Проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений, расположенных в условиях плотной городской застройки в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, при наличии глубоких котлованов и грунтов оснований со сложным нелинейным и реологическим поведением, являются существенными в таких крупных городах как г. Москва. Кроме того, при общей нехватке территории для строительства здесь приходится интенсивно осваивать подземное пространство, что вызывает существенное удорожание строительства зданий и сооружений за счет развитой подземной части.
Механические (деформационные, прочностные и реологические) свойства грунтов играют ключевую роль в возможности достоверного прогноза деформируемости и устойчивости оснований сооружений на основе расчетов оснований сооружений по I и II группам предельных состояний. Даже инженерные методы при наличии корректных механических свойств грунтов могут давать вполне приемлемые результаты, чему примером являются часть методик СНиПа «Основания зданий и сооружений» [1], которые переходят без особых изменений из первых в последующие его редакции.
Остановимся на тех особенностях механических свойств грунтов, природных грунтовых массивов, аспектах передачи нагрузки от сооружения к основанию и их взаимодействии, которые необходимо учитывать в расчетах грунтовых оснований сооружений для адекватного моделирования работы основания. Эти особенности можно разделить на несколько групп:
Первые два пункта особенностей определения механических свойств грунтов должны соответствовать процедурам ГОСТ 12071-84 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортировка и хранение образцов» и другим нормативным документам или более совершенным методикам, куда могут входить и «нестандартные методы» при соответствующих исследованиях, которые должны показать, что их применение идет «в запас» или эти процедуры более корректны, чем процедуры по ГОСТ. Здесь необходимо констатировать, что практически невозможно, не нарушая структуру грунта, выполнить отбор образца из массива или внедрить в этот массив грунтоиспытательнй зонд, следует лишь иметь четкое представление о том, к чему приведут эти нарушения и как свести их влияние к минимуму.
В последнее время методы расчета осадок [1, 2, 3] подвергаются значительной критике, в основном, не за процедуру послойного суммирования осадок, характерную по существу как для метода линейно-деформируемого полупространства, так и для метода линейно-деформируемого слоя конечной толщины, а за подход к методам определения деформационных характеристик и за процедуры определения нижней границы сжимаемой толщи.
В настоящее время стало очевидно, что вопросы деформируемости основания (от местной нагрузки как дополнительного воздействия) тесным образом связаны с назначением границ расчетной области основания и должны быть «взаимоувязаны». Практически, как это предлагалось Н. А. Цытовичем [5], расчетная область основания должна оконтуриваться по границе «структурой прочности» или области «интенсивного» деформирования, так как отобранные с большой глубины образцы грунта при разгрузке настолько разуплотняются, что не обнаруживают при испытании в лабораторных приборах «структурной прочности» как таковой.
Необходимы методики реконсолидации образцов грунта в лабораторных приборах, где они настолько восстановили бы свою структуру, что проявляли бы жесткое деформирование, соответствующее образцам грунта действительно ненарушенной структуры.
Изучение траекторий нагружения образцов грунта при его отборе из массива, с последующими испытаниями, показывает, что для образцов грунта перед лабораторным испытанием (перед траекторией нагружения, по которой определяется, например, модуль деформации) нужна реконсолидирующая стадия нагружения, соответствующая пути нагружения из разгруженного состояния к природному напряженному состоянию или даже подобная траектория циклического нагружения.
В этом направлении в МГСУ на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов под руководством Академика АВН, заслуженного деятеля науки, проф., д.т.н. З. Г. Тер-Мартиросяна ведутся уже длительные исследования, которые показали, что единого «рецепта» для всех грунтов оснований сооружений здесь не существует, а в каждом конкретном случае можно провести идентифицирующие исследования, которые бы оценили реальную деформируемость грунтов основания в массиве по сравнению с результатами стандартных исследований (стандартная компрессия, статическое зондирование и т.д.).
Расчет оснований сооружений по деформациям в практике строительства, главным образом, сводится к оценке ожидаемых деформаций и сравнению их с допустимыми значениями для фундаментов проектируемых зданий и сооружений. В целом ряде случаев, однако, отмечается несоответствие между расчетными и действительными значениями деформаций оснований сооружений. Во многих случаях это объясняется недостаточно полным учетом особенностей деформирования грунтов при нагрузке, разгрузке и повторном нагружении или влиянием траектории нагружения. Под траекторией нагружения следует понимать последовательность текущих напряженных состояний, приводящих к различным деформационным состояниям – причинами такого поведения грунта являются: внутреннее трение, упрочнение-разупрочнение, перекрестное влияние объемного и сдвигового деформирований (дилатансия) и др. Значительным фактором, а во многих случаях – определяющим, является фактор начального напряженного состояния основания, что, при нелинейном деформировании грунтов оснований, коренным образом характеризует деформируемость по причине даже формальной – начальное напряженное состояние определяет начало диапазона определения деформационных характеристик по нелинейным зависимостям.
Другой особенностью оснований зданий и сооружений, возводимых в глубоких котлованах, является то, что понятия нагрузки и разгрузки (для грунта) не могут здесь быть сформулированы традиционным образом по значениям приращения вертикальных компонент напряжений σz. Необходимо формулировать процессы нагрузки, разгрузки и повторного нагружения, строго говоря, раздельно по объемному и сдвиговому процессам деформирования грунта или, хотя бы, используя понятие «поверхности нагружения». Так, например, выемка грунта из глубокого котлована может привести к разрушению его бортов и дна (основания) иногда даже скорее, чем нагружение вертикальной нагрузкой от сооружения.
Экспериментальные лабораторные исследования деформационных и реологических свойств грунтов основания ответственных зданий обычно имеют целью определение параметров деформирования этих грунтов во времени в рамках модели в конечных приращениях напряжений и деформаций для характерных этапов нагружения, разгрузки и повторного нагружения основания. Фактически в лабораторных экспериментах может быть реализовано моделирование процесса деформирования этих грунтов во времени в рамках модели деформационного типа в приращениях напряжений и деформаций.
Характерным для настоящего времени является то, что, часто, время, отведенное на исследование, так мало, а длительность экспериментальных исследований так велика, что на более сложные подходы, чем подход линейной теории упругости с тремя модулями деформируемости для процессов нагрузки, разгрузки и повторного нагружения, что рекомендуется Пособием к СНиП [3], не хватает времени.
Остановимся на условиях проектирования оснований сооружений.
I предельное состояние (по прочности и устойчивости).
Для количественной оценки устойчивости грунтовых оснований, сооружений и природных склонов в современных нормативных документах [1, 2, 3] принимается условие:
F ≤ ɣc Fu / ɣn, (1)
где ɣn – коэффициент надежности; ɣc – коэффициент условий работы по грунту основания, а F и Fu – обобщенная расчетная нагрузка и обобщенная несущая способность (основания, откоса и т.д.) соответственно.
Коэффициенты ɣn и ɣc являются частными коэффициентами запаса, учитывающими раздельно основные факторы. Коэффициент ɣn учитывает, главным образом, приближенность расчетной схемы для сооружения данного класса ответственности (I, II, III классы), особенности работы сооружения, не отраженные в расчетной модели. Коэффициент ɣc – зависит от наименования грунта основания (песчаный, пылевато-глинистый и т.д.) [1].
Величины всех этих коэффициентов регламентируются соответствующими нормативными документами. Естественно, что в случае, когда в условии (1) соблюдается знак равенства, будет получено наиболее экономичное решение инженерной задачи.
В случае применения при проектировании величины обобщенного коэффициента устойчивости ks, условие устойчивости сооружения обычно принимается в виде:
ks = Fu/F ≥ [ks], (2)
где [ks] – допустимый коэффициент запаса. Из сопоставления (1) и (2) допустимый (нормативный) обобщенный коэффициент запаса устойчивости определится как:
[ks] = ɣn / ɣc, (3)
т.е. [ks] также регламентируется нормативными документами, но всегда [ks] > 1.
II предельное состояние (по предельным деформациям).
В основе данного условия лежит ограничение различных деформаций основания предельными величинами для данного здания или сооружения значениями, которые по существу сами являются «неизвестными», но достаточно определенно регламентируемыми нормативной литературой. К наиболее распространенным условиям подобного типа относятся:
Вышеперечисленные условия проектирования подразумевают, что грунт основания деформируется в стадии линейной деформируемости, поэтому, прежде чем определять расчетные осадки, необходимо удостовериться в том, что среднее давление под подошвой сооружения PII не превосходит расчетного сопротивления грунта основания R:
PII≤R, (5)
или для подстилающего «слабого» слоя грунта суммарное вертикальное напряжение не должно превышать величины аналога R (Rz).
Наряду с другими условиями подобного типа, где используется понятие расчетное сопротивление грунта основания, вышеуказанные условия гарантируют корректность расчета деформаций основания (осадок, кренов и прочего) по части нахождения в стадии линейной деформируемости. Последнее отслеживается по той причине, что все методы расчета деформаций по СНиП основаны на линейной связи напряжений и деформаций.
Расчетное сопротивление грунта основания (характеристика грунта основания конкретного фундамента) – это то среднее давление под подошвой данного фундамента PII (данной глубины заложения d, ширины b, грунтов данных свойств φII, CII, ɣII под подошвой, грунтов данного удельного веса ɣII’ от подошвы до уровня планировки), при котором для грунта под подошвой еще справедлива линейная зависимость между напряжениями и деформациями или между средним давлением под подошвой и осадкой.
Из вышеперечисленных условий проектирования оснований следует, что наиболее гибкими и всеобъемлющими условиями являются условия в деформациях (по предельным деформациям). В то же время, по сравнению с условиями по первому предельному состоянию, они легче поддаются проверке по измеренным в натуре осадкам, смещениям и т.д.
В этой связи возникает мысль о том, что всем Заказчикам геотехнических исследований и расчетов следовало бы интенсифицировать свои контракты с Исполнителями геотехнических исследований и расчетов в направлении расчета и проектирования по деформациям. Конкретная последовательность заказов на геотехнические исследования, расчеты, наблюдения за деформациями зданий и сооружений в натуре, должна быть подчинена именно оптимальному проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений, а критерием оптимальности проектирования должны выступать соотношения расчетных, предельных и наблюдаемых деформаций. Условие по первому предельному состоянию, конечно, должно выполняться всегда. С другой стороны, условие по деформациям – более гибкое условие, так как прежде, чем основание начинает разрушаться, в нем уже наблюдаются деформации большие предельных или нормальные условия эксплуатации здания или сооружения могут быть нарушены.
Отсюда возможен плавный переход к нелинейным методам расчета оснований, когда линейная теория бессильна, так, например, в случае оценки деформаций зданий, непосредственно примыкающих к месту устройства глубоких котлованов (характерная проблема для строительства в г. Москве).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.