Полищук - Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий

Работа посвящена решению проблемы проектирования и устройства фундаментов в условиях реконструкции и восстановления зданий. Выявлены закономерности изменения давления фундаментов мелкого заложения на грунты оснований в зависимости от назначения, конструктивной схемы, времени постройки зданий, вида и состояния грунтов несущего слоя. Установлены особенности изменения свойств грунтов, уплотненных давлением длительно эксплуатируемых зданий. Получены закономерности распределения контактных давлений и напряжений в глинистых (лессовых) и техногенных (зольных) грунтах в основании штампов-фундаментов при нагружении, характерном для условий реконструкции и восстановления зданий. Усовершенствован подход к прогнозированию загружения оснований фундаментов, предложены методы расчета и усиления фундаментов, упрочнения оснований реконструируемых и восстанавливаемых зданий.

Для работников проектных и строительных организаций, служб эксплуатации, а также специалистов, занимающихся вопросами реконструкции и восстановления зданий.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

При решении вопросов реконструкции и восстановления зданий в последние годы все более важное значение приобретает проблема проектирования и устройства оснований - фундаментов. Решение этой важной проблемы сопряжено со многими трудностями (особенно в условиях Сибири), преодоление которых требует специального научного подхода, учитывающего:

- закономерности изменения инженерно-геологических условий и напряженно-деформированного состояния оснований зданий;

- конструктивные особенности и условия эксплуатации зданий;

- характер и причины деформаций зданий;

- устойчивость оснований эксплуатируемых зданий на момент их реконструкции (восстановления).

Сложность заключается в том, что выполнение всех работ по устройству фундаментов реконструируемых зданий должно осуществляться при условии сохранения техногенной нагрузки на геологическую среду. Поэтому не всегда оказываются приемлемыми существующие подходы проектирования оснований и фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий, особенно если грунтовая толща сложена глинистыми и техногенными грунтами. Технические решения по переустройству, усилению (восстановлению) фундаментов, упрочнению оснований реконструируемых зданий часто разрабатываются с учетом только конструктивных требований. Следовательно, совершенствование методов проектирования и способов устройства оснований и фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий представляется исключительно актуальной работой, имеющей важное научное и практическое значение.

В настоящей работе сделана попытка разработать новые подходы и усовершенствовать методы проектирования фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий на глинистых и техногенных (зольных) грунтах, обеспечивающих снижение трудозатрат и экономию строительных материалов.

Решение данной проблемы базировалось на обобщении многочисленных результатов теоретических и экспериментальных исследований, связанных с выполнением инженерно-геологических изысканий, обследованием и проектированием оснований, фундаментов реконструируемых и восстанавливаемых зданий. Важное место в работе занимали вопросы оценки состояния оснований и фундаментов длительно эксплуатируемых зданий, а также изменения характеристик глинистых и других грунтов, уплотненных давлением, создаваемым зданиями. Были экспериментально установлены строительные свойства различных типов глинистых (лессовых) и техногенных (зольных) грунтов, используемых в условиях реконструкции и восстановления зданий, особенности их уплотнения и напряженно-деформированного состояния в основании фундаментов-штампов. С учетом выявленных закономерностей разработаны практические методы расчета оснований и фундаментов при различных случаях нагружения, характерных для условий реконструкции и восстановления зданий, предложены технологические и конструктивные мероприятия по усилению фундаментов, упрочнению оснований и определены основные пути их совершенствования.

Широкое внедрение результатов исследований в производство позволило создать реальные предпосылки для разработки нормативных документов, значительно сократить трудозатраты и расход строительных материалов при выполнении ремонтно-восстановительных работ. А использование техногенных грунтов из золы ГРЭС, ТЭЦ (зольных грунтов) для устройства подсыпок и оснований фундаментов при реконструкции зданий (сооружений) позволило решить проблему их утилизации и улучшить экологию окружающей среды. Результаты исследований и научные разработки автора внедрены в ряде организаций при подготовке технических решений, проектной документации на реконструкцию, реставрацию, строительство и восстановление зданий (ОГУП «Томскгражданпроект», ОАО «ТомскТЭП», ЗАО НПО «Геореконструкция», ООО СУ-13, ОАО «Ролтом», ЗАО «Том-Дом», 000 «Спецремстрой», ГУ НИИ СМ при ТГА- СУ, подразделения мэрии г. Томска и администрации Томской области и др.).

Автором совместно с А.И. Мальгановым и B.C. Плевковым подготовлена научно-техническая документация A987-1992 гг.) по вопросам оценки состояния и усиления строительных конструкций (подземных, наземных), упрочнения оснований, которая внедрена в проектных, научно-исследовательских и строительных организациях во многих городах России и стран ближнего зарубежья. Пользователями научно-технической документации являются: Кузбассразрезуголь (Кемерово), НПП Тюменьгазтехнология концерна Газпром (Тюмень), Дальневосточный ПромстройНИИпроект (Владивосток), Росремжилгражданпроект (Челябинск), ВНИИ транспортного строительства (Москва), Гипровуз (Москва), МосжилНИИпроект (Москва), Сибгипроречтранс (Новосибирск), Казремжилпроект (Алма-Ата), Донецкий ПромстройНИИпроект (Донецк), Укргипродор (Киев) и другие (всего более 700 организаций).

Методы расчета и способы усиления фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий, приведенные в настоящей работе, используются при чтении лекций по дисциплинам «Механика грунтов», «Основания и фундаменты», «Техническая эксплуатация зданий и сооружений», «Основания и фундаменты реконструируемых зданий» для студентов, студентов-магистров и слушателей Томского государственного архитектурно-строительного университета.

В книге содержатся результаты исследований автора, проведенных в период с 1977 по 2002 годы. Часть исследований A977-1983 гг.) проводилась под научным руководством члена-корреспондента АН СССР, д.т.н., профессора  Н.А. Цытовича, д.т.н., профессора М.Ю. Абелева, к.т.н., старшего научного сотрудника В.Ф. Сидорчука, которым автор выражает самую глубокую признательность. Автор благодарит рецензента - заведующего лабораторией оснований и фундаментов на слабых грунтах НИИ ОСПа им. Н.М. Герсеванова, д.т.н., профессора П.А. Коновалова за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи, сотрудников кафедры оснований, фундаментов и испытаний сооружений ТГАСУ за помощь в подготовке рукописи к печати.

Долгие годы автор работал совместно с В.Е. Ольховатенко, О.Г. Кумпяком, СВ. Ющубе, А.И. Мальгановым, B.C. Плевковым, М.В. Балюрой, В.В. Фурсовым, Г.Г. Щербаком, В.В. Эмом, О.Р. Пахмуриным, Л.И. Офицеровой, А.А. Лобановым, B.C. Нертиком, А.Н. Прутковым, А.С. Саркисовым, И.И. Подшиваловым, А.В. Нертиком.

 

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ ПРАКТИКИ ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ УСЛОВИЙ РЕКОНСТРУКЦИИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗДАНИЙ

Анализируется современный подход к практике инженерно-  геологических исследований на застроенных территориях.

Установлено, что существующие в России методы инженерно-геологических исследований не всегда приемлемы для условий реконструкции и восстановления зданий.

Перспективными признаются ускоренные методы исследований грунтов зондированием, прессиометрией, а также геофизические, радиоизотопные и другие.

Рассмотрены вопросы изменения свойств грунтов, залегающих в основании фундаментов длительно эксплуатируемых зданий.

 

1.1. СОВРЕМЕННАЯ ПРАКТИКА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЙ

Под инженерно-геологическими изысканиями в условиях реконструкции и восстановления зданий (включая капитальный ремонт и надстройки этажей) понимается комплекс мероприятий, выполняемых с целью получения материалов об инженерно-геологических условиях площадки и оценки их изменения за период эксплуатации здания. Эти материалы необходимы для разработки рабочей документации по реконструируемому объекту и должны содержать достаточные сведения для расчета оснований и фундаментов, обоснования мероприятий инженерной защиты, рационального природопользования и охраны геологической среды. Материалы должны также отражать изменения рельефа площадки, геологического строения, гидрогеологических условий, состояния и свойств грунтов, активности геологических процессов за рассматриваемый период эксплуатации здания [1, 2]. Практика инженерно-геологических изысканий в строительстве показывает, что в настоящее время их методика в условиях реконструкции зданий мало отличается от методики изыскательских работ, выполняемых на незастроенных территориях. Но в условиях реконструкции зданий (сооружений) инженерно-геологические изыскания имеют свои особенности, которые заключаются в следующем [3, 4]:

1. Изыскания, как правило, выполняются в стесненных условиях, и поэтому возникает проблема установки инженерно-геологического оборудования.

2. Подземное пространство эксплуатируемых зданий практически всегда насыщено инженерными коммуникациями (водопровод, канализация, тепломагистрали, кабели и др.), что затрудняет получение в полном объеме материалов по инженерно-геологическим условиям площадок и данных по их изменению за период эксплуатации зданий.

3. Изыскания выполняются, как правило, без учета влияния техногенных процессов на грунтовые условия площадок реконструируемых зданий.

Анализ материалов инженерно-геологических изысканий на застроенных территориях показывает, что в условиях реконструкции и восстановления зданий выполняются специальные виды работ, связанные с обобщением архивных материалов инженерно-геологических и гидрогеологических условий рассматриваемых площадок, обследованием и испытанием грунтов в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов, изучением строительных свойств грунтов на соседних участках. Эти работы ведутся обычно в дополнение к ранее выполненным (архивным) инженерно-геологическим изысканиям с целью выявления изменения свойств грунтов, залегающих в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов реконструируемых зданий. Если же таких материалов нет, то программой работ предусматривается такой объем инженерно-геологических изысканий, который обеспечивает получение необходимых исходных данных для разработки рабочей документации [5].

При изучении архивных материалов по инженерно-геологическим условиям площадки выясняется история застройки участка, данные о проводимых ранее изысканиях, ремонтах и других изменениях реконструируемых, восстанавливаемых зданий. Изучаются также чертежи зданий, сохранившаяся исполнительная документация, данные о нагрузках, результаты наблюдений за осадками фундаментов.

Обследование грунтов основания производится в большинстве случаев из шурфов, вскрываемых в непосредственной близости от фундаментов реконструируемых зданий. При этом проверяется соответствие залегающих грунтов основания здания архивным данным инженерно-геологических изысканий рассматриваемой площадки, отбираются монолиты, пробы грунта и решаются другие задачи [6, 7].

Исследование свойств грунтов в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов эксплуатируемых зданий является сложной задачей, решение которой сдерживается из-за трудоемкости работ и отсутствия специального оборудования. Шурфопроходческие работы и отбор монолитов выполняются обычно вручную. А применение буровых станков для бурения вертикальных скважин и отбора образцов зачастую оказывается невозможным из-за их габаритных размеров и сложности выполнения буровых работ в непосредственной близости от реконструируемых, восстанавливаемых зданий. Здесь следует отметить, что к настоящему времени уже накоплен опыт проходки горизонтальных, наклонных и криволинейных скважин и выработок, который может быть использован для исследования грунтов в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов. Но опыт этот внедряется медленно, так как вопросы отбора монолитов, зондирования, геофизических методов исследования, прессиометрических испытаний при таких условиях проходки выработок до настоящего времени практически не отработаны.

В последние годы в практике инженерно-геологических изысканий на застроенных территориях стали применяться методы исследований свойств и состояния грунтов, основанные на внедрении приборов в труднодоступные участки сжимаемой толщи основания фундаментов существующих зданий. К их числу относится методика, разработанная в МГСУ (бывший МИСИ им. В.В. Куйбышева), которая базируется на вдавливании в грунт с поверхности основания или шурфов под различными углами к поверхности специальных датчиков (месдоз, динамометрических пластинок). Эта методика позволяет оценить напряженное состояние основания, а также установить деформационные и прочностные характеристики грунта в обследуемой зоне [9, 10, 11,12].

В ПНИИИСе разработан бесскважинный метод исследования грунтов, основанный на применении пневмопробойников марки ИП (ИП-4603А, ИП-4605А, ИП-4610 и др.), предназначенных для пробивания в грунтах горизонтальных, наклонных и вертикальных скважин (рис. 1.1).

Для движения по криволинейной траектории пневмопробойник снабжается специальным отклоняющим устройством в виде криволинейного кожуха [8]. С помощью пневмопробойников, используемых как транспортное средство для доставки приборов и приспособлений в любую точку сжимаемой толщи основания фундаментов, можно производить отбор образцов (проб) грунта, динамическое зондирование, геофизические исследования, оценку прочностных и деформационных свойств и целый ряд других исследований. Однако, признавая перспективность таких методов исследований состояния и свойств грунтов в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов, следует отметить, что они не нашли широкого применения в практике инженерно-геологических изысканий для реконструируемых, восстанавливаемых зданий.

В стесненных условиях реконструкции зданий для оценки строительных свойств грунтов на прилегающих к фундаментам (зданиям) участках применяется способ опробования грунтов зондированием (динамическим, статическим) и геофизические методы исследований.

Для динамического зондирования грунтов в нашей стране чаще используются установки УБП-15 и УБП-15М, разработанные в институте Гидропроект, которые применяются также для ударно-канатного бурения скважин [13,14]. Кроме того, для динамического зондирования используются установки АДЗ-1С-15М, АДЗ-2-25М и другие.

Выполняют динамическое зондирование конусом или пробоотборником (забивным грунтоносом). По результатам испытаний устанавливают зависимость погружения конуса (пробоотборника) от количества ударов, затраченных на определенный участок погружения. Эта зависимость характеризуется условным динамическим сопротивлением. А на основе известных эмпирических выражений (формул) выявляют некоторые физико-механические характеристики грунтов.

Динамическое зондирование грунтов в условиях реконструкции зданий применяется редко. Это объясняется тем, что выявление корреляционных зависимостей и вывод эмпирических формул для определения характеристик грунтов является весьма сложной задачей. Достоверность получаемых при этом результатов невелика. Испытания грунтов динамическим зондированием в условиях реконструкции зданий используются в основном для выявления в однородном по литологическому составу песчаном грунте участков с различной плотностью сложения и определения границ таких участков. Незаменимым и практически единственным этот способ является в том случае, когда исследуются условия залегания и свойства несвязных грунтов (супесей, песков, золошлаковых отходов ТЭС), находящихся ниже уровня подземных вод [14].

Статическое зондирование грунтов в нашей стране широко применяется примерно с 1960 года и в настоящее время в условиях реконструкции зданий используется для выделения инженерно-геологических элементов (мощности, границ распространения), оценки пространственной изменчивости и строительных свойств грунтов, определения несущей способности свай и некоторых других целей.

На использование данного метода в строительстве разработан государственный стандарт и нормативные документы [15].

Для статического зондирования грунтов применяются отечественные установки С-832М конструкции НИИпромстроя, С-979 и СП-59 конструкции ГПИ Фундаментпроект которые монтируются на базе автомобилей (С-832М),колесных тракторов (СП-59), но могут быть и автономными (С-979). В практике инженерно-геологических изысканий применяются и другие конструкции установок для статического зондирования грунтов, разработанные ВСЕГИНГЕО, ВНИИ транспортного строительства, ДИИТом, Энергосетьпроектом и другими организациями.

На отечественных установках статического зондирования применяются зонды различных конструкций, позволяющие измерять те или иные параметры лобового сопротивления грунта под нижним концом наконечника зонда и сопротивление на его боковой поверхности. Если наконечники зондов снабжены специальными радиоактивными датчиками, то, кроме указанных выше параметров, могут измеряться плотность, влажность и другие характеристики грунта. В этом случае принято говорить, что конструкции таких зондов могут выполнять так называемый пенетрационный каратаж [16]. В последние годы в НИИОСПе разработан комплект аппаратуры для статического зондирования (ПИКА-2Н, ПИКА-9, ПИКА-10, поропьзометр-1 м и др.), позволяющий дополнительно измерять температуру грунта при погружении и извлечении зонда, поровое давление, гамма-активность и другие параметры [17]. Глубина погружения зондов в отечественных установках составляет до 25 м, а максимальное вдавливающее усилие - до 140 кН.

Практика инженерно-геологических изысканий в условиях реконструкции, восстановления зданий показывает, что статическое зондирование лучше использовать в сочетании с традиционными методами испытаний грунтов (компрессионными, сдвиговыми и др.). Это позволяет установить необходимые корреляционные зависимости и получить достоверные данные о нужных для расчетов параметрах грунтов. В последнее время в практике инженерно-геологических изысканий на площадках реконструируемых, восстанавливаемых зданий применяются установки ударно-вращательного зондирования и вращательно - статического зондирования грунтов (УВЗ-15, ВСЗ-15 и др.). Особенность этих установок заключается в том. что наконечники зондов имеют лопасти (лопастные зонды). При проведении испытаний, кроме традиционных показателей грунтов, при зондировании экспериментально устанавливают также прочностные характеристики методом вращательного среза [2].

Геофизические методы исследований грунтов в практике инженерно-геологических изысканий для реконструкции зданий применяются редко. Это объясняется тем, что в условиях реконструкции, восстановления зданий при выполнении геофизических измерений могут возникать помехи из-за наличия инженерных коммуникаций и других подземных конструкций в грунтовом основании. К геофизическим методам исследований относятся методы электроразведки и сейсморазведки, методы ядерной физики (радиоизотопный, нейтронный и др.), а также термический, акустический, магнитометрический и другие. Все они основаны на изучении искусственно создаваемых в толще грунта физических полей (электрических, сейсмических, магнитных, тепловых и др.). С помощью геофизических методов в условиях реконструкции, восстановления зданий можно оценить физические и химические свойства грунтов, определить положение уровня подземных вод, выявить наличие пустот в грунтовом массиве и решить другие задачи. Но в большинстве случаев в практике инженерно-геологических изысканий для реконструкции зданий геофизические методы рассматриваются как вспомогательные к традиционным способам испытаний грунтов. Для оценки сжимаемости грунтов на прилегающих к фундаментам реконструируемых зданий участках применяются штамповые и прессиометрические испытания. В настоящее время методика проведения штамповых испытаний отработана достаточно хорошо [18,19]. Но, несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, вопрос об оптимальных размерах штампов до сих пор окончательно не выяснен [14, 20, 21].

Из опыта инженерно-геологических изысканий установлено, что для оценки сжимаемости грунтов в условиях реконструкции зданий чаще всего используются круглые жесткие штампы с плоской подошвой площадью 600 и 1000 см2. Испытания грунтов такими штампами могут проводиться в подвале эксплуатируемых зданий. Значительно реже в условиях реконструкции зданий для испытаний грунтов применяются штампы с плоской подошвой площадью 2500 и 5000 см2.

Прессиометрические испытания грунтов для определения деформационных характеристик стали применяться в нашей стране примерно с 1958 года [14, 24, 25]. Разработкой и внедрением прессиометрических испытаний занимались ГПИ Фундаментпроект, НИИОСП, ВСЕГИНГЕО, НИИ транспортного строительства, Уральский политехнический институт и другие организации. Преимуществами прессиометрических испытаний по сравнению со штамповыми испытаниями грунтов являются простота проведения опытов, высокая скорость оценки деформируемости сжимаемой толщи основания фундаментов, возможность проведения испытаний в скважинах и в массиве водонасыщенного грунта. Однако прессиометрические испытания обладают одним существенным недостатком, который заключается в том, что деформационные свойства грунтов основания фундаментов оцениваются не в вертикальном, а горизонтальном направлении. Именно это обстоятельство существенным образом сдерживает внедрение прессиометрических испытаний в практику инженерно-геологических изысканий не только для реконструируемых, восстанавливаемых зданий, но и в целом для строительства [13, 26].

Для определения прочностных характеристик грунтов оснований реконструируемых зданий на прилегающих к фундаментам участках в настоящее время широко применяются приборы вращательного среза в скважинах с помощью крыльчатки [3, 5]. Такие испытания заключаются в погружении крыльчатки на штанге в забой скважины и вращении ее до момента среза грунта.

В настоящее время известны конструкции приборов вращательного среза, разработанные в ГПИ Фундаментпроект (СП-52), Энергосетьпроекте (ГСП-2, ВС-2, ПГИ-1), НИИОСПе, Калининском политехническом институте (СК-8), ВСЕГИНГЕО, ПНИИСе, СПбГАСУ и других организациях, которые с успехом используются в практике инженерно-геологических изысканий для реконструируемых зданий.

Таким образом, анализ современной практики инженерно-геологических изысканий на застроенных территориях показывает, что большинство используемых методов не всегда приемлемы для условий реконструкции и восстановления зданий. Это связано с трудоемкостью, высокой стоимостью выполняемых работ по инженерно-геологическому обследованию площадок (проходка скважин и геологических выработок, отбор образцов грунта и проведение лабораторных исследований, наблюдения за состоянием реконструируемых объектов и др.). Для выполнения инженерно-геологических изысканий на площадках реконструируемых и восстанавливаемых зданий перспективными признаются ускоренные методы (экспресс - методы) исследования грунтов зондированием, прессиометрией, а также радиоизотопные, геофизические, терморадиационные и другие методы, которые позволяют оперативно, с минимальными затратами оценить изменения свойств грунтов и определить нужные параметры.

...