Проектирование оснований включает обоснованный расчетом выбор:
- типа основания (естественное или искусственное);
- типа, конструкции, материала и размеров фундаментов (мелкого или глубокого заложения; ленточные, столбчатые, плитные и др.; железобетонные, бетонные, бутобетонные и др.);
- мероприятий, указанных в подразделе 5.8, применяемых при необходимости уменьшения влияния деформаций оснований на эксплуатационную пригодность сооружений.
5.1.2. Основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой - по несущей способности и второй - по деформациям.
К первой группе предельных состояний относятся состояния, приводящие сооружение и основание к полной непригодности к эксплуатации (потеря устойчивости формы и положения; хрупкое, вязкое или иного характера разрушение; резонансные колебания; чрезмерные пластические деформации или деформации неустановившейся ползучести и т.п.).
Ко второй группе предельных состояний относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружения или снижающие его долговечность вследствие недопустимых перемещений (осадок, подъемов, прогибов, кренов, углов поворота, колебаний, трещин и т.п.).
Основания рассчитывают по деформациям во всех случаях, за исключением указанных в 5.5.52, а по несущей способности - в случаях, указанных в 5.1.3.
5.1.3. Расчет оснований по несущей способности должен производиться в случаях, если:
а) на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки (подпорные стены, фундаменты распорных конструкций и т.п.), в том числе сейсмические;
б) сооружение расположено на откосе или вблизи откоса;
в) основание сложено дисперсными грунтами, указанными в 5.6.5;
г) основание сложено скальными грунтами.
Расчет оснований по несущей способности в случаях, перечисленных в подпунктах «а» и «б», допускается не производить, если конструктивными мероприятиями обеспечена невозможность смещения проектируемого фундамента.
Если проектом предусматривается возможность возведения сооружения непосредственно после устройства фундаментов до обратной засыпки грунтом пазух котлованов, следует производить проверку несущей способности основания, учитывая нагрузки, действующие в процессе строительства.
5.1.4. Сооружение и его основание должны рассматриваться в единстве, т.е. должно учитываться взаимодействие сооружения с основанием. Для совместного расчета сооружения и основания могут быть использованы аналитические, численные и другие методы.
5.1.5. Целью расчета оснований по предельным состояниям является выбор технического решения фундаментов, обеспечивающего невозможность достижения основанием предельных состояний, указанных в 5.1.2. При этом должны учитываться не только нагрузки от проектируемого сооружения, но также возможное неблагоприятное влияние внешней среды, приводящее к изменению физико-механических свойств грунтов (например, под влиянием поверхностных или подземных вод, климатических факторов, различного вида тепловых источников и т.д.). К изменению влажности особенно чувствительны просадочные, набухающие и засоленные грунты, к изменению температурного режима - набухающие и пучинистые грунты.
5.1.6. Расчетная схема системы «сооружение - основание» или «фундамент - основание» должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения (статической схемы сооружения, особенностей его возведения, характера грунтовых напластований, свойств грунтов основания, возможности их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения и т.д.). Рекомендуется учитывать пространственную работу конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, анизотропность, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, развитие областей пластических деформаций под фундаментом.
Допускается использовать вероятностные методы расчета, учитывающие статистическую неоднородность оснований, случайную природу нагрузок, воздействий и свойств материалов конструкций.
5.1.7. Результаты инженерно-геологических изысканий, излагаемые в отчете, должны содержать сведения:
- о местоположении территории предполагаемого строительства, ее рельефе, климатических и сейсмических условиях и о ранее выполненных инженерных изысканиях;
- об инженерно-геологическом строении площадки строительства с описанием в стратиграфической последовательности напластований грунтов, формы залегания грунтовых образований, их размеров в плане и по глубине, возраста, происхождения и классификационных наименований грунтов и с указанием выделенных инженерно-геологических элементов (ГОСТ 20522);
- о гидрогеологических условиях площадки с указанием наличия и толщины водоносных горизонтов и режима подземных вод, отметок появившихся и установившихся уровней подземных вод, амплитуды их сезонных и многолетних колебаний, расходов воды, сведений о фильтрационных характеристиках грунтов, а также сведений о химическом составе подземных вод и их агрессивности по отношению к материалам подземных конструкций;
- о наличии специфических грунтов (см. раздел 6);
- о наблюдаемых неблагоприятных геологических и инженерно-геологических процессах (карст, оползни, суффозия, горные подработки, температурные аномалии и др.);
- о физико-механических характеристиках грунтов;
- о возможном изменении гидрогеологических условий и физико-механических свойств грунтов в процессе строительства и эксплуатации сооружения.
Основания фундаментов и подземные сооружения должны проектироваться на основе:
а) результатов инженерно-геодезических, инженерно-геологических, гидрогеологических и инженерно-экологических изысканий для строительства;
б) данных, характеризующих назначение, конструктивные и технологические особенности сооружения, действующие нагрузки и условия и срок его эксплуатации;
в) технико-экономического сравнения возможных вариантов проектных решений для принятия варианта, обеспечивающего наиболее полное использование прочностных и деформационных характеристик грунтов и физико-механических свойств материалов фундаментов и подземных сооружений.
При проектировании оснований, фундаментов и подземных сооружений следует учитывать местные условия строительства, окружающую застройку, экологическую обстановку, а также имеющийся опыт строительства и эксплуатации сооружений в аналогичных условиях.
Проектирование оснований, фундаментов и подземных сооружений без соответствующего инженерно-геологического и экологического обоснования или при его недостаточности не допускается.
В проектах оснований, фундаментов зданий и подземных сооружений повышенного уровня ответственности, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, следует предусматривать: научное сопровождение проектирования и строительства; установку необходимых приборов и приспособлений для проведения натурных измерений деформаций как строящихся и реконструируемых, так и расположенных вблизи зданий и сооружений и поверхности территории вокруг них.
Натурные измерения деформаций должны также предусматриваться в случае применения новых или недостаточно изученных конструкций сооружений или их фундаментов, а также, если в задании на проектирование имеются специальные требования по измерению деформаций.
Стадии проектирования оснований, фундаментов и подземных сооружений должны устанавливаться заказчиком и генеральным проектировщиком в зависимости от сложности инженерно-геологических и экологических условий, уровня ответственности проектируемого объекта и сроков строительства.
Порядок проектирования ОиФ:
1. Изучить материалы инженерно-геологических, гидрогеологических и геодезических изысканий на площадке будущего строительства. (Обязательно должно быть изучение архивных материалов, особенно в условиях городской застройки.)
2. Произвести анализ проектируемого здания с точки зрения оценки его чувствительности к неравномерным осадкам.
3. Определить нагрузки на фундаменты.
4. Выбрать несущий слой грунта.
5. Рассчитать предложенные варианты фундаментов по 2-м предельным состояниям (прочность и деформации).
6. Произвести экономическое сравнение вариантов и выбрать наиболее дешевый.
7. Произвести полный расчет и проектирование выбранного варианта фундамента.
Номенклатура объектов, размещаемых в подземном пространстве, включает:
- инженерные коммуникации и сооружения: трубопроводы различного назначения, кабельные прокладки, общие городские коллекторы, головные сооружения водопровода и канализации, насосные станции, бойлерные, вентиляционные и калориферные камеры, трансформаторные подстанции, центральные тепловые пункты, ремонтно-эксплуатационные комплексы и пр.;
- инженерно-транспортные сооружения: транспортные тоннели автомобильных магистралей, пешеходные переходы, помещения автостанций и вокзалов, гаражи-стоянки;
-торговые и культурно-развлекательные комплексы, помещения зрелищных и административных зданий;
- предприятия торговли, общественного питания, коммунально-бытового обслуживания и связи, объекты складского хозяйства и промышленного назначения;
- основные и вспомогательные помещения подземной части жилых зданий;
- защитные сооружения гражданской обороны;
- специальные сооружения.
В зависимости от объема занимаемого подземного пространства эти сооружения подразделяются на линейные протяженные (в основном инженерные коммуникации, транспортные тоннели) и компактные (отдельно стоящие).
Подземные и заглубленные сооружения следует классифицировать по способу их устройства на: сооружения, возводимые открытым способом, и сооружения, возводимые закрытым способом.
К сооружениям, возводимым открытым способом, относятся устраиваемые:
- в насыпи;
- в котлованах с неподкрепленными бортами (откосами);
- в котлованах с использованием временных ограждающих конструкций (шпунтов, забирок, нагельных креплений и пр.);
- в котлованах с использованием постоянных ограждающих конструкций ("стены в грунте", буросекущихся свай и пр.);
- в котлованах с использованием специальных способов строительства (замораживания грунтов, закрепления грунтов и пр.);
- способом опускного колодца.
К сооружениям, возводимым закрытым способом, относятся устраиваемые:
- горным способом;
- комбайновым и щитовым способами;
- продавливанием.
Выбор конструктивного решения и методов строительства, подземных и заглубленных сооружений следует определять с учетом:
- назначения сооружения, объемно-планировочных решений, глубины заложения;
- величин нагрузок, передаваемых на сооружение;
- инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства;
- условий существующей застройки и влияния на нее подземного строительства;
- взаимного влияния проектируемого сооружения и существующих подземных сооружений;
- экологических требований;
- технико-экономического сравнения вариантов проектных решений.
Выбор оптимальных решений при проектировании оснований и фундаментов.
Вариантность решений
Фундаментостроение является одной из наиболее трудозатратных и материалоемких отраслей строительства. По данным НИИОСП* им. Н.М. Герсеванова, объем фундаментостроения составляет в среднем около 10 % от общей стоимости строительно-монтажных работ. В сложных инженерно-геологических условиях (ИГУ) эта цифра доходит до 30 %. При этом расход бетона и железобетона при устройстве фундаментов достигает 23 % его общего расхода в строительстве, а трудозатраты - 15...20 % (Справка. Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова - ведущая организация строительной отрасли России в области фундаментостроения и подземного строительства. НИИОСП создан в 1931 г. как Всесоюзный институт по сложным основаниям и фундаментам (ВИОС), в 1958 г. утвержден в статусе головного института строительной отрасли в области фундаментостроения и подземного строительства, в 1966 г. награжден орденом Трудового Красного Знамени. Имя своего создателя, выдающегося российского ученого Николая Михайловича Герсеванова, Институт носит с 1973 г.
Практически все крупные объекты страны - высотные здания в Москве, Московское метро, Останкинская телебашня, Норильский горнометаллургический комбинат, крупные заводы (Тольятти, Запорожье, Набережные Челны, Череповец и др.), объекты обустройства рудных, угольных, нефтегазовых месторождений (Курск, Воркута, Уренгой, Якутск и др.) построены при участии Института.
Уникальные объекты на Кубе, в Болгарии, Индии, Египте, Иране, Югославии и других странах также возведены при участии Института).
Переход страны на рыночную экономику сделал вопрос выбора оптимальных решений при проектировании оснований и фундаментов, а следовательно снижения стоимости их устройства, особенно актуальным.
Разработка оптимального проекта оснований и фундаментов возможна на основе технико-экономического анализа рассматриваемых вариантов по минимуму сметной стоимости, приведенных затрат и трудозатрат, а также по продолжительности работ.
Вариантное проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений является сложной многофакторной задачей. Многообразие климатических и инженерно-геологических условий реальных грунтовых площадок будущего строительства, большая изменчивость характеристик физико-механических свойств слагающих грунтов, различные конструктивные и технологические особенности зданий и сооружений приводят к необходимости индивидуального подхода к проектированию фундамента каждого сооружения на каждой новой строительной площадке.
Дополнительным усложнением задачи оптимального проектирования является необходимость рассмотрения широкого спектра конструктивных типов фундаментов, в первую очередь фундаментов мелкого заложения (столбчатых, ленточных, прерывистых, перекрестных, плитных), и свайных фундаментов, различающихся по материалу, конструкции, способу изготовления и др. Кроме того, в вариантное рассмотрение в ряде случаев могут быть включены искусственные основания или фундаменты глубокого заложения.
Указанное вызывает необходимость использовать для вариантного проектирования и выбора оптимального фундамента современные компьютеры со специально разработанным программным обеспечением, возложив тем самым на ЭВМ большую часть рутинных расчетов. За проектировщиком остаются творческие, наиболее ответственные элементы: составление расчетной схемы, подготовка и ввод исходных данных, анализ результатов расчетов и принятие окончательного решения о типе и размерах фундамента. Одним из важнейших критериев выбора оптимального фундамента является его стоимость. В настоящее время разработан программный комплекс (например СПбГАСУ), в который входят программы расчетов оснований и фундаментов четырех типов (рис.3):
1) мелкого заложения на естественном основании;
2) из призматических забивных свай;
3) на искусственных основаниях;
4) из буронабивных свай.
При этом для каждого типа фундаментов осуществляется многовариантный расчет, позволяющий определить их технические параметры при различных глубинах заложения подошвы, изменении толщины искусственного слоя основания, а для свайных - производить перебор длин и поперечных сечений забивных буронабивных свай. Особенностью разработанных программ, включенных в программный комплекс, является расчет экономических показателей, что позволяет выбрать наиболее рациональный и экономичный фундамент для заданного напластования грунтов, нагрузок, типов и размеров. Оптимальное решение находят на основе технико-экономического сопоставления вариантов. Рассмотрение вариантов является одним из основных моментов проектирования фундаментов.
Технико-экономическое сравнение вариантов
Технико-экономическое сравнение вариантов производится путем анализа их технико-экономических показателей. Экономическая эффективность (приведенные затраты, сметная стоимость, расход основных материалов и др.) в ряде случаев является основным показателем при сравнении вариантов. При этом важное значение играет соблюдение условий их сопоставимости (рис.3).
Рис.3. Принципиальная схема комплекса программ многовариантных расчетов
фундаментов различных типов
Экономическую эффективность вариантов правильнее всего подсчитывать для всего сооружения, определяя суммарную стоимость фундаментов, однако это требует детальной разработки большого числа фундаментов. Поэтому для анализа показателей может быть выбрана сопоставимая единица измерения, например 1 м2 общей площади сооружения, один отдельный фундамент под колонну, 1 пог. м фундамента под стены и т. д. При этом рекомендуется производить расчет для наиболее загруженного типичного фундамента. Иногда при преобладающих вертикальных нагрузках стоимость фундамента относят к единичной нагрузке, приходящейся на фундамент (на 1 кН).
Достаточно полная методика технико-экономического сравнения вариантов различных типов фундаментов, заключающаяся в расчете стоимостных и натуральных показателей для каждого варианта и выборе лучшего из них по минимуму приведенных затрат, представлена в «Руководстве» НИИОСП имени Н. М. Герсеванова (1984).
Основным стоимостным критерием при выборе оптимального решения является показатель приведенных затрат, определяемый для каждого варианта.
Приведенные затраты З по различным вариантам фундаментов в справочниках [13,21] рекомендуется определять по формуле:
З=С+Е(К1+К2)+Д, (1)
где С - фактическая себестоимость устройства фундаментов;
Е-нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,12; К1и К2- капитальные вложения в основные производственные фонды строительной индустрии (К1- в предприятия по производству товарного бетона, арматуры, сборных бетонных и железобетонных конструкций фундаментов; К2- в строительные и транспортные машины и механизмы, а также в базу по их обслуживанию и эксплуатации); Д - фактор, определяющий дефицитность материальных ресурсов.
С введением рыночных отношений в Российской Федерации и отменой государственного регулирования капитальных вложений в основные производственные фонды - второй и третий члены выражения вошли в затраты по фактической себестоимости строительства.
Фактическая себестоимость строительства определяется на основании действующих сметных норм и "Единых районных единичных расценок" (ЕРЕР), а приведенные затраты устанавливаются по формуле:
З=СК, (2)
где С - фактическая себестоимость; К - коэффициент удорожаний, вызванных либерализацией цен на строительные материалы, конструкции, энергозатраты, эксплуатацию машин и механизмов.
Коэффициент рыночных удорожаний определяется для каждой строительной организации и зависит не только от существующих цен на строительные материалы и энергоресурсы на момент расчета, но и от накладных расходов, рентабельности и отчислений в виде налогов в бюджет.
Себестоимость строительства вариантов фундаментов можно определить, используя удельные показатели стоимости трудоемкости, приведенные в табл. 3.4 с.37 [13]
Оптимизация проекта фундаментов и сооружения в целом
При технико-экономическом сравнении вариантов не следует стремиться к определению чрезмерно точных размеров каждого фундамента. Результаты вариантного проектирования не должны приводить к значительному увеличению числа типоразмеров фундаментов. Рекомендуется под отдельные объекты принимать сваи по возможности одной длины, глубину заложения отдельных и ленточных фундаментов устанавливать одну и ту же. Размеры фундаментов и их деталей должны соответствовать модулю конструкций или модулю инвентарной опалубки.
Иногда принятие более дешевого варианта может привести к развитию значительных и неравномерных осадок в течение многих лет. Равноценными в этом плане решениями являются такие, при которых ожидаются одинаковые неравномерности осадок, во всяком случае, меньше предельно допустимых значений. Это свидетельствует, что простое сравнение вариантов по стоимости допустимо далеко не всегда. Важным резервом экономии при строительстве жилых кварталов является вариантное проектирование на стадии разработки проектов квартальной планировки. В наст. время разработана схема (рис.4) проектирования рациональных фундаментов на стадии проекта квартальной планировки с учетом конкретных инженерно-геологических условий (Мангушев Р.А.,СПб ГАСУ, 1992).
По этой схеме территория будущего строительства разбивается на условно-однородные инженерно-геологические зоны, что предполагает более плотную сетку инженерно-геологических скважин. Разбивка на эти зоны осуществляется по результатам разведочного бурения на основе специальной машинно-ориентированной методики, в соответствии с которой исходными данными по территории квартала являются число разведочных скважин и их условные координаты, разведанные толщины слоев грунта в каждой из них, физические и деформационные характеристики слоев грунта, заданный шаг условной разбивочной сетки внутри квартала.
Рис. 4. Схема проектирования рациональных фундаментов на стадии проекта квартальной планировки с учетом инженерно-геологических условий
Под условно сжимаемыми инженерно-геологическими зонами понимаются те участки территории квартала, в пределах которых напластования грунтов обладают одинаковой сжимаемостью, близки по толщинам и характеристикам слоев. При этом каждой зоне соответствует рассчитанная с определенной степенью вероятности инженерно-геологическая информация, которая в дальнейшем используется при проведении расчетов на ЭВМ.
Для этих зон выполняется многовариантный расчет в соответствии со схемой, представленной на рис.3, всех возможных типов фундаментов для всего набора зданий, намеченных к строительству в данном квартале.
Для каждого типа фундамента осуществляется многовариантный расчет, позволяющий определить их технические параметры при различных глубинах заложения подошвы, изменении толщины искусственного слоя основания. Для свайных фундаментов рекомендуется производить перебор длин и поперечных сечений сборных железобетонных свай. При расчете экономических показателей всех вариантов используются укрупненные расценки по выполнению работ нулевого цикла. Результаты автоматизированных расчетов дают возможность построить комплекс специальных геотехнических карт для характерных зданий различной этажности, принятых при застройке квартала, на которых отражены различные виды фундаментов с минимальной стоимостью для каждой из зон, а также их удельные стоимости. Совместное рассмотрение таких карт позволяет построить обобщенную карту-схему рационального размещения зданий разной этажности на территории квартала по фактору минимальной стоимости фундаментов. На рис. 5 и рис.6 приведены фрагменты таких карт для одного из кварталов в Санкт-Петербурге.
Рис. 5. Фрагмент карты-схемы рекомендуемых типов фундаментов для 12-этажного здания: 1 - фундаменты мелкого заложения: 2 - сваи длиной 3...5 м; 3 -длиной 5...7 м; 4-10м
Результаты многовариантных расчетов фундаментов и их графическое представление в виде специальных карт в масштабе 1:2000 показывают большие возможности такого подхода к проектированию фундаментов при массовой застройке и рациональном размещении зданий различной этажности на рассматриваемой территории.
Рис.6. Фрагмент карты-схемы рекомендуемого размещения зданий различной этажности на фундаментах мелкого заложения: 1- этажность зданий меньше 6 этажей: 2 - меньше 9 этажей; 3-меньше 12 этажей; 4-меньше 16 этажей квартала полная стоимость их подземной части уменьшается на 25...30 %.
Таким образом, при разработке проектов квартальной планировки наряду с известными градостроительными факторами, подлежащими учету, архитекторы-планировщики имеют возможность количественно оценить инженерно-геологические условия строительных площадок с точки зрения экономичности устройства фундаментов - одной из наиболее затратных областей строительства.
2. Технологические схемы возведения подземной части зданий на естественном основании.
Возведение подземной части зданий и сооружений производится на основании технологических регламентов (ТР), которые составляются на основе СНиП 3.01.01-85* Организация строительного производства, СНиП III-4-80* Техника безопасности в строительстве, ГОСТ 13579-78* Блоки бетонные для стен подвалов, ГОСТ 13580-85 Плиты железобетонные для ленточных фундаментов, ВСН 37-96 Указания по устройству фундаментов на естественном основании при строительстве жилых домов повышенной этажности, СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения, основания и фундаменты, СНиП 2.02.01-83 Основания зданий и сооружений, СНиП 3.01.03-84 Геодезические работы в строительстве.
Наибольшее распространение имеют три технологические схемы выполнения работ по устройству подземной части зданий, отличающиеся друг от друга размещением средств механизации и характером их движения (рис.7).
При производстве работ по:
первой технологической схеме средства механизации размещаются на дне котлована, непосредственно у возводимой конструкции;
второй — у бровки котлована и движутся вокруг котлована по его периметру;
третьей— то же у бровки котлована, но движутся лишь по одной его стороне.
Рис.7. Организационно-технологические схемы возведения зданий и сооружений
При возведении зданий сложной конфигурации третья технологическая схема может заменяться подковообразной. Закругление подкрановых путей позволяет при вылете крюка в 20—25 м обеспечить одним краном монтаж всех частей П-образного и других зданий, сложных в плане. При этом радиусы закруглений рельсов принимаются обычно минимальными, что требует обеспечения высокого качества и точности укладки подкрановых путей и тщательной их эксплуатации.
Выбор схем определяется конкретными условиями производства работ и наличным парком строительных машин. Для монтажа подземной части зданий из сборных элементов на ленточных сборных фундаментах может оказаться в ряде случаев эффективной схема, предусматривающая использование в качестве монтажного механизма козлового крана (портального типа). Требуемая величина вылета крюка монтажных кранов, бетоноукладчиков и других машин зависит от выбранной технологической схемы, расположения строительных конструкций в плане, размера базы или ширины колеи машины и допускаемой крутизны откоса котлована или траншеи. Организационно-технологические схемы возведения зданий и сооружений, устройства стены в грунте, возведения многослойных стен приведены на рис. 8 – 11.
Рис.8. Технологическая схема бетонирования стен котлована
Рис. 9. Технологическая схема устройства стены в грунте
Рис.10. Технологическая схема возведения многослойных стен
Рис. 11. Схема расположения крана относительно здания
