроинъекционные сваи под уже существующим фундаментом практически на любой стадии строительства (для этого целесообразно предусмотреть установку в теле фундамента специальных гильз, через которые впоследствии будет выполняться инъекция, см. Иллюстрацию 1, а).
Совокупность действий, реализующих метод адаптивного управления параметрами плитного фундамента, — блок-схема метода — приведена на Иллюстрации 2. Метод включает три основных этапа: предварительный анализ, мониторинг и — при необходимости — собственно усиление фундамента.
Основные показатели
Общая (средняя ) осадка
Глобальный крен
Бс
\/
Иллюстрация 3. Аппроксимация коэффициентов постели Спо базовым точкам
1 Предварительный анализ
Выполняется базовый расчет — расчет плитного фундамента на естественном основании. Применяется расчетная схема местных деформаций с распределенным (переменным в плане) коэффициентом постели Сг. Методика расчета вкратце сводится к следующему (детальное описание содержится, например, в СТП [1]).
Выбирается система базовых точек, в которых известно фактическое напластование грунтов ниже отметки подошвы фундамента (обычно это точки, соответствующие местоположению геологических скважин, пройденных при изысканиях). Для каждой такой точки выполняется следующий комплекс расчетов:
а) локальный геологический разрез, имеющий место в данной точке, условно распространяется на весь план плиты и по действующим нормам ([2]) рассчитывается средняя осадка плитного фундамента 5 на соответствующем однородном (условном) основании;
б) коэффициент постели С^ в данной базовой точке определяется как отношение среднего давления по подошве плиты Р, принятого при расчете осадки, к рассчитанной величине осадки: С^ = Р/Б.
Далее производится кусочно-постоянная интерполяция, т. е. план плиты разбивается на отдельные области, как правило, прямоугольной формы, в пределах которых величина Сг принимается постоянной (Иллюстрация 3).
Для более полной и всесторонней оценки возможной картины деформаций предусматривается вариация параметров. Существо процедуры заключается в следующем. Значения показателей деформируемости грунта, приводимые в материалах инженерно-геологических изысканий, обычно представляют собой нижнюю границу реального диапазона
Плита
Общий случай : Б=Б о + Кх Х + Ку У
Б=Б с+Кх'-Х
&-
Си
Сс
Центр тяжести нагрузок Центр жесткостей основания
плита
Дополнительный показатель : локальный (краевой)крен
Иллюстрация 4. Показатели деформированного состояния
изменения этих величин в природном массиве. Одновременное принятие в расчете таких минимальных значений по всем инженерно-геологическим элементам, слагающим площадку, дает однозначно наихудший вариант (максимальный уровень деформации) лишь с точки зрения общей или средней осадки. В то же время наихудший вариант развития, например, деформаций крена, чаще будет соответствовать комбинации: минимальный модуль более слабого грунта — повышенный (в пределах реального диапазона) модуль более жесткого грунта и т. д.
Таким образом, в рамках процедуры вариации параметров выполняется комплекс расчетов при различных сочетаниях уровней значений деформационных характеристик. По результатам таких расчетов выявляются «опасные деформации», уровень ко-
торых в количественном выражении близок или превышает предельно допустимый. К таким деформациям могут относиться как глобальные — общая (средняя) осадка и крен, так и локальные, например (и прежде всего) локальный краевой крен (Иллюстрация 4).
Локализация опасных деформаций определяет окончательную схему расположения геодезических марок (со сгущением вблизи концентраторов), а также план размещения в теле плиты гильз для возможной будущей инъекции.
Основными показателями деформированного состояния приняты глобальные характеристики: средняя осадка и крен. Более точно проводится плоскостная аппроксимация деформированного состояния плиты, т. е. отыскивается плоскость, наиболее точно приближающая де-
х
У
С с
С
N
Х
Иллюстрация 5. Расчет стабилизированной осадки
формированную поверхность плиты (как если бы плита была абсолютно жесткой):
5 = 5 + КхХ + Ку¥, (1)
где 5 — локальная осадка (переменная в плане); X и У — координаты в некоторой системе.
Основными (обобщенными) показателями деформирования являются именно параметры 50, Кх и Ку плоскости наилучшего приближения (см. Иллюстрацию 4).
Одной из задач этапа предварительного анализа является установление корреляции между значениями основных показателей и уровнем «опасных деформаций». На этой основе устанавливается предельно допускаемый уровень основных показателей (иными словами, предельное значение основного показателя в данном контексте не обязательно совпадает с предельно допускаемым значением соответствующей глобальной деформации — средней осадки или крена; оно может быть ниже, отражая скрытым образом более раннее достижение предельного уровня какой-либо локальной деформацией).
2 Мониторинг
Типовой цикл мониторинга (с повторяемостью через 1-3 этажа) включает следующие процедуры:
а) геодезическая съемка, по результатам которой определяются
осадки плитного фундамента в местах установки марок;
б) расчет стабилизированных значений осадок;
в) прогноз конечных значений деформаций плитного фундамента (под полными проектными нагрузками);
г) анализ ситуации: переход к следующему циклу, завершение мониторинга или устройство подкрепляющих свай.
Пункт «а» в пояснениях не нуждается. Необходимость процедуры пункта «б» связана с тем, что для большинства грунтов деформирование под нагрузкой представляет собой процесс, развернутый во времени. При этом время стабилизации осадки под неизменной нагрузкой (период консолидации грунта) может измеряться месяцами и даже годами.
В случае мониторинга строительства ситуация усложняется еще и тем, что в любой момент измерения время действия каждого промежуточного уровня нагрузки различное, следовательно, различна и степень консолидации грунтов относительно этих уровней.
Процедура расчета стабилизированных осадок представлена на Иллюстрации 5 в виде системы графиков. График 5, а представляет собой консолидационную кривую, которая может быть построена по физиче-
ским характеристикам грунта как решение консолидационной задачи [3] либо по имеющимся в технической литературе табличным значениям.
График 5, б характеризует динамику нагружения основания при строительстве; на его основе строится график 5, в, показывающий время действия каждого промежуточного уровня нагрузки (т. е. от момента достижения этого уровня в процессе строительства до рассматриваемого момента Т измерения осадок).
Результирующий график 5, г, построенный на основе 5, а и 5, в, показывает степень консолидации (долю реализованной на рассматриваемый момент Т осадки от стабилизированного значения) для каждого промежуточного уровня нагрузки. Численно итоговая степень консолидации основания на момент времени Т по отношению к достигнутой нагрузке Мт равна площади А (безразмерной), ограниченной кривой на Иллюстрации 5, г. Расчетная стабилизированная осадка БстТ , соответствующая нагрузке Мт, равна, таким образом:
^ = Бт/А,
где ST — текущее (измеренное) значение осадки.
Здесь и далее под величинами ST , ScтT и 5М (см. ниже) подразумеваются локальные значения, относящиеся к какой-либо рассматриваемой точке плана (например, месту рас-
положения геодезической марки); различным точкам плана будут соответствовать, вообще говоря, и различные наборы значений указанных осадок.
Следующим шагом является прогноз итоговых (от полных проектных нагрузок Мтях) стабилизированных осадок 5М по величинам стабилизированных осадок 5ст Т от текущего уровня нагрузок Ит . Более точно, по параметрам текущей аппроксимирующей плоскости строится итоговая аппроксимирующая плоскость. Для этого вначале рассчитываются положения центров тяжести нагрузок: текущей — Смт и полной проектной — СМ тах.
При близком расположении этих точек параметры итоговой плоскости (£0, Кх, Ку ) могут быть пропорциональными соответствующим параметрам текущей плоскости с коэффициентом пропорциональности Км = Nшах/ Ыт.
При существенно различном местоположении текущего и конечного центров тяжести нагрузок (например, если на плите располагается здание переменной в плане этажности, но до рассматриваемого момента строительство всех частей идет равномерно) параметры итоговой аппроксимирующей плоскости определяются в соответствии со схемой на Иллюстрации 6.
На аппроксимирующей плоскости текущих деформаций определяется линия крена; корректируется положение центра жесткостей основания Сс (здесь Ссо — определенный на этапе предварительного анализа по номинальным характеристикам грунта центр жесткостей). Это позволяет определить итоговую линию крена — как прямую, проходящую через итоговые центры
тяжести — нагрузок и жесткостей (при совпадении этих точек прогнозируется нулевой крен). Еще один параметр итоговой аппроксимирующей плоскости — значение расчетной осадки Sc в точке Сс определяется по формуле: Sc = КмБсТ; здесь БсТ — расчетная осадка в точке Сс при текущем уровне нагружения (определяется по текущей аппроксимирующей плоскости).
Третий параметр — величина итогового крена / вдоль линии крена — определяется по формуле:
I = ^
где Ь — расстояние между ТОЧкамИ С И сммах ;
1у = (х') С (х, у)йхйу — мо-
мент 2-го порядка (аналог момента инерции) распределенного коэффициента постели С (х, у) относительно оси у' , проходящей через центр жесткостей Сс перпендикулярно линии крена; х' — координата относительно этой оси.
При небольшой величине угла между линиями текущего и конечного крена величина I. может быть приближенно определена по формуле:
1с ■ = ЫтЬт ,
где Ь — расстояние между точками Сс и Сш; 1Т — расчетный крен по текущей аппроксимирующей плоскости. Три перечисленных параметра однозначно определяют положение итоговой аппроксимирующей плоскости.
Заключительный шаг цикла — анализ ситуации. Если уровень итоговых (прогнозируемых) деформаций превысит предельно допустимый,
следует рассчитать промежуточный безопасный уровень нагрузок и соответствующую ему этажность или стадию эксплуатации здания. В соответствующий период строительства (до достижения рассчитанного предельного уровня) следует продолжить наблюдения за осадками и уже по их результатам принять решение — о выполнении усиления фундамента подкрепляющими сваями ВНИ либо о следующем переносе «контрольного момента».
В качестве критерия «благополучности» ситуации и возможности окончательного отказа от усиления в ходе мониторинга приняты условия:
• после реализации 50 % проектных нагрузок соответствующие прогнозируемые деформации не превысят 0.6 от предельно допустимых;
• после реализации 80 %о проектных нагрузок соответствующие прогнозируемые деформации не превысят 0.9 от предельно допустимых.
Заключение
Метод адаптивного управления параметрами фундамента в том или ином варианте был применен при строительстве более чем двух десятков объектов Свердловской и Тюменской областей, а также г. Челябинска. В абсолютном большинстве случаев усиления фундаментов не потребовалось. Это свидетельствует о значительных ресурсах несущей способности грунтовых оснований, не отраженных в существующей нормативной базе. Единичные случаи вмешательства и усиления несущих конструкций были связаны с негативным воздействием дополнительных факторов, таких как промораживание в процессе строительства пучинисто-го грунта основания и т. п. Значительный экономический эффект получен прежде всего за счет отказа от дорогостоящих свайных фундаментов в пользу фундаментов на естественном основании.
Список использованной литературы
1 СТП 02494791-001-2012. Плитно-свайные фундаменты (расчет и конструирование) / УралНИИ-проект РААСН. Екатеринбург, 2012.
2 СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.0183. М., 2011.
3 Иванов П. Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. М., 1991.
