Осадки зданий на слабых грунтах Санкт-Петербурга

Осадки зданий на слабых грунтах

В 1984 г. семиэтажное служебное здание было построено вплотную к существующему шестиэтажному, возведенному на ленточных бутовых фундаментах (рис.1).

Грунты в основании зданий типичные дня центральной части С.-Петербурга: мягко- и текучепластичные морские, дельтовые и озерно-ледниковые суглинки и мелкие пылеватые пески мощностью слоя 24 м и с модулем деформаций 5-10 МПа. Они подстилаются плотной мореной с модулем деформации 25 МПа. Фундамент нового здания был выполнен в виде железобетонной плиты толщиной 0,8 м.

Осадка нового здания к концу строительства составила 10 см и продолжает нарастать с затухающей скоростью, уже достигнув в настоящее время 18 см.

Диаметр зоны оседания (воронки) вокруг нового здания - около 30 м, что сопоставимо с мощностью слоя слабых грунтов. Осадка ближайшего фундамента старого здания к концу строительства составила 7 см, примыкающая его часть получила значительные повреждения.

Аварийная ситуация объясняется, по нашему мнению, тем, что: плитный фундамент на слабых грунтах не обеспечивает нормативную величину осадки.

В1994 г. недалеко от вышеописанного участка в тех же грунтовых условиях началось строительство семиэтажного здания с подземным гаражом.

Основные физико-механические свойства грунтов в основании приведены в таблице.

Наиболее слабыми грунтами разреза являются суглинки (4) - сильносжимаемые с выраженными плывунными свойствами. Угол внутреннего трения по результатам лабораторных испытаний составил 10°, однако при испытаниях в условиях природного залегания методом вращательного среза показатели сопротивления срезу не зависели от глубины, т.е. при недренированном быстром нагружении эти грунты имеют нулевой угол внутреннего трения и по механическим свойствам являются вязкой жидкостью. Слой (6) - плотная мало-сжимаемая моренная супесь находится за пределами сжимаемой толщи.

Фундамент здания представляет собой монолитную железобетонную плиту размерами 60x60 м в плане и глубиной подошвы 4,5 м. Непосредственно под плитой залегают пески слоя (3). Среднее давление от веса здания по подошве плиты 0,1 МПа. Ожидаемая общая осадка здания, вычисленная методом послойного суммирования по СНиП [1], составила 18,4 см.

На расстоянии 3 м от нового здания расположены пяти- и трехэтажные флигели уже существующего кирпичного дома на ленточных бутовых фундаментах (рис.2).

Для защиты существующего дома от оседания и повреждения были рассмотрены два варианта: возвести новое здание на сваях или отделить его от старого подземной стеной.

Было решено создать железобетонную подземную стену глубиной 24 м, чтобы она локализована осадки грунта, вызванные новым зданием.

Стену строили в виде ряда буровых свай с расстоянием между ними 15 см. Скважины для свай проходили установкой фирмы «Като» с опережающим вдавливанием обсадной трубы диаметром 1200 мм. Грунт из трубы извлекали грейфером. Уровень грунта в трубе поддерживали на 1...2 м выше нижнего конца трубы. Внутреннее пространство трубы было заполнено водой, причем ее уровень поддерживался выше дневной поверхности грунта. После откопки грунта в скважину опускался арматурный каркас, проводилось бетонирование, и труба извлекалась.

В процессе изготовления свай возникли значительные осадки существующего дома. Осадка пятиэтажного флигеля достигла 96 мм, дом на расстоянии 30 м от свайного ряда раскололся вертикальной трещиной снизу доверху (рис З). Наиболее вероятная причина осадок - наплыв грунта в обсадную трубу при грейферной откопке в момент черпания, когда под ковшом в трубе создается кратковременный вакуум.


Несмотря на идентичное положение обоих флигелей относительно ряда свай, осадка трехэтажного была в 2 раза меньше, т.е. дом не только следовал за осадками поверхности земли, но также "врезался" в грунт пропорционально своему весу. Причину подобного врезания авторы видят в снижении горизонтальных напряжений в грунте при деформациях толщи, вызванных наличием подземной полости.

Повреждения дома в результате создания защитной стены были настолько серьезными, что его пришлось разобрать.

Осадки нового дома регулярно измерялись с момента устройства подземного этажа и закладки в цоколе геодезических марок в восьми точках по периметру здания. Графики развития осадок четырех марок во времени приведены на рис.4, а положение марок в плане - на рис.2.

Результаты геодезических наблюдений показали, что осадки здания составили 11...37 мм, что в 5...18 раз меньше, чем ожидали проектировщики и значительно меньше, чем осадки здания, описанные выше. Следовательно, можно было не устраивать дорогую свайную стену.

Причина такого большого различия между расчетными и фактическими осадками, по нашему мнению, ошибка в методе прогноза осадок. СНиП [1] при расчете осадки фундамента шириной менее 10 м использует дополнительное давление по подошве, а фундамента шириной более 10 м - полное давление. Если вычислять осадку по [1], то следует вычитать вес вынутого грунта из веса здания при ширине фундаментов здания менее 10 м, и не вычитать при ширине фундамента более 10 м.

Рассматриваемое новое здание имело размер фундамента 60x60 м, вес 360 МН, среднее полное давление по подошве 0,1 МПа. Рассчитанная осадка от такого давления равна 18,4 см.


Но подошва фундамента находится на глубине 4,5 м, и вес извлеченного грунта составил 290 МН. Таким образом, дополнительное давление по подошве фундамента составляло только 0,02 МПа. Рассчитанная осадка для такого давления равна 1 см.

Из сравнения рассчитанных осадок с фактическими видно, что последние ближе к осадке, определенной по дополнительному давлению, т.е. за вычетом веса извлеченного грунта.

Из рис. 2 и 4 видно, что максимальную осадку 37,5 мм получил угол фундамента, ближайший к ряду свай, где грунт был деформирован при их устройстве. В противоположном углу осадка составила 11 мм - т.е. почти точно равна осадке, рассчитанной по дополнительному давлению.

Таким образом, при большом объеме подземной части здания его расчетная осадка может быть многократно снижена; "плавающий фундамент" с нулевой осадкой реален даже в слабых грунтах С.-Петербурга.

Приведенные на рис. 2 и 4 осадки марок 4, 5 и 18 возрастали в два этапа: сначала в период строительства здания и увеличения нагрузки на основание, а затем - в период разгрузки смежного участка поверхности грунта при разборке поврежденного старого дома. В течение второго этапа нарастания осадок произошел выгиб фундаментной плиты и в ней возник пластический шарнир примерно вдоль штриховой линии на рис.2. На стенах здания над шарниром появились трещины.

Устройство ненужных свай повредило не только существующее, по и построенное здание. Однако вследствие небольшой величины неравномерности осадок, каркасной конструкции здания и надежной гидроизоляции подземного этажа эти деформации не нарушили эксплуатации построенного здания. 

Указанная ошибка в методе расчета осадок по СНиП [1] имеет некоторые причины. Если широкий котлован оставить откопанным на длительное время, то его дно подвергнется набуханию и морозному пучению, модуль рекомпрессии снизится до модуля первичной компрессии, и грунт может "забыть", что прежде он был нагружен весом выкопанной земли. Таким путем возможные ошибки в технологии котлованных работ превратились в реальную ошибку в СНиП [1]

Эта ошибка существовала в течение десятилетий незамеченной, поскольку для малосжимаемых грунтов и зданий без подземного пространства учет или не учет веса извлеченного грунта мало сказывается на результате. Но в настоящее время многие дома в С.-Петербурге строятся с подземными гаражами. Из-за большой ожидаемой расчетной осадки их проектируют на сваях, и эта ошибка становится слишком дорогой.

Если эту ошибку можно объяснить, то аналогичная ошибка в методе расчета осадки группы свай по СНиП [2], не имеет и объяснения. Согласно [2] осадка группы свай определяется тем же методом послойного суммирования, что и осадка условного фундамента. При ширине подошвы условного фундамента свыше 10 м вес грунта в контуре фундамента включается в нагрузку, вызывающую осадку. Если сваи только забиты и никакая нагрузка к ним еще не приложена, расчет по [2] даст значительную осадку, поскольку нес грунта в контуре условного фундамента большой и обычно превышает вес будущего сооружения на этом фундаменте. Описанная ситуация наглядно демонстрирует неправомерность расчета осадок свайных фундаментов по полному давлению по подошве условного фундамента.

Приложение 2 к СНиП 2.02.01-83 является обязательным. Этим самым составители СНиП, во-первых, снимают с проектировщика и принимают на себя всю ответственность за возможные несоответствия расчетного метода и реальных условий и возможные при этом ошибки, а во-вторых закрывают возможность использования при расчете осадок современных численных методов и нелинейных моделей грунтов.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Методы расчета осадок фундаментов с плоской подошвой и свайных, предписываемые действующими СНиП, содержат ошибки.

2. Приложение 2 к СНиП 2.02.01-83 перевести из разряда «Обязательное» в разряд «Рекомендуемое».

3. В п.2 Приложения 2 к СНиП 2.02.01-83 исключить текст «(для фундаментов шириной b > 10 м принимается р_о = р)».

4. В формуле (7) Приложения 2 к СНиП 2.02.01-83 заменить «р» на «р_о».

5. В п.7 Приложения 2 к СНиП 2.02.01-83 заменить «р - среднее давление под подошвой фундамента (для фундаментов шириной b < 10 м принимается р = р_о – см. п.2» на «р_о - дополнительное вертикальное давление на основание - см. п.2».


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.02.01-83. Основания и фундаменты.
2. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты.
3. Исследование слияния горизонтальных деформация земной поверхности на несущую способность и податливость оснований ленточных и свайных фундаментов подрабатываемых зданий/ А.Б.Фадееа, И.В.Носков, А.К.Жусупбеков и др. //Геотехника Поволжья 2. Куйбышев, 1983.