Новый фундамент может оказывать значительное влияние на существующее строение, особенно если речь идет о повышении прочности и устойчивости здания. Сначала необходимо учитывать уровень нагрузки, чтобы правильно распределить вес и обеспечить надежность конструкции. Восстановление или укрепление фундамента может привести к улучшению общей геометрии строения, а также к предотвращению дальнейшего разрушения.
Однако, стоит помнить, что такие изменения могут вызвать изменения в архитектурных качествах и внешнем виде здания. Процесс модернизации фундамента требует тщательного планирования и проектирования, чтобы избежать негативных последствий, таких как трещины или деформации в стенах и перекрытиях. В конечном итоге, правильное взаимодействие нового фундамента с существующими элементами конструкции играет ключевую роль в долговечности и безопасности здания.
Взаимодействие двух фундаментов
Опыт обследовательских работ, накопленный автором, показывает, что большинство эксплуатирующихся в настоящее время зданий опираются на ленточные фундаменты. Ширина подошвы этих фундаментов изменяется от 0,6 до 2-2,5 м. Несущие стены зданий, построенных в начале и в середине двадцатого века, зачастую опираются на грунт вообще без устройства уширения. Другие типы фундаментов (фундаментная плита, свайные и т.д.), а также подготовка основания перед возведением зданий и сооружений массово начали применяться сравнительно недавно (в течение последних 20-25 лет). Износ основных несущих конструкций зданий, возведенных на свайных фундаментах и плитах, и опирающихся на предварительно подготовленное основание в большинстве случаев оказывается меньше износа конструкций зданий на ленточных фундаментах. В связи с этим необходимо разработать методику моделирования взаимодействия ленточных фундаментов, которая позволит наиболее полно учитывать особенности напряженно-деформированного состояния.
В ходе численного эксперимента решена серия задач о взаимодействии двух фундаментов с грунтовым основанием. Целью численного эксперимента является:
- Определение сходимости результатов расчета по стандартным методам и с применением метода конечных элементов.
- Определение методики ввода исходных данных для моделирования неодновременного загружения фундаментов.
- Определение влияния возводимого фундамента на существующий при устройстве шпунта и без него.
- Получение картины напряженно-деформированного состояния в грунте основания фундамента при различных вариантах ввода исходных данных.
Для оценки сходимости результатов решение проводилось по стандартной методике и с применением конечно-элементного метода решения задач теории упругости. В стандартной методике осадка основания фундаментов с учетом их взаимного влияния определена на ЭВМ по разработанной автором программе.
Решением по методу конечных элементов получена картина напряженно-деформированного состояния в грунте основания при различных загружениях фундаментов как с учетом их жесткости, так и без учета. Для определения сходимости результатов геометрические размеры области назначены следующими. Горизонтальный размер, исходя из условия исключения влияния закрепления вертикальных границ области, принят равным 14,5 м. Нижняя граница расчетной области назначена в соответствии с описанными выше рекомендациями (п. 2.1.) и находится на глубине 12 м. Шаг сетки конечных элементов принят равным 1 м. Непосредственно под фундаментом, на всю глубину расчетной области произведено двойное автоматическое сгущение сетки.
Для оценки правильности назначения границ расчетной области и сходимости результатов расчета по МКЭ с аналогичными результатами по известной методике [75] определение НДС грунта основания производилось без учета жесткости фундаментов. Осадка центра гибкой полосовой нагрузки, определенная по методу послойного суммирования с учетом влияния расположенной на расстоянии 0,5 м такой же ленты составила 8,1 см, в то время, как вертикальное перемещение центра гибкой ленты по МКЭ равно 8,05 см. Анализ сходимости результатов расчета по стандартному методу и по МКЭ показывает, что значения осадок в обоих случаях достаточно близки. Погрешность результатов составляет 0,6%. Далее была решена серия задач о взаимодействии двух ленточных фундаментов конечной жесткости с линейно-деформируемым основанием.
Анализ результатов расчетов показывает, что максимальные нормальные вертикальные напряжения находятся под краями загруженного фундамента и не превышают 260 кПа. Такая картина распределения напряжений в грунте является характерной при взаимодействии фундамента конечной жесткости с грунтовым основанием. При загружении обоих фундаментов напряженные зоны в грунте основания накладываются друг на друга и напряжения под ближними краями фундаментов увеличиваются. Это приводит к увеличению деформаций основания под ближними краями и к кренам фундаментов друг к другу, которые в расчетных примерах достигли значения i=0,0108.
Следует отметить, что одновременное загружение обоих фундаментов моделирует одновременное их возведение. Оба фундамента в таком случае опираются на грунт естественного сложения и их осадки реализуются параллельно. При этом каждый фундамент попадает в воронку оседания соседнего фундамента, и деформации его основания складываются из его собственных осадок и кренов, а также деформаций, вызванных воздействием соседнего фундамента. Поэтому появление крена фундаментов, направленного друг к другу, в рассмотренных примерах закономерно и подтверждается наблюдениями [83, 84].
При устройстве фундаментов зданий в разное время воздействие фундамента вновь строящегося здания на существующее аналогично рассмотренному ранее. Нагрузка, передаваемая на грунт возводимым фундаментом, вызывает увеличение напряжений в грунте основания и приводит к образованию воронки оседания, в которую попадает существующий фундамент.
В связи с этим он испытывает дополнительные деформации. Воздействие существующего фундамента на новый заключается в следующем. К моменту возведения нового фундамента осадки существующего фундамента практически реализуются.
Грунты основания к этому моменту обычно консолидируются, и под фундаментом существующего дома, а В непосредственной близости к нему возникает жесткое ядро консолидированного грунта [8], что может вызвать крен нового фундамента от существующего [83, 84]. Следует отметить, что воздействие ядра консолидированного грунта на крен возводимого дома проявляется в том случае, когда на рассматриваемом участке здание строится впервые. Если на месте возведения нового здания ранее были снесены какие-либо постройки, то грунты основания в пределах этих построек могут быть в разной мере консолидированы.
При моделировании взаимодействия двух фундаментов с применением МКЭ для изучения воздействия нового фундамента на существующий нагрузка прикладывалась только к возводимому фундаменту. При этом в результате расчета были получены дополнительные напряжения в грунте основания, вызванные загрузкой нового фундамента.
Существующий фундамент испытал дополнительные деформации (осадку и крен). Дополнительный крен существующего фундамента направлен к новому. В связи с тем, что при расчетах не учитывалась консолидация грунта под подошвой существующего фундамента, новый фундамент испытал равномерные осадки без кренов. Таким образом, для учета влияния существующего фундамента на возводимый необходимо вводить в исходные данные характеристики грунта в уплотненной зоне под подошвой существующего фундамента.
Снижение влияния дополнительных осадок от нового строительства путём стабилизации грунтового основания под существующим зданием
Степанов, И. В. Снижение влияния дополнительных осадок от нового строительства путём стабилизации грунтового основания под существующим зданием / И. В. Степанов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 23 (522). — С. 72-77. — URL: https://moluch.ru/archive/522/115154/ (дата обращения: 27.12.2024).
В статье автор рассматривает способы снижения дополнительных осадок существующего здания от нового строительства путём стабилизации грунтового основания под фундаментами существующего здания.
Ключевые слова: дополнительные осадки, стабилизация грунтового основания, снижение осадок, влияние нового строительства, инъектирование грунта основания, окружающая застройка.
В качестве объекта исследования было выбрано здание бизнес-центра, находящееся в самом центре Петербурга в зоне исторической застройки Санкт-Петербурга, в пределах объединенной охранной зоны памятников истории и культуры, кроме того, здание окружают объекты культурного наследия.
По периметру участка нового строительства находится историческая застройка, большая часть которой является объектами культурного наследия. Предельные дополнительные деформации основания фундаментов сооружений окружающей застройки, расположенные в зоне влияния нового строительства или реконструкции определяются согласно таблице К.1 приложения К СП 22.13330.2016. Исторические здания относятся к пункту 5 Таблицы К.1 «Многоэтажные и одноэтажные здания исторической застройки или памятники истории, архитектуры и культуры с несущими стенами из кирпичной кладки без армирования. Согласно пункту 5 в случае, если здание находятся в работоспособном состоянии, то предельные осадки могут составлять до 10 мм, а относительная разность осадок до 0,0006, в случае, если здание находится в ограниченно-работоспособном состоянии, то предельная осадка составляет не более 5 мм, а разность осадок не более 0,0004. [1]
В условиях Санкт-Петербурга выполнение данных требований представляется весьма сложной задачей на которую, зачастую, приходится тратить не малую долю бюджета нового строительства в исторической части города.
Схема 1
В схеме 1 рассматривался выполненный физически вариант в части компенсационных мероприятий для окружающей застройки. Решения предусматривают выполнение усиления тела фундаментов инъектированием цементного раствора с добавлением извести и усиление грунтов основания по технологии «jet-grouting». Грунтоцементные сваи выполняются на 2 метра ниже подошвы фундамента под каждой из 3-х лент объекта культурного наследия. Воздействия от устройства грунтоцементных свай в модели не учитывались. Расчётная схема показана на рисунке 1.
Последовательность производства работ следующая: выполнение усиления грунта основания существующего здания на глубину 2 метра ниже подошвы фундамента по технологии «jet-grouting», устройство ограждения котлована, выполнение свай с уровня планировки, откопка пионерного котлована, устройство перекрытий 1-го уровня, откопка котлована до отметки -6000, устройство перекрытий 2-го уровня, откопка котлована до проектной отметки, устройство ростверка, строительство надземной части здания.
Рис. 1. Расчётная схема ограждении котлована выполненного по схеме «top-down» с компенсационными мероприятиями, выполненными по технологии «jet-grouting».
При вышеперечисленных условиях осадка объекта культурного наследия составила 42 мм, что на 3 мм меньше, чем осадка при отсутствии компенсационных мероприятий, но превышает в 8 раз предельно допустимые осадки для здания. Неравномерность осадок составила 0,0005, что превышает допустимые нормами значения.
Схема 2
В схеме 6 показаны решения инъектирования грунта основания двухкомпонентным органоминеральным составом Resmix IS-F. Ввиду большой неравномерности осадок в схеме 5 было принято решение выполнять инъектирование для создания геополимерной плиты под существующим зданием. Инъектирование планируется выполнить под всё здание целиком для создания геополимерной плиты.
Для получения аналитических данных по уменьшению значения дополнительной осадки окружающей застройки выполнен ряд математических расчётов по закреплению грунта на глубину с шагом 2 м от точки отсчёта до глубины 10 м, до получения значения осадки здания менее 5 мм. Значение в 5 мм выбрано, поскольку рассматриваемое здание является объектом культурного наследия и находится в ограниченно-работоспособном состоянии, поэтому, согласно табл. 1, осадка не должна превышать 5 мм. Расчётная схема показана на рисунке 2.
Последовательность производства работ следующая: выполнение усиления грунта основания путем инъектирования грунта основания существующего здания двухкомпонентным органоминеральным составом Resmix IS-F, устройство ограждения котлована, выполнение свай с уровня планировки, откопка пионерного котлована, устройство перекрытий 1-го уровня, откопка котлована до отметки -6000, устройство перекрытий 2-го уровня, откопка котлована до проектной отметки, устройство ростверка, строительство надземной части здания.
Рис. 2. Расчётная схема ограждении котлована выполненного по схеме «top-down» с компенсационными мероприятиями, выполненными по схеме 2
Результата удалось достичь при глубине инъектирования 10 м, осадка составила 1 мм, что соответствует нормам, при этом, неравномерность осадок составила 0,0006, что превышает норму в 1,5 раза. Изменения осадок фундаментов с увеличением глубины инъектирования показаны на рисунке 3. С помощью применения инновационного материала и выполнения геополимерной плиты удалось уменьшить осадки в 40 раз по сравнению с проектным решением.
Рис. 3. График изменения осадки фундамента в зависимости от глубины инъекции
Схема 3
В схеме 3 было принято решение совместить выполнение. Данное решение позволило уменьшить крен здания и привести осадки и их неравномерность к нормативным значениям. Инъектирование «плитой» выполняется на 2 метра ниже подошвы фундамента, инъектирование вдоль ограждения котлована выполняется на 10 метров ниже поверхности земли. Глубина увеличивается с шагом 2 метра до получения значения осадки здания менее 5 мм. Значение в 5 мм выбрано, поскольку рассматриваемое здание является объектом культурного наследия и находится в ограниченно-работоспособном состоянии, его осадка не должна превышать 5 мм. Расчётная схема показана на рисунке 4.
Последовательность производства работ следующая: выполнение усиления грунта основания путем инъектирования грунта основания существующего здания двухкомпонентным органоминеральным составом Resmix IS-F, устройство ограждения котлована, выполнение свай с уровня планировки, откопка пионерного котлована, устройство перекрытий 1-го уровня, откопка котлована до отметки -6000, устройство перекрытий 2-го уровня, откопка котлована до проектной отметки, устройство ростверка, строительство надземной части здания.
Рис. 4. Расчётная схема ограждении котлована выполненного по схеме «top-down» с компенсационными мероприятиями, выполненными по схеме 3
Результата удалось достичь при глубине инъектирования 8 м под подошвой фундамента и 16-ть метров вдоль ограждения котлована, осадка составила 4 мм, что соответствует нормам, при этом, неравномерность осадок составила 0,0003, что соответствует нормативным значениям. Соответственно, данный вариант усиления является наиболее удачным и советует условиям сохранения возможной плотной исторической застройки.
С помощью применения инновационного материала и выполнения геополимерной плиты удалось уменьшить осадки в 10 раз по сравнению с проектным решением.
Изменения осадок фундаментов с увеличением глубины инъектирования показаны на рисунке 5.
Рис. 5. График изменения осадки фундамента в зависимости от глубины инъекции
Сравнение полученных результатов
Номер схемы
Осадки существующего здания, м
Неравномерность осадок
Максимальные горизонтальные перемещения ограждения котлована, м
