В последние годы резко увеличился объем работ по реконструкции зданий, особенно гражданских. При этом возникают такие ситуации:

В этих обстоятельствах прежде всего появляется вопрос о допустимости передачи новой нагрузки на основание или существующей нагрузки, но в новых условиях работы основания. Отметим, что повышение расчетного сопротивления грунта важно и в новом строительстве, так как оно непосредственно влияет на стоимость фундаментов.

В проектировании оснований и фундаментов официальным документом является СНиП 2.02.01–83*. Поэтому в дальнейших поисках будем находиться в рамках этого документа, но также использовать новые научные материалы.

 Использование метода конечных элементов

Из современных численных методов расчета оснований наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ). Для геотехнических расчетов разработаны соответствующие программы. МКЭ позволяет одновременно решать комплексную задачу "давление на грунт – осадка" даже за пределами расчетного сопротивления грунта, т.е. в режиме нелинейной зависимости "нагрузка – осадка". Можно определять неравномерность осадки здания, взаимное влияние фундаментов, варьировать нагрузки, условия работы основания и фундамента, производства работ и т.д. Все результаты получаются в численной и наглядной формах.

Однако этот метод не всегда доступен. Для его использования требуются соответствующие программы и необходимая квалификация исполнителей.

 Использование резервов

Резервы нагрузки. Одним из путей увеличения расчетного сопротивления грунта для существующего здания может быть уточнение имеющейся нагрузки на фундамент и давления по подошве фундамента. Если расчетное сопротивление R (по СНиПу) не использовано полностью, то можно увеличить давление на грунт до величины R без каких либо дополнительных мероприятий.

Старые здания строились по разным нормам или вообще без норм. Поэтому фактическое давление на грунт по подошве фундамента может колебаться в значительных пределах.

Резервы осадок. Резервом увеличения расчетного сопротивления грунта может быть незначительная осадка существующего здания. Этот метод особенно удобен при хороших грунтовых условиях.

Длительные наблюдения за осадками проводятся очень редко, поэтому фактические осадки здания, как правило, неизвестны. Вследствие этого за фактическую осадку можно принять расчетную, полученную исходя из фактического давления по подошве фундамента существующего здания.

Метод НИИКХ. Метод НИИ коммунального хозяйства [2] учитывает целый ряд факторов, влияющих на величину R. Расчетное сопротивление грунта основания (новое) R_н под подошвой фундамента существующего здания определяется по формуле

R_н = R m k ,

где m – коэффициент, учитывающий изменение свойств грунтов за период существования здания; k – коэффициент, зависящий от осадки здания.

Коэффициент m принимается по таблице в зависимости от соотношения р/R, где р – давление по подошве фундамента существующего здания, а R – расчетное сопротивление грунта основания по СНиПу. Коэффициент k зависит от вида и состояния грунта и соотношения S_R / S_u , где S_R – расчетная осадка при давлении по СНиПу, а S_u – предельная осадка по СНиПу.

Следует отметить, что метод НИИКХ простой, доступный, проверенный многолетней практикой.

Увеличение R в 1,2 раза. В п. 2.47 СНиПа указывается на одну из возможностей увеличения R. Расчетное сопротивление грунта основания, вычисленное по формуле (7) СНиПа, может быть повышено в 1,2 раза, но с некоторыми ограничениями осадок и давления по подошве фундамента.

При использовании этой возможности увеличения R необходимо выполнить специальный расчет основания по деформациям. Методика расчета приведена в Пособии к СНиПу.

 Использование новых свойств грунтов

Изменение свойств грунтов. Рядом исследователей установлено, что у грунтов оснований, длительное время обжатых нагрузкой, улучшаются строительные свойства, в частности прочностные, т.е угол внутреннего трения j и сцепление С. Этот факт имеет очень большое практическое значение. Из таблицы СНиПа видно, что коэффициенты М_γ, М_q и М_c быстро возрастают с увеличением j.

На основе опытных данных и наблюдений Ю.Н. Дворкиным предложены следующие формулы для определения прочностных показателей грунтов:

j = j₀+k₁t, c=c₀+k₂t ,

где j и с – прочностные показатели грунтов в настоящее время, j₀, с₀ – то же, в природном состоянии; t - время существования здания в годах; k₁ и k₂ -. численные коэффициенты для определения j и с.

Формулы предложены для песков крупных, мелких и пылеватых. Следует отметить, что коэффициент k₂ заметно увеличивается в песках, содержащих пылевато глинистые фракции.

Для пылевато-глинистых грунтов таких обобщающих коэффициентов, по-видимому, еще не имеется. Однако обработка материалов П.А. Коновалова [1] показывает общую тенденцию: в пылевато-глинистых грунтах, длительно обжатых давлением от сооружений, угол внутреннего трения увеличивается на 1–2°, а сцепление удваивается. Коэффициент М_c самый большой из трех, поэтому увеличение сцепления может значительно увеличить R. Для песчаных грунтов наблюдается примерно такая же зависимость.

Испытание грунтов. Имеется в виду испытание образцов грунтов, отобранных в основании, под подошвой фундамента эксплуатируемого здания. Отрывается шурф около фундамента, берутся пробы грунта под его подошвой и далее по глубине через 30 см, а также по ширине фундамента. Проводятся лабораторные испытания отобранных образцов и показатели свойств используются в расчетах.

Однако такой метод можно использовать только в исключительных случаях. Это обусловлено очень трудными и опасными условиями работы под фундаментом.

Зондирование основания. Зондирование грунтов с помощью мобильных установок позволяет исследовать грунты в состоянии природного залегания, а также в основании эксплуатируемых зданий без отбора проб. Прочностные свойства грунтов можно исследовать статическим и динамическим зондированием и испытанием крыльчаткой.

Динамическим зондированием определяются плотность песчаных грунтов, контуры зоны уплотнения, модуль деформации глинистых грунтов. Статическое зондирование позволяет исследовать грунты на большую глубину. На основе удельного сопротивления зондированию можно определить модуль деформации грунта, угол внутреннего трения и сцепление. Зондирование лопастными зондами целесообразно при испытании грунтов водонасыщенных, сильносжимаемых, с низкими прочностными показателями.

Имея новые показатели прочностных свойств грунтов в основании здания, можно определить новое расчетное сопротивление грунта.

Метод ТГАСУ. В Томском архитектурно-строительном университете разработан метод определения расчетного сопротивления грунтов в основании эксплуатируемых зданий [4]. На основе массовых обследований оснований зданий предлагается определять новое расчетное сопротивление уплотненного грунта R_уп по формуле (7) СНиПа, но с учетом новых свойств грунтов.

Расчетное сопротивление грунта основания эксплуатируемого здания определяется по формуле

R_уп =  [M_gk_zbKg + M_qd₁g’_II +

 +(M_q-1)d_bg’_II + M_cc_IIK_c]K_s .

Обозначения приняты по СНиП 2.02.01–83*. Здесь K'_γ и K_c – коэффициенты, учитывающие изменение γ_II и c_II за период эксплуатации здания. Величины M_γ, M_q и M_с принимаются по СНиПу, но для нового угла внутреннего трения грунта:

  = j_II K_j

Здесь j_II – угол внутреннего трения грунта, К_j – коэффициент, учитывающий изменение j_II за период эксплуатации здания. Все коэффициенты берутся из таблиц в зависимости от начальных (природных) свойств грунтов. Коэффициент K_s учитывает степень реализации (использования) предельной осадки за период эксплуатации здания.

Достоинством метода ТГАСУ является хорошее обоснование и возможность использования его для широкого диапазона грунтов оснований. Вместе с тем для его использования необходимо выполнить большую подготовительную работу.

 Использование особенностей конструкций зданий

Размеры фундамента. Размеры фундамента входят в формулу (7) СНиПа и прямо влияют на величину R, но степень этого влияния зависит от коэффициентов M, с которыми связаны размеры фундамента.

С увеличением глубины заложения d величина R быстро растет, так как заложение фундамента связано с наибольшим коэффициентом M_q . Но следует иметь в виду, что увеличение R таким способом при реконструкции требует очень сложного производства работ по заглублению фундамента. При наличии глубокого подвала величину R можно увеличить частичной засыпкой подвала или устройством бетонной плиты – пола. Однако даже небольшая нагрузка по большой площади подвала включает в работу грунт на большую глубину, что может вызвать дополнительную осадку фундамента.

Ширина подошвы фундамента b мало влияет на величину R, так как коэффициент M_γ – наименьший из трех. При b ≥ 10 м влияние ширины практически исчезает, так как используется условная ширина, вычисляемая по отдельной формуле. Из этого видно, что уширение подошвы при реконструкции мало эффективно, хотя очень сложно в производстве работ.

Для повышения расчетного сопротивления можно использовать прерывистые фундаменты или фундаменты с угловыми вырезами. В этом случае R определяется как для ленточного фундамента, но с повышающим коэффициентом К_d , величина которого колеблется от 1,0 до 1,3 в зависимости от свойств грунтов и вида плит фундамента.

Имеются предложения по учету изгибной жесткости фундамента. Известно, что формула для R в СНиПе выведена для гибкой нагруженной полосы. Но фундамент обладает изгибной жесткостью, а модули деформаций бетона и грунта совершенно различны. Исходя из реальной жесткости фундамента А.В.Пиля­гиным [3] предложены новые формулы для коэффициентов М. Эти коэффициенты больше, чем в СНиПе, особенно при больших углах внутреннего трения грунтов.

Конструкции здания. По СНиПу изгибная жесткость здания характеризуется коэффициентом γ_с2 , величина которого колеблется от 1,0 до 1,4. Жесткость здания зависит от материала стен, способа опирания перекрытий и других факторов. Жесткость может быть повышена конструктивными мероприятиями. Следует отметить, что в условиях реконструкции жесткость здания увеличивается при надстройке, так как увеличивается высота здания и изменяется отношение L/H, где L – длина здания; Н – высота здания. В результате возрастает коэффициент γ_с2 .

Таковы имеющиеся в настоящее время пути увеличения расчетного сопротивления грунтов оснований. Применимость их в каждом отдельном случае зависит от конкретных условий проектирования, строительства или реконструкции зданий.

Список литературы

I. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М., 1988.

2. Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройке зданий / НИИКХ. М., 1972.

3. Пилягин А.В. Определение расчетного сопротивления оснований при различных схемах загружения// Основания, фундаменты и механика грунтов. 1998. № 4–5.

4. Полищук A.И. Назначение расчетного сопротивления грунта основания при проектировании фундаментов реконструируемых зданий// Основания, фундаменты и механика грунтов. 2000. № 3.

5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1999.