Расчет оснований по предельным нагрузкам. Мифы, ошибки и выводы

В.Д. Ирхин, инженер-строитель

Существует высказывание: Бог создал Землю, а остальное создают строители. «Если строитель построил дом и его творение окажется недостаточно прочным, и случится так, что построенный дом разрушится, вызвав смерть хозяина, то строителя следует придать казни» – так писал вавилонский законодатель Хаммурапи около 1700 г. до н. э. При этом, правда, не существовало правил, в которых говорилось бы о том, как обеспечивать нужную прочность и устойчивость.

В средние века, чтобы избежать строительных ошибок, прежде всего, выбирали место для строительства, и выбор места связывали с различными предрассудками. Этим пользовались знахари и гадалки. Однако среди знахарей было немало народных умельцев, которые помогали в выборе надежного места для нового строительства. Они использовали богатый опыт, накопленный многими поколениями.

Наступил XX в. На смену средневековому знахарству пришла наука и на ее основе метод расчета оснований по предельным осадкам. Теперь, с целью обеспечения нормальной эксплуатации зданий всегда выполняют специальные инженерные изыскания участков, предназначенных для строительства, и, основываясь на их результатах, прогнозируют возможные осадки.

Ученые утверждают, что расчеты оснований по предельным осадкам направлены на более полное использование несущей способности грунтов, при этом позволяют принимать не только безопасные, но и наиболее экономичные решения. Это утверждение устойчивое, но оно построено на 4-х мифах.

Миф первый: полнота использования прочности грунтовых оснований.

Известно, что средствами механики грунтов можно определять и предельные нагрузки на основания. Если под каждый фундамент выполнить расчет основания по предельным нагрузкам и найденное максимально допустимое расчетное давление Ru сравнить с давлением р фактическим, то обнаружим, что основания эксплуатируемых зданий недогружены примерно на 80%. Называть наиболее полным использованием несущей способности подфундаментных грунтов при таких резервах, как-то не логично.

Миф второй: точность прогноза возможных осадок оснований.

Даже средние осадки грунтовых оснований под зданиями, никогда не совпадают с осадками расчетными. В своей книге «Механика грунтов» (Москва «Высшая школа» 1979) профессор Н.А. Цитович приводит два примера:

• для Дома Советов в Ленинграде средняя осадка, рассчитанная по СНиПу равна 20,8 см, замеренная за 20 лет (замеры многократно повторялись, так как осадки возрастали) – 38,8 см;
• для основания гостиницы «Россия» (также в Ленинграде) по СНиПу средняя осадка – 15 см, а замеренная – 45,3 см.

Миф третий: обеспечение безопасности.

О том, что фактические осадки массово превышают осадки расчетные, свидетельствуют десятки сотен домов с трещинами на фасадах и с чрезмерными наклонами, в которых проживание жильцов либо не комфортное, либо не безопасное.

Миф четвертый: экономичность решений.

Нормирование осадок оснований требует применения массивных фундаментов: плитных и свайных, что значительно удорожает строительную продукцию.

Обычно, когда осадки не обеспечивают нормируемые значения выгибов, прогибов, кренов и кручений эксплуатируемых зданий, ищут ошибки, которые делятся на 4группы:

• ошибки, допущенные при инженерно-геологических исследованиях строительной площадки;
• ошибки, обусловленные либо непониманием положений действующих нормативных документов на проектирование оснований, либо неправильным выбором расчетной схемы при проектировании фундаментов;
• ошибки, допущенные при производстве работ по устройству фундаментов;
• ошибки, допущенные при неправильной эксплуатации сооружений.

Несомненно, расчеты оснований по предельным осадкам были применены в проектировании и ленинградских строений. С позиции науки для основания гостиницы «Россия» осадка в 15 см должна быть предельной, ибо, как считают ученые, при такой осадке значения прогиба, выгиба, крена и кручения здания не могут превышать нормируемые пределы. Однако значение средней осадки превышено до 45,3 см, и это превышение потребовало финансовых затрат на ремонт здания. Просчет в прогнозах возможных осадок основания под гостиницей свидетельствует о том, что фундамент должен бы быть либо свайным, либо плитным с увеличенной площадью подошвы.

Вывод: ресурсорасточительное фундаментостроение, человеческие ошибки и огромные затраты на ремонты зданий, передеформированных осадками оснований – это следствие принуждения Строительными Правилами к проектированию грунтовых оснований только с линейным деформированием, только с ограниченными давлениями на кровлю оснований и только с ограниченными средними осадками.

Невозможно отрицать того факта, что методы расчетов оснований по предельным осадкам – это огромный шаг вперед, но они же, породив вышеперечисленные мифы и ошибки, поставили экономику строительства в ресурсорасточительную зависимость от деформационных свойств подфундаментных грунтов.

Надо напомнить, что СНиПы по проектированию грунтовых оснований в нашей стране вводились в действие 7 раз, и что в состав каждого из них включалась методика расчетов оснований по предельным нагрузкам, но ее применение всегда блокировалось ограничениями давлений на основания и нормами осадок поверхностей оснований.

Если бы в проектировании гостиницы «Россия» применяли метод расчета основания по предельным нагрузкам, то фундамент был бы ленточным, а средняя осадка основания значительно превышала 45,3 см.

Существует объективная закономерность: чем больше давление на поверхность основания, тем глубже его осадка.

На рис. 1 изображена забивная свая, она погружена в грунт на глубину 5,0 м ударами тяжелого молота, осадка соизмерима с длиной сваи. Под нижним концом сваи сформирован жесткий конус из частиц грунтов верхнего слоя.

На рис. 2 изображена буровая свая, она опущена в скважину, например, глубиной 4,0 м, боковое трение нулевое, осадка нулевая, конус отсутствует.

На рис. 3 изображена та же буровая свая, но она погружена до отметки –5,0 м статической нагрузкой, боковое трение до глубины 4 м нулевое, осадка 1,0 м, жесткий конус из частиц грунтов нижнего слоя.

На рис. 4 изображен фундамент на обособленном швами скольжения глубокоосадочном основании. Верхняя часть основания представляет грунтовый столб под круглым фундаментом. Нагрузка на фундамент предельная, трение по боковой поверхности столба практически нулевое, конус из частиц подстилаемого грунта.

Вывод: в глубокоосадочных основаниях (рис. 1,3,4) напряжения в подстилаемых грунтах должны быть одного уровня.

В таблице на рис. 5 применены показатели таблиц 7.1 и 7.7 из СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов», которые отражают расчетные сопротивления грунтов под нижними концами забивных и буровых свай. Сравнение показателей в каждой ячейке этой таблицы выявляет тот факт, что несущая способность грунтов под буровыми сваями используется неэффективно. Однако если применять буровые сваи в глубокоосадочных основаниях (рис. 3), то расчетные сопротивления под нижним концом буровых свай будут доводиться до уровней расчетного сопротивления под нижними концами свай забивных. Такое же расчетное сопротивление, надо полагать, будет и под грунтовым столбом (рис. 4).

Заметим, что средняя осадка фундамента (рис. 4), осуществляемая не только за счет нелинейных деформаций подстилаемых грунтов, но и линейных деформаций грунтового столба, всегда будет превышать, притом в несколько раз, нормируемые пределы.

Ученные утверждают, что глубокая осадка одиночного жесткого фундамента от воздействий предельных нагрузок приходит в новое состояние равновесия, соответствующее новым граничным условиям (глубине заложения, уплотненности подстилающих грунтов и т. п.). Однако допускать сверхнормативные осадки даже отдельного фундамента ни в коем случае нельзя, так как обычно фундаменты связаны (иногда жестко) с другими частями сооружения. Глубокоосадочные основания приводят сооружения к разрушению, поэтому пришлось навсегда отказаться от их применения.

Отказ от проектирования глубокоосадочных оснований – это стратегическая ошибка, потому что без глубокоосадочных оснований, воды под днищами кораблей, человек никогда не смог бы осваивать моря и океаны.

Fundamentum – слово латинское и переводится оно как основание. Поэтому каждое здание (фундамент не является частью здания) имеет два основания: природное и рукотворное. И эти основания могут быть глубокоосадочными, если рукотворные фундаменты делать клавишными, а природные основания обособленными.

Заметим: если в данном фрагменте ленточного фундамента (рис. 6) с помощью гидравлических домкратов создать зазор над правым клавишным блоком, то крен (наклон ватерлинии) начнет развиваться в правую сторону. А для того чтобы устранить созданный крен, соответствующий зазор нужно установить над левым клавишным блоком. Для равномерной осадки фрагмента, нужно создать одинаковые зазоры над всеми тремя клавишными блоками. 

Отсюда и правило: если соответствующими зазорами по ходу строительства удерживать ватерлинию в горизонтальном положении, (патент РФ № 2167243: «Способ посадки зданий на нескальные основания»), то при осадках, даже соизмеримых с ростом человека, любое здание придет к своему деформационному финишу без чрезмерных наклонов, выгибов и прогибов. Технологии строительства, в которых по ходу строительства осуществляется горизонтирование ватерлинии, должны называться керлингтехнологиями.

С применением клавишных блоков можно конструировать и плитные фундаменты. На фрагменте (рис. 7) показаны клавишные блоки, размещенные под наружными и внутренними стенами. Плитные фундаменты с клавишными блоками должны применяться преимущественно в строительстве небоскребных зданий.

Обособленные основания (патент РФ № 2170305: «Способ увеличения прочности нескальных оснований») – это основания, в которых вертикальными тонкими щелями, заполненными пластичным материалом, исключают вертикальное сжатие грунтов за периметром прилагаемой нагрузки. В качестве пластичного материала можно применять, например, смесь глинопорошка с отработанным машинным маслом. Для устройства тонких щелей и заполнения их пластичным материалом может использоваться струйное оборудование, например установка «Струя-25» (рис. 8) с техническими параметрами: глубина щели – 25 м, толщина щели – 2–5 см.

Глубокоосадочные основания должны рассчитываться по двум группам предельных состояний: первой – по несущей способности и второй – по деформациям.

Глубокоосадочные основания должны рассчитываться по первой группе предельных состояний во всех случаях по усовершенствованному СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений» с использованием одного из двух алгоритмов:

• для сплошных оснований: 4-й абзац п. 2.1 → подпункт г) п. 2.70 → пункт 2* п. 3.12* → подпункт в) п. 1.1 → формулы (15) и (12);
• для обособленных оснований: 4-й абзац п. 2.1 → подпункт г) п. 2.70 → пункт 2* п. 3.12* → подпункт в) п. 1.1 → таблица 7.1*

Усовершенствованный СНиП 2.02.01-83* – это документ, в состав которого включены возможность проектировать глубокоосадочные основания и значения Таблицы 7.1*,

На рис. 9 приведена таблица 7.1 СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» с поправками, внесенными красным цветом. Значения этой таблицы должны использоваться при определении глубины тонких щелей в обособленных верхних слоях оснований.

Расчеты оснований по деформациям – это инструменты вторичного применения, но для того чтобы их применять в п. 2.40 СНиП 2.02.01-83* должна появиться новая расчетная схема основания: «нелинейно деформируемое полупространство», а в разделе «Расчет оснований по деформациям» – новые математические модели для расчетов оснований с нелинейным деформированием.

Надо заметить, что при деформационных расчетах глубокоосадочных оснований не требуется определять возможные выгибы, прогибы, крены и кручения поверхностей оснований. Расчетами должна определяться средняя осадка (не обязательно точно), значения которой необходимы для создания строительных подъемов зданий при отрывке котлованов.

В 1931 г. появилась организация, которая называлась ВИОС, а теперь ее именуют НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. Эта научная структура является организатором внедрения в нашей стране грунтовых оснований с нормируемыми (мелкими) осадками, хотя к началу ее производственной деятельности были разработаны методики прочностных расчетов оснований и применены гидравлические домкраты для выравнивания первого яруса Эйфелевой башни, которые могли бы стать основными инструментами для применения оснований с глубокими осадками.

Сегодня наша экономика ослаблена и требует поиска новых источников роста. Для развития экономики главное не наличие технологий, а наличие людей, продвигающих эти технологии. Формирование глубокоосадочных оснований – это инженерная технология, и если бы ученые из ВИОС-НИИОСПа в строительстве Эйфелевой башни смогли бы увидеть инженерные достижения, то применение домкратных технологий для формирования глубокоосадочных оснований могло бы стать достойной заменой средневековому знахарству.

Научная деятельность ВИОС-НИИОСПа продолжается уже 85 лет, и эти годы заслуживают определенного анализа. Оценку экономическому вкладу института за эти годы, и выгод, которые получит экономика от применения глубокоосадочных оснований, должны дать независимые эксперты. Притом оценка работы НИИОСПа должна быть сделана с учетом того, что на предложение усовершенствовать действующие нормативные документы включив в их состав возможность проектирования глубокоосадочных оснований, до сих пор (с 2000 г.) от института не последовало ни конструктивного ответа, ни конструктивных действий.

Если бы интересы НИИОСПа и государства совпадали, то XXI в. стал бы переломным в экономическом развитии строительного производства:

• во-первых, в проектировании систем «основание-здание» главенствовали бы инженерные решения, значительно упрощающие процессы проектирования;
• во-вторых, фундаменты и основания проектировались бы ресурсосберегаемыми и без скрытых дефектов;
• в-третьих, возведенные здания эксплуатировались бы с гарантированной геостойкостью.

Вывод: сегодня процесс развития экономики строительства можно охарактеризовать известными словами И.А. Крылова: «Когда в товарищах согласья нет, на лад их дело не пойдет».