книги / Сопротивление грунтов (некоторые лекции по курсу Механика грунтов )

ные с компьютером и гидравлическими домкратами между плитой пола и каждой колонной. Когда насыпь 4, а вместе с ним какая-либо из колонн оседает, система сигнализирует о необходимости подъема ее на прежнее место. Поэтому подвальный этаж остается на месте, 1-й этаж поднимается вверх, а одна из двойных стен следует за ним. К лестницам снизу добавляют ступени, а зазоры под дверями заполняют. Сегодня считается, что проблема с оседанием в целом решена: а с 1994 по 2006 г. скорость оседания замедлилась с 50 до 7 см в год, а к 2014 г. – до 5 см в год.

2 Башня Мессетурм в Германии. Башня в 60 этажей высотой

256 м размером в плане 41 41 м с двумя подземными этажами построена в 1998–1999 гг. во Франкфурте-на-Майне – городе, стоящем на крупной реке, и имеет в основании достаточно слабые и неоднородные грунты – продукты деятельности реки, бывших морей, ледни-

341

На головы и даже под концами наиболее «ответственных» свай были установлены динамометры, для того чтобы контролировать фактическую нагрузку на сваи. Кроме того, в арматуре многих свай по всей их длине с шагом 4–5 м были установлены тензометрические датчики, которые контролировали распределение напряжений между бетоном и арматурой и в самих сваях по глубине.

Кроме того, в надземных конструкциях башни было установлено до 1000 датчиков разного назначения – для измерения распределения нагрузок между колоннами и стенами, вертикальных деформаций, возможных отклонений от вертикали, амплитуд и частот колебаний, ветровых воздействий и проч.

Безусловно, эти результаты, кроме обеспечения надежности строящейся башни, имеют огромное научное значение для совершенствования расчетов. Например, измерения, показали, что плита восприняла около 56 % нагрузок от башни (см. рис. 10.4, в). Следует также отметить, что, по имеющимся сведениям, регулирования положения башни не потребовалось.

3 Выправление наклона Пизанской кампанилы. Строительство уникального сооружения всемирной известности – Пизанской башни (рис. 10.5, а) было начато в 1174 г. и завершено в 1350 г. Вместо планируемой высоты в 98 м было построено только 7 этажей и колокольня. Общая высота башни (Кампанилы, Колокольни), по разным сведениям, от 54 до 56.7 м, диаметр башни 15 м, фундамента 18.5 м. Из-за наличия в основании здесь, на берегу реки Арно, весьма слабых грунтов и отказа от применения свай башня стала наклоняться с самого начала строительства; развитие ее наклона в ХХ в. показано на рис. 10.6; к 1990 г. он достиг 5 м, и башню закрыли для экскурсий.

Выправить башню удалось только с двух попыток [12]: в 1995 г. со стороны, противоположной наклону, установили 690 т свинцовых пригрузов. Время их постановки показано на рис. 10.5, б и 10.6 кружками. Но эта мера не дала должного эффекта: наклон сначала несколько уменьшился, но потом, словно забыв про пригрузы, башня продолжила отклонение. (Заметим, что термин «выправление» более соответствует смыслу операции, чем «выпрямление», поскольку выправлению не всегда сопутствует именно выпрямление – после выправления продольная ось объекта может остаться изогнутой, саблеобразной.)

В 1999–2001 гг. приступили к реализации другого проекта, предусматривающего выемку грунта шнеками под краем фундамента, причем места экскавации были установлены на пробном объекте (специально сооруженном наклонном пилоне высотой около 9 м) и подтверждены компьютерным моделированием.

342

Известно, что отклонение верха башни от вертикали на сегодня около 2.2 м, а общий угол наклона 2.9°. Измерения 1962–1979 гг. показали отклонение шпиля от вертикали на = 1800 мм, а общий угол наклона тогда достигал 2°. Это говорит о том, что процесс ее отклонения еще не завершен, а скорость отклонения оценивается в 0.5–0.9 мм в год.

Таким образом, наблюдения показывали, что наклон башни продолжается, пусть даже в «вялотекущем» режиме. Безусловно, это связано с наличием в основании насыпных шлаков и слабых грунтов – продуктов деятельности р. Нейвы, а в фундаменте башни – деревянных свай.

Один из прогнозов устойчивости башни показан на рис. 10.8 [13]. Согласно этому прогнозу Невьянская башня может исчерпать ресурс устойчивости к 2200–2250 гг.; к этому сроку при самом неблагоприятном варианте развития деформаций коэффициент устойчивости достигнет критического kst = 1.0; сейчас же устойчивость башни оценивается коэффициентом kst = 1.25…1.30. И если сейчас устойчивость башни можно характеризовать достаточным коэффициентом устойчивости

(около kst = 1.2), но когда он понизится до опасного (kst = 1.1 и

меньше), предсказать практически невозможно без проведения систематических измерений. Заметим, что выправление наклона Пизанской башни началось, когда коэффициент устойчивости ее еще был kst = ~1.1.

344

Но рано или поздно, придется приступить к поиску способов стабилизации положения башни (о выправлении наклона может даже речь не идти). Казалось бы, чего проще – применить способ экскавации грунта со стороны, противоположной наклону, как это сделано в Пизе, но способ выемки грунта при наличии деревянных свай неприменим – он просто опасен. Поэтому предлагаются четыре возможных способа стабилизации башни.

Первые два способа предполагают усиление фундамента и грунта со стороны наклона башни:

1.Инъекция закрепляющих растворов под фундамент со стороны наклона (рис. 10.9, а).

2.Сооружение буронабивных свай также со стороны наклона, связь свай с ростверком и фундаментом башни (рис. 10.9, б);

Рис. 10.9. Четыре способа стабилизации положения Невьянской башни:

а– инъекция грунта; б – поддерживающийростверкибуронабивные сваи;

в– противовесы из свай; г – противовесы из грузов

Способы закрепления грунтов и сооружений путем инъекции закрепляющих растворов с этой же стороны давно и широко практикуются на Урале. Но и он содержит некоторые факторы риска, которые нужно обязательно учитывать. Дело в том, что при инъекции растворов в грунт вместе с цементно-песчаной смесью или с бетоном свай поступает достаточно большое количество воды. Вода, безусловно, значительно ослабляет грунт до тех пор, пока цементно-песчаная составляющая раствора или бетон свай не наберет необходимой прочности. В этот период (он длится от 10 до 20 суток) могут образоваться дополнительные осадки, усугубляющие наклон башни (их называют технологическими осадками). Поэтому на период инъекции или сооружения свай нужно защитить башню от этих технологических осадок, например, установкой подкосов, имеющих надежную опору на земле (например, в виде свайного ростверка с наклонными сваями).

345

Два других способа используют идею противовеса башне со стороны пристроя, которую ранее выполнял, возможно, и сейчас еще выполняет пристрой:

3.Создание противовеса из буронабивных свай, сооруженных со стороны края пристроя, связь свай с железобетонным ростверком и фундаментом пристроя, а напрягаемыми тяжами – с башней; этот способ похож на первый вариант выправления Пизанской башни (рис. 10.9, в).

4.Создание противовеса из тяжелых грузов со стороны края пристроя, связь их с ростверком и фундаментом пристроя, а напрягаемыми тяжами – с башней (рис. 10.9, г).

Сваи и тяжелые пригрузы должны создать момент знака, противоположногонаклону.Еслиучесть,чтовесомНевьянскойбашни(G =~3 тыс. т)

иотклонением ее центра тяжести (е = ~1.1 м) создается опрокидывающий башню момент М= G · е = ~3 · 1.1 = ~3.3 тыс. тс·м, то для стабилизации башни достаточно будет создать «противомомент» величиной около 0.5 тыс. тс·м, который должен быть обеспечен массой пригрузов или несущей способностью свай на выдергивание величиной около 200 т. Таким образом, созданием «противомомента» дополняется поддерживающая функция существующего пристроя, если она, как предполагают специалисты, имела бы место в действительности.

5Другие примеры адаптивного управления в строительстве.

Выше отмечалось, что на начальной стадии проектирования целесообразны более простые решения фундаментов: плитные вместо свайноплитных; столбчатые вместо плитных; свайные, но с меньшим числом, меньшей длиной, меньшим шагом и др.

Если проектируется столбчатый фундамент, размеры его целесообразно принимать намеренно меньших размеров (но поддающийся инженерному вмешательству), чтобы давление под каждым из них при достижении, например, половины высоты, было близким к тому, которое возникло бы при полной высоте строения; это позволяет на этом уровне оценить характеристики грунтов в более широком диапазоне давлений, включая нелинейные эффекты, а в случае необходимости преобразовать столбчатый фундамент или его часть в плитный [7, 8].

Это самая ценная часть анализа: относительно установления коэффициентов постели на стадии расчетов существуют самые разные, часто противоречивые рекомендации, как правило, приводящие к очень осторожным техническим решениям. Рассматривая же сам процесс строительства как пробное испытание грунтов нагрузкой, можно существенно повысить достоверность информации о грунтах. Далее полученные характеристики грунтов на любом этапе сооружения здания можно учитывать при прогнозе НДС строения до полной высоты, т.е. на упомянутое выше виртуальное состояние его в уже построенном виде.

346

Также важно, что необходимости применения расчетных моделей, через которые обычно переходят к значениям коэффициентов постели, не возникает – достаточно вычислить эти коэффициенты в конкретном месте и ввести в компьютерную программу для последующего расчета, минуя, например, вычисления модуля деформации.

Различие между системами пассивного и активного управления показано на примере свайно-плитного фундамента (СПФ) (рис. 10.10).

В пассивном, неавтономном варианте СПФ (рис. 10.10, а), который регламентируется СП 24 [14] и является первым примером включения плиты в работу свайного фундамента, сваи и ростверк связаны жестко. В результате на плиту допускается передавать около 15 % общей нагрузки, а консоли плиты оказываются перегруженными примерно в 3 раза за счет повышенных нагрузок от свай крайних рядов.

Рис. 10.10. Конструкции комбинированного свайно-плитного фундамента: а – с жестким сопряжением плиты 1 и свай 2; б – узел А (с последующим заполнением полости 3 над сваями 2); в – узел А (с упругими прокладками 4 над сваями 2)

Вдругом варианте (рис. 10.10, б) согласно ряду предложений [15–17] в плите предусматриваются открытые полости над головами свай, которые заполняются бетоном после передачи на СПФ части нагрузки от строения, чем достигается увеличение доли нагрузки на плиту, а также уменьшение моментов в консолях. Этот вариант следует отнести к системам активного управления, когда вмешательство требуется в ходе строительства.

К такому же типу систем следует отнести описанную в книге А.В. Перельмутера [2] песочницу для регулирования осадок колонн, применяемую, например, при передвижкешахтныхкопров(рис.10.11).

Втретьемварианте(рис.10.10,в)

всоответствии с патентами [18, 19]

347

до контакта с грунтом могла бы воспринять заранее рассчитанную часть нагрузок, а после полного или частичного сжатия прокладок передавать нагрузки на сваи, причем крайние сваи могут быть включены в работу позднее, что позволяет уменьшить моменты в консолях за счет принятия над сваями крайних рядов прокладок большей толщины или большей сжимаемости. Причем согласно патенту [19] изменением толщины прокладок можно регулировать напряжения в сваях и ростверке, а согласно авторскому свидетельству [20] можно повысить несущую способность свайного фундамента за счет небольшого смешения голов свай перед бетонированием ростверка.

Третий вариант следует отнести к системам пассивного управления, когда вмешательства в ходе строительства не требуется, а сами прокладки играют роль «парового клапана» и не снижают внутреннее напряжение в системе, а напротив, увеличивают его, включая в работу свайную часть СПФ, и повышают долю плиты до 50 % (авторы изобретения предлагают называть его аббревиатурой ПСФ, а не СПФ, подчеркивая повышение доли плиты).

6 Способы реализации «отложенного решения» в ходе строительства и эксплуатации зданий и сооружений

1 Дополнение столбчатого фундамента плитой. Этот способ ак-

тивной автономной адаптации на примере фундамента 8-этажного дома путем сооружения дополнительной фундаментной плиты показан на рис. 10.12. Ниже подошв фундаментов залегают элювиальные суглинки, имеющие согласно исходным предпосылкам удельный вес 18 кН/м3, расчетное сопротивление 0.2 МПа, модуль деформации 12 МПа, причем слой суглинков выклинивается так, что под фундаментами по оси 1 мощность его составляет 2–3 м, а к оси 6 – 6–8 м. Еще ниже залегают малосжимаемые полускальные порфириты средней прочности. Исходный проект предусматривает сооружение дома на столбчатых фундаментах размером 2.7 2.7 м, но с возможностью преобразования фундаментов или их части в плиту согласно патенту [7] (см. также статью [8]).

На рис. 10.12, а показано состояние дома на момент возведения трех надземных этажей с прогнозом на 8 этажей, на рис. 10.12, б – на момент возведения 8 этажей.

Текущие нагрузки на столбчатые фундаменты по осям 2 и 5 от 3-этаж- ной части N3 = 1200 кН, полные от 8-этажной – N8 = 2350 кН, среднее давление на грунты соответственно р3 = 145 и р8 = 280 кН/м2.

К моменту сооружения 3-го этажа здание получило общий наклон в сторону оси 6: осадка фундамента по оси 2 составила S3 = 1.2 см, по оси 5

S3 = 4.0 см; наклон перекрытия 1-го этажа i1 = 1.6 · 10–3, 3-го этажа – i3 = 1.2 · 10–3.

348

ле столбчатых фундаментов в осях 3/4 – 6 железобетонной плиты толщиной 0.8 м (см. рис. 10.12, б). Для соединения арматуры плиты и столбчатых фундаментов в них были предусмотрены выпуски арматуры.

Плита площадью А = 432 м2, сооруженная после возведения

3-го этажа, создает дополнительное давление на грунт р = 61.1 кН/м2. После сооружения 8-го этажа прогнозируемые осадки по оси 2 не изменились, а по оси 5 уменьшились с S2 = 6.9 до 5.2 см (рис. 10.13). Наклоны перекрытий изменились так: на 1-м этаже i1 – с 1.6 · 10–3 до

1.9 · 10–3, на 3-м i3 – с 1.2 · 10–3 до 1.5 · 10–3, на 8-м i8 – с 2.83 · 10–3 до

1.93 · 10–3, а отклонение верха здания уменьшилось с Н = 8.8 до 4.9 см. Вертикальная ось дома получила небольшое искривление, практически не ощущаемое визуально (см. рис. 10.12, б). Все контролируемые параметры не превысили нормируемых значений.

Рис. 10.13. Развитие осадок 8-этажного дома в ходе его сооружения

2 Домкратные технологии. Выпрямление наклонных объектов начали еще в Древней Греции и Древнем Риме. В частности, часть стен Колизея, построенного в I в., неоднократно выпрямляли много раз, пока они не упали после пожара в ХIV в.

В мире есть свыше 600 наклонных сооружений, многие из которых представляют исторический интерес именно как наклонные строения, и не потребуют выправления, если наклон их не достигнет критического. Блистательное доказательство – рассмотренный выше пример частичного выправления знаменитой Пизанской башни, когда состояние ее стало оцениваться опасным.

Домкратные технологии широко применял известнейший ученый, классик науки реконструкции зданий Э.М. Гендель. Он выправлял наклонившийся минарет медресе Регистан в Самарканде в середине 1960-х гг. [23] и вел работы по передвижке многих зданий в Москве

350