Рекомендации по проектированию сейсмостойких фундаментов объектов повышенной этажности, в том числе для уникальных высотных зданий и сооружений Шифр тр-нгпи-13 (вып. 2)

ЛИТЕРАТУРА (по разделу 1)

Раздел 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ И ПОДВАЛОВ ЗДАНИЙ ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ В ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ

1. ВВЕДЕНИЕ

1. 
   В рассматриваемом случае предполагается, что мощность просадочной толщи грунтов достигает 20-25 м и более с возможным техногенным замачиванием их как в верхней, так и в нижней зонах при дальнейшей эксплуатации. Объект при землетрясениях может подвергаться воздействию не только горизонтальных, но также наклонных и значительных вертикальных нагрузок, так как расположен в условиях эпицентральной зоны с расчетной сейсмичностью 9 баллов.
   
2. 
   На основе имеющегося опыта проектирования попытаемся сформулировать основные критерии решения поставленной задачи и принципы выбора наиболее оптимальных решений в общем виде, хотя в каждом конкретном случае, конечно, могут возникнуть и дополнительные факторы, требующие уточнения.
   

• 
  зависимость надежности зданий при землетрясениях от правильности их объемно-планировочных и конструктивных решений, а также мер активной сейсмозащиты на контакте грунтов оснований и подземной части на различные виды сейсмических воздействий;
  
• 
  допущение возможности местных повреждений отдельных конструкций, согласно СП 14.13330.2011 (СНиП II-7-81*) табл.5 [1], что может быть целесообразно экономически, а в отдельных обоснованных случаях и технически. Такое допущение должно быть предусмотрено заранее при проектировании и при условии обеспечения безопасности людей, а также несущей способности и устойчивости каркаса здания в целом;
  
• 
  максимальное заглубление подземной части зданий в грунты оснований является оптимальным, как с целью снижения сейсмических воздействий, так и влияния просадочности;
  
• 
  возможность деформации (доуплотнение) просадочных грунтов под воздействием колебаний при землетрясениях, особенно в пределах увлажненных зон. Причем в условиях сейсмики нарушаются связи между частицами и может происходить увеличение относительной просадочности [2];
  
• 
  некоторые преимущества просадочных грунтов по сравнению, например, со слабыми грунтами (возможность осуществления качественных лидерных скважин, выполнение крутых откосов котлованов, высокие прочностные свойства грунтов в естественном состоянии и т.д.).
  

2.ПРИНЯТЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ

1. 
   При реальном проектировании необходимо учитывать весь комплекс взаимосвязанных конструктивных решений, приводящих к снижению сейсмических воздействий.
   
2. 
   Основной отличительной особенностью проектных предложений является первоочередное выполнение конструкций котлована с укрепленными откосами в виде наклонных стен по периметру здания.
   
3. 
   Подземная часть многоэтажного каркасного здания максимально заглублена ниже нулевой отметки, предположительно, на 3-5 этажа, в которых могут размещаться, например, многоярусный подземный гараж, складские или другие помещения.
   
4. 
   На рис.1 показан фрагмент подземной части здания (по оси симметрии), включая конструкции фундамента на катковых шаровых опорах, после его возведения и стабилизации осадок.
   
5. 
   Для устранения негативного влияния оставшейся просадочной толщи используется традиционное решение с забивными сваями и устройством сейсмоизолирующей подушки между верхом свай со сборными оголовками и днищем монолитного железобетонного экрана.
   
6. 
   При этом возможно осуществление дополнительных мероприятий активной сейсмозащиты:
   

• 
  применение, наряду с типовыми, свай круглых поперечных сечений, например, гофрированных круглых свай с уширением ствола (пяты) в нижней части [3], а также устройством демпферов между верхом свай и сборными оголовками;
  
• 
  выполнение второй (верхней) промежуточной подушки из супеси между экраном и низом фундаментной плиты здания, а также катковых опор под плитой этого фундамента по патенту СССР № 1774976;
  
• 
  замена вертикальных стен многоярусного подвала здания наклонными откосами по авторскому свидетельству СССР № 1673722 и др.
  

1. 
   Ниже приводится порядок выполнения строительно-монтажных работ.
   

• 
  После отрывки котлована производится облицовка его откосов сборными плитами (с креплением их между собой), устройство гидроизоляции 1 и бетонирование стен 2 по периметру в виде монолитной железобетонной чаши без днища, в результате чего обеспечиваются благоприятные условия для выполнения дальнейших строительных работ.
  
• 
  На подготовленном грунтовом основании производится забивка свай 3 до проектных отметок их погружения. На выступающие верхние части свай устанавливают демпферные, например, многослойные резинометаллические прокладки, а затем монтируют сборные железобетонные оголовки 4. Далее выполняется подушка 5 из уплотненной гравийно-песчаной смеси, днище котлована 6 из монолитного железобетона, жестко связанное с наклонными стенами 2 котлована. В составе днища также предусмотрена гидроизоляция.
  
• 
  Промежуточная подушка 7 выполняется из сжимаемого грунта, например, частично уплотненного слоя супеси, по верху которого укладываются с чередованием катковые шаровые опоры 8, 9 двух типоразмеров в шахматном порядке. Основные опоры 8, на которые опирается фундаментная плита и дополнительные, промежуточные опоры 9 меньшего размера, укладывают с таким расчетом, чтобы между ними и низом фундаментной плиты 10 было расстояние, ориентировочно равное ожидаемой осадке плиты после возведения здания (на рис.1 не показано).
  
• 
  По верху крупных опор 8 выполняются упругие прокладки, например, из нескольких слоев полимерной пленки.
  
• 
  Пространство между опорами заполняется частично сыпучим материалом (песком, шлаком) с образованием зазора для последующей осадки плиты после возведения здания с таким расчетом, чтобы прослойка из сыпучего материала после окончательной стабилизации осадок опор 8 (см. узел А) осталась неуплотненной или слабоуплотненной. Вместо воздушных зазоров можно выполнить условные зазоры из сминаемых материалов, например, строительных отходов утеплителя. Шаг крупных шаровых опор, их габаритные размеры определяются из учета обеспечения несущей способности бетона фундаментной плиты на смятие.
  
• 
  Фундаментная плита 10, опирающаяся на катковые опоры, состоит из двух слоев разной прочности: нижний слой из бетона меньшей прочности (класса В10-В15), верхний — из более прочного бетона с армированием. При конкретном проектировании нижний слой плиты в местах опирания шаровых опор 8 может быть усилен сетками косвенного армирования.
  
• 
  Обратная засыпка 11 может быть выполнена из материала, поглощающего сейсмические колебания. Стены 2 имеют угол наклона, близкий или равный углу естественного откоса обратной засыпки, что позволяет снизить материалоемкость и стоимость строительства.
  

8. 
   Традиционные стены подвальных этажей здания заменены наклонными откосами 12, расположенными частично на перекрытиях в пределах высоты каждого этажа. Поверхности откосов облицованы сборными плитами.
   
9. 
   Конструкция подземной части в целом работает на сейсмические нагрузки следующим образом.
   

10. 
    При очень сильных сейсмических воздействиях, в ходе которых экран будет подвергаться горизонтальным и вертикальным смещениям, наклонам и т.п., какая-то часть колебаний передается и на искусственно созданное грунтовое основание внутри экрана со стороны днища и боковых поверхностей, а также на конструкции защищаемого здания.
    
11. 
    Значительная часть их будет поглощаться или снижаться в результате предусмотренных конструктивных мероприятий, обеспечивающих демпфирование горизонтальных и вертикальных толчков, уменьшающих тем самым до минимума сейсмические воздействия.
    
12. 
    Благодаря такому решению сейсмические волны при землетрясениях не встречают стен подвала здания, так как наклонные откосы 12 будут выполнять роль "смещающихся поверхностей", в результате чего общая площадь боковой поверхности строительных конструкций стен подвала, воспринимающая горизонтальные нагрузки, действующие на подвальную часть, снижается в 10-15 и более раз.
    
13. 
    Относительно слабое сейсмическое воздействие на фундаментную плиту 10 гасится дополнительной осадкой катковых шаровых опор 8 в сжимаемом верхнем слое промежуточной подушки 7 и упругостью прокладок, а также проворачиванием или смещением этих опор в слабоуплотненном сыпучем материале. Работа шаровых опор 8 в рассматриваемом случае отличается от работы традиционных чисто катковых опор.
    

1. 
   При более значительном сейсмическом воздействии на площадке (7-9 баллов) демпфирование фундамента обеспечивается местным смятием бетона нижнего слоя фундаментной плиты в местах опирания опор 8, а также смягчением вертикальных воздействий, воспринимаемых сваями, посредством демпферов между ними и оголовками. Промежуточные катковые опоры 9, имеющие меньший диаметр, включаясь в работу периодически, выполняют роль мгновенно изменяемых связей, что позволяет избежать явления резонанса. Кроме того, они могут воспринимать часть вертикальных нагрузок, если осадка основных опор 8 превысит предполагаемую расчетом.
   
2. 
   Устойчивость каркаса подземной части здания обеспечивают:
   

• 
  наличие упора 13 с демпферными устройствами в уровне фундаментной плиты с ограничением возможности смещения ее в горизонтальном и вертикальном направлениях;
  
• 
  устройство распорок 14 в верхней части подвала в уровне перекрытий при наличии 3-х и более этажей с аналогичными демпферными прокладками;
  
• 
  выполнение выносных горизонтальных поясов-экранов 15 из плит, шарнирно прикрепленных к плитам перекрытий, и ограничение угла поворота их для обеспечения упора в грунте засыпки 11;
  
• 
  наличие наклонных стен 2, включающихся в работу при опрокидывании здания.
  

16. 
    Наклонные стены 2 могут быть плоскими или ребристыми в зависимости от их высоты. В особых случаях они могут быть раскреплены системой связей (на рис.1 не показано).
    
17. 
    На основе сравнительного анализа аналогичных решений был сделан вывод, что такая конструкция в целом позволяет снизить сейсмические воздействия на 2 и более баллов.
    
18. 
    Предлагаемые решения позволяют не только значительно повысить надежность зданий и сооружений для принятых экстремальных условий, но и обеспечить максимальную их этажность, а также рентабельность капвложений за счет расширения подземного строительства.
    

19. 
    В заключение можно отметить, что рассматриваемое решение универсально, его можно использовать не только в просадочных, но и в других, например, в гравийно-песчаных [4] или слабых грунтах [5], а также и в обычных несейсмических условиях. При проектировании, например, зданий радиоэлектронной промышленности с особо чистыми производствами, для которых недопустимо влияние динамических воздействий даже от обычных автомагистралей, с чем в практике работы НГПИ приходилось встречаться много раз.
    
20. 
    С другой стороны также можно сказать, что об эффективности использования катковых шаровых опор в сейсмостойком фундаментостроении известно давно. Но широкого распространения они не получили из-за значительных горизонтальных смещений этих опор при сейсмических воздействиях, при которых может произойти потеря устойчивости и обрушение здания. Поэтому сейсмоизоляция с катковыми (кинематическими опорами) может использоваться в комплексе с дополнительными средствами, например, изложенными выше.
    
21. 
    Техническим решением НГПИ по патенту СССР № 1774976 (приоритет от 13.09.90) предусмотрено использование в качестве варианта шаровых опор каменных валунов окатанной формы. Принцип работы их тот же. В 1988-90 годах при проектировании институтом объектов в Ташкенте и Алма-Ате в составе сейсмоизолирующего основания использовались каменные валуны двух типоразмеров (что отмечено в разделе 1).
    
22. 
    Аналогичное решение оказалось целесообразным для применения при строительстве в Новосибирске и в несейсмических условиях. В ходе эксплуатации существующие здания и сооружения, расположенные вблизи трассы метро мелкого заложения, испытывают повышенные вибрации. В рассматриваемом случае на месте предполагаемого размещения производственного корпуса трасса метро залегала непосредственно под проектируемым зданием. Кроме того, необходимо было учесть еще и влияние динамических воздействий при прохождении поездов, рядом расположенной трассы железнодорожной магистрали.
    

23. 
    Принцип работы конструктивного решения заключается в следующем. Вертикальные нагрузки воспринимаются в основном точечными более высоко расположенными опорами, вдавливаемыми в грунт по мере возведения здания. Засыпка (шлак) тоже участвует в работе, но остается слабоуплотненной. Промежуточные опоры воспринимают вертикальные нагрузки по-разному, в зависимости от их высоты. В основном они включаются в работу при нарастании вертикальных нагрузок, например, при вертикальных динамических воздействиях. Их основное предназначение (как мгновенно включающихся и выключающихся связей) «сбить» шаг между основными опорами, изменить жесткость основания и тем самым не допустить резонанса.
    

24. 
    В конкретных случаях могут использоваться не только каменные валуны, но и специально выполненные шаровые опоры из бетона, железобетона или даже стальные (цельные из металла или пустотелые).
    
25. 
    Проблема сейсмозащиты чрезвычайно сложна. Изменением грунтовых условий, например, на контакте фундамента и основания можно решить эту важную задачу. Повышение сейсмостойкости и надежности объектов при замене вертикальных стен подвалов наклонными откосами является также оптимальным с учетом наиболее прогрессивных требований так называемой «гибкой» технологии (например, для широких корпусов радиоэлектронной промышленности и других объектов), что существенно снижает материалоемкость и стоимость их строительства [6].