ТехЛиб СПБ УВТ

Уплотнение городской и промышленной застройки, строительство новых зданий около существующих, особенно в пределах территорий со слабыми грунтами, является сложной проблемой фундаментостроения, поскольку конструкции старых домов в результате строительной деятельности на соседних с ними участках всегда получают повреждения, имеющие иногда аварийные последствия. Только в Санкт-Петербурге (Ленинграде) за последние 20 лет не менее 70 зданий в рассматриваемой ситуации получили опасные повреждения.

Нанесение ущерба существующим домам недопустимо. Поэтому потребовались немалые усилия изыскателей, конструкторов, строителей-технологов, специалистов в области строительных машин, исследователей, чтобы существенно улучшить положение. Однако и в наши дни проблема еще далека от полного разрешения.

«Глубокими» (условно) называют котлованы, которые требуется откапывать глубже подошвы фундаментов соседних зданий.

Рис. 1. Результаты натурных наблюдений за развитием осадки четырех жилых зданий на Тверской ул. в Санкт-Петербурге: строящегося (№ 2) и соседних существующих (№ 1, 3. 4): а — план (пунктир — разобранное двухэтажное здание); б — эпюры осадки наружных стен зданий; в — перемещения деформационных марок, указанных на плане (двойная линия — окончание строительства)

Причины развития дополнительных осадок зданий при возведении возле них зданий и сооружений

При уплотнении городской и промышленной застройки существующие здания получают осадку, которую принято называть «дополнительной» (s_ad). Эта осадка (в отличие от «собственной» осадки) возникает в результате трех главных причин:

1) строительно-технологических воздействий на грунт основания существующего здании — дополнительная строительно-технологическая осадка (s_ajl);

2) изменения напряженного состояния основания существующего здания при загружении массива грунта новым зданием -дополнительная осадка уплотнения (s_a(A);

3) воздействий технологического оборудования, размещенного в новом здании, на основания соседних зданий — дополнительная эксплуатационная осадка (sJ.

Дополнительная осадка от строительно-технологических воздействий (s_m/i) особенно опасна, поскольку всегда неравномерна и может достигать недопустимых величин (рис. 2). Кроме того, технологические воздействия могут вызвать аварию зданий.

Наиболее существенными причинами развития s_ajl являются:

а) вибрации грунта, фундаментов и наземных конструкций в результате погружения свай и шпунта молотами или вибраторами;

б) откопка строительного котлована глубже подошвы существующих фундаментов;

в) промораживание и оттаивание грунта под фундаментами зданий при зимнем ведении работ в соседнем котловане;

г) плывунное разжижение грунта под фундаментами при открытой откачке воды, поступающей в котлован;

д) отклонение шпунтовых стен котлована, если возле него имеются старые дома. 

 Осадки s_adl и потеря устойчивости грунта основания соседних домов особенно опасны, когда новые сооружения возводятся в глубоких котлованах. Учесть расчетом s от воздействия перечисленных причин невозможно, поэтому следует добиваться того, чтобы s_adl не получали опасного развития. Это достигается подбором технологий и механизмов для устройства или погружения свай, откопки грунта и других видов работ в строительных котлованах. Такая задача несравненно сложнее аналогичной, осуществляемой на площадках, свободных от старых зданий и сооружений.

Дополнительная осадка от изменения напряженного состояния основания соседних зданий возникает, поскольку вокруг возводимого здания формируется «осадочная воронка», размеры которой в плане соизмеримы с мощностью сжимаемой зоны основания (до 20…30 м и более). Наибольшие осадки образуются в пределах ближайших 10 м от участка загружения основания новым зданием (рис. 3).

Если в пределах осадочной воронки оказывается здание, то оно получает дополнительную осадку. Из теории следует, что осадка s_adi заведомо неравномерна. Чувствительность старого здания к развитию s_ads различна и зависит от многих причин, учесть которые достаточно сложно.

Современные численные методы расчета оснований по деформации, базирующиеся на теории упругости, позволяют производить расчет осадки основания проектируемого здания и дополнительной осадки примыкающих к нему зданий. Расчет дополнительной осадки уплотнения s_ads, в принципе, достаточно достоверен, поэтому является важным этапом разработки подобных проектов.

Дополнительные осадки от производственно-технологических воздействий при функционировании оборудования, размещаемого в новых зданиях (сооружениях), могут вызывать дополнительную осадку s_ade фундаментов соседних зданий, дорог и коммуникаций. Наиболее опасны вибрационные воздействия на грунт при работе массивных молотов, прессов, мощных компрессоров и других механизмов, генерирующих колебания низких частот, соизмеримых с частотами собственных колебаний строительных конструкций. В таких случаях требуется применять средства виброзащиты. Опасны также агрессивные стоки химических производств из-за влияния на грунт и фундаменты соседних зданий.

Проектирование фундаментов вблизи существующих зданий

Специфика проектов фундаментов, расположенных возле существующих зданий и сооружений, состоит в том, что они должны обеспечить нормальную работу конструкций нового здания и не приводить к развитию деформаций основания соседних. Разработка таких проектов, их реализация в производстве достаточно сложны и ответственны.

При разработке проектов фундаментов нового сооружения должна учитываться возможная осадка соседних зданий:

где s — дополнительная осадка, определяемая расчетом, например, методом угловых точек; s_aJsu— предельно допустимая величина дополнительной осадки.

К моменту возведения пристроев, здания старой постройки получили «собственную осадку», которая развивалась десятки лет. Средняя осадка домов Санкт-Петербурга, к примеру, достигает 20…30 см и больших величин, т. е. превышает допустимые, что приводит к развитию прогиба здания. Если такое здание получает дополнительную осадку уплотнения s_aJs, то это приводит к развитию выгиба, перекоса, конфигурация коробки существующего здания изменяется, а в кладке стен возникают трещины. Возможны сдвиги перекрытий, развитие других дефектов и даже обрушения конструкций. Вид деформации здания от дополнительной осадки существенно отличается от вида деформации, вызванной собственной осадкой. В этом случае использование при проектировании средней осадки, прогиба и др. — неправомерно. Изучение этого вопроса привело к необходимости введения критерия, характеризующего влияние s_uds, — допустимой дополнительной осадки, а именно:

— максимальной величины дополнительной осадки, которую, очевидно, получают участки стен старого здания, наиболее приближенные к новому;

— дополнительного перекоса нового здания на участке примыкания.

Допустимые величины перечисленных характеристик дополнительной осадки могут быть определены «совместным расчетом» старого здания с основанием, получающим дополнительную осадку (для этой цели можно использовать численные методы расчета). В относительно простых случаях рекомендуется использовать условия:

Значения предельно допустимых величин дополнительных осадок зданий различного типа, получивших разную степень износа до начала постройки соседнего (проектируемого) здания, могут быть определены по табл. 13.1, разработанной в СПбГАСУ на основе обобщения результатов натурных наблюдений за большим числом зданий, около которых были построены новые дома.

Обоснование проектного решения фундаментов нового здания, пристраиваемого к существующим, является важнейшим этапом разработки проекта. При этом особое значение имеет достоверность исходной информации (об инженерно-геологических условиях площадки, наземных конструкциях и габаритах здания, нагрузках по обрезу фундаментов и др.) и дополнительной — о местоположении соседних зданий и существующих коммуникаций, типах фундаментов этих зданий, сведениях о техническом состоянии фундаментов и других конструкций. Обычно на таких площадках предварительно выполняются обследования конструкций зданий, окружающих площадку, с фиксацией имеющихся старых дефектов.

Рис. 3. Схемы к определению перекоса и крена здания в результате развития дополнительной осадки уплотнения: а — перекос здания; б — крен узкого здания; в — наибольшая дополнительная осадка точки, наиболее приближенной к линии примыкания; г — форма осадочной воронки: I — существующее здание; 2 — возводимое здание; 3 — эпюра осадки здания 2; 4 — эпюра дополнительной осадки здания 2; 5 — изолинии осадки

Значения предельно допустимых величин дополнительных осадок сооружений и зданий различных типов и степени износа конструкций зданий

Таблица 1. Оценка технического состояния конструкций кирпичных, крупноблочных и крупнопанельных домов по результатам обследований с учетом развития повреждений и физического износа

При разработке проектов уплотнения застройки рекомендуется придерживаться определенной логический схемы. Рассматриваются варианты фундаментов, выбирается оптимальный, обеспечивающий выполнение условий. Производится проверка условия и в зависимости от того, выполняется оно или нет, анализируют ряд вариантов, обеспечивающих сохранность соседних домов и сооружений.

Вариант 1 — фундаменты на естественном основании под проектируемое здание. Производится расчет дополнительных осадок фундаментов соседнего здания в нескольких точках. Рекомендуется эти точки назначить на продольных примыкающих стенах на следующих расстояниях от линии примыкания: 0; 1; 2; 4; 8; 16; 24 м. По этим данным устанавливают определенные расчетом величины s_mlmax, (._и/, — s_m/2) / L.

Если условие удовлетворено (что бывает редко, как правило, лишь тогда, когда проектируемое здание ниже, то есть легче соседнего), выполняют обычный проект фундаментов нового здания. Если условие не удовлетворено, ищут иное, более надежное, решение, используя под новое здание другие варианты фундаментов, применение которых может уменьшить влияние нового здания на существующее до приемлемых величин.

Вариант 2 — консольное примыкание;

Вариант 3 — разъединительные конструкции;

Вариант 4 — свайные фундаменты под новое здание;

Вариант 5 — усиление фундаментов соседних домов.

В итоге проектно-технологическое решение фундаментов здания определяется экономическими соображениями, технологическими возможностями подрядчика, допустимой продолжительностью строительства и другими факторами.

Меры по уменьшению влияния нового здания на соседние

Принципиально уменьшение влияния может быть осуществлено при помощи планировочных, архитектурных, конструктивных, технологических и организационных мероприятий. От конструктора не всегда зависят планировочное, архитектурное решение или организационно-строительные мероприятия, поэтому рассмотрим их лишь в сжатой форме.

Планировочные мероприятия направлены на то, чтобы новое здание было отнесено от существующих на безопасное расстояние — обычно на 10…20 м. Тогда новое здание может рассматриваться как «отдельно стоящее» и специфических проблем с фундаментами не возникает.

Архитектурное решение может упростить задачу, если новое здание в зоне примыкания тем или иным способом облегчено. Допустим, в зоне примыкания располагают блок, высота которого меньше соседнего, новое здание облегчено проездами и т. п.

Конструктивные мероприятия могут заключаться в следующем:

1) новое здание строится на фундаментах мелкого заложения, несмотря на то, что условие не удовлетворено;

2) новое здание возводится на свайных фундаментах;

3) под новым зданием предусмотрено строительство глубокого подземного объема (гараж, склад и т. п.).

Первое конструктивное мероприятие применяется вместе с технологическими решениями, оправдавшими себя на практике: консольное примыкание, разъединительный шпунтовый ряд, превентивное усиление фундаментов соседних домов с пересадкой их на сваи усиления, закрепление грунта несущего слоя. В целом эта группа мер может рассматриваться в качестве паллиативных (вынужденных), поскольку гарантированно обеспечить сохранность соседних домов в ходе любых пристроек — весьма проблематично.

Консольное примыкание. Основная идея этого мероприятия состоит в том, что в зоне примыкания фундаменты нового и старого зданий получают разрыв, размер которого подбирается по расчету так, чтобы условие было выполнено (рис. 4).

В этом случае стены, колонны, другие конструкции нового здания опираются на консоли, вылет которых определяется размером «разрыва», назначенного по расчету величины s_ud. По проектам, реализованным в Санкт-Петербурге, вылет консолей выполнялся в пределах от 2 до 5 м (для домов в 6… 12 этажей), что не создавало особых конструктивных трудностей. Данное мероприятие эффективно при выполнении двух условий:

1) между нижней гранью консоли и грунтом должен быть обеспечен воздушный зазор, размер которого назначается не менее двойной величины ожидаемой осадки нового здания;

2) между фундаментами и стенами нового и существующих зданий должен быть выполнен осадочный шов, работающий четко. Конструкции шва и его исполнению должно быть уделено особое внимание. 

Рис. 4. Схемы реализованных в Санкт-Петербурге решений консольных примыканий новых зданий к соседним существующим: 1 — фундамент старого здания: 2 — балка с консолью; 3 — фундамент нового здания; 4 — колонна, опирающаяся на консоль балки; 5 — стена нового здания; 6 — зазор между балкой и грунтом; 7 — разъединительный шпунт; 8 — фундамент разобранного здания: 9 — зазор между старым зданием и консолью; 10 — свая вдавливания; 11 — буровая свая

Разъединительные конструкции в грунте. Назначение их — изменить напряженное состояние грунта так, чтобы напряжения в основании старого здания от влияния нового не получили опасного развития, а вызванная ими дополнительная осадка не имела опасных последствий или была нулевой.

Такие разъединительные конструкции могут быть образованы:

1) металлическим шпунтовым рядом;

2) стенкой из секущихся или соприкасающихся буронабивных свай;

3) прорезью в грунте, заполненной антифрикционным материалом.

Разъединительный шпунтовый ряд. Впервые он был предложен Далматовым Б.И. в проекте нескольких 12-этажных домов с одноэтажными пристройками (Далматов Б.И., Сотников С.Н., 1965). Шпунт погружается по линии примыкания до откопки котлована под новое здание, длина шпунта назначается в расчете на прорезку всей толщи слабых грунтов. Очевидно, шпунт должен быть неподвижным, а это достигается тем, что он нижним концом опирается в малосжимаемые грунты (рис. 5). В плане шпунт располагается по линии примыкания домов и должен выступать за их границы, образуя «шпоры», которые могут огибать старое или новое здания на участке длиной примерно 1/2… 1/4 от толщины сжимаемой зоны основания нового здания (см. рис. 4). Как показали исследования Сотникова С.Н. и Левкина А.Л. (1987; 1998), шпунт изменяет и напряженное состояние основания нового дома, обеспечивая более равномерное развитие его осадки. 

Рис. 5. Применение разъединительного шпунта: а — схема к определению длины разъединительного шпунтового ряда (h_t — размер зоны уплотнения грунтов: hг, -мощность толщи подстилающих грунтов, в которых развиваются силы трения, поддерживающие шпунт): б — расположение разъединительного шпунта при разной в плане форме примыкания нового и старого зданий; в — фундамент с консольной балкой, перекрывающей шпунт: 1 — существующий фундамент: 2 — проектируемый фундамент (новое здание); 3 — шпунтовый ряд: 4 — осадочный шов

Эффективность шпунта может быть повышена, если его поверхности обмазаны антифрикционными покрытиями. Наиболее эффективен по расходу материала и технологическому воздействию на существующие дома плоский шпунт, расход которого может быть сравнительно невелик.

Применение шпунта ограничено двумя факторами: опасностью вибрации при погружении, от чего фундаменты старых домов могут получить дополнительные осадки, и большой глубиной кровли плотных грунтов, поскольку погружение шпунта длиннее 20 м затруднительно. Шпунт применять опасно там, где залегают водонасыщенные пески и другие грунты, обладающие тиксотропными свойствами. Современные гидроприводные высокочастотные вибраторы практически безопасны, следовательно, разъединительный шпунт может найти широкое применение в будущем.

Разъединительный ряд из буровых свай. Он был предложен Далматовым Б.И. и Брониным В.Н. в 1993 г. и применен с положительным эффектом на нескольких объектах. Такая разъединительная конструкция имеет недостатки: она материалоемка, требует много времени для изготовления и может представлять опасность для старых фундаментов из-за вибрации, «выпуска» грунта в буровые скважины и других воздействий. Однако ее применение не требует расхода металла: сваи можно не армировать.

Прорезь, заполненная антифрикционным материалом. Прорезь является перспективной и, по-видимому, относительно дешевой конструкцией (Сотников С.Н., Азис Л., 1993). Ее основная идея в том, что узкая выемка в грунте, заполненная бентонитовой суспензией — материалом, обладающим минимальным внутренним трением, — препятствует развитию дополнительных осадок фундаментов от влияния загружения соседней площадки. Теоретические основы этого метода достаточно детально разработаны, однако на практике конструкция еще не применялась.

Свайные фундаменты для новых зданий

Их следует рассматривать как главную и наиболее эффективную меру, поскольку это решение дает вполне надежный (безосадочный) фундамент для нового здания и, как следствие, минимальные осадки существующих соседних. Главной проблемой при этом решении является технология выполнения свай. Применяются сваи нескольких типов:

а) сваи полной заводской готовности (железобетонные, металлические, деревянные). В зависимости от способа погружения они подразделяются на забивные, погружаемые вибраторами, вдавливанием, завинчиванием.

Сваи первых двух технологий погружения, как правило, неприменимы, поскольку вибрационные воздействия на грунт и конструкции старых домов и коммуникаций могут приводить к аварийным последствиям.

Сваи вдавливания во многом лишены указанных недостатков. Однако они имеют ограниченную несущую способность, определяемую величиной силы вдавливания, которую развивают механизмы (обычно она не превышает 600…800 кН). Материал такой сваи не всегда работает эффективно, сваи не удается погрузить в достаточно плотный грунт, поэтому и новое здание, и примыкающие к нему получают осадку, хотя и существенно меньшую, чем при фундаментах мелкого заложения. Главный недостаток этой технологии состоит в том, что сваи, вдавленные в грунт вплотную к существующим фундаментам, вызывают их дополнительную осадку в процессе вдавливания и после его завершения. Имеющийся опыт еще недостаточен, чтобы надежно назначить размер безопасного удаления вдавливаемой сваи от старого фундамента или назвать те виды грунтов, при которых эти сваи безопасны. Возможно, дополнительная осадка существующего здания обусловлена изменением напряженного состояния грунта при вдавливании свай и перемятием его (нарушением природного сложения).

Винтовые сваи изготавливают обычно в металле, для их погружения применяют механизмы, которые имеют только специализированные фирмы. Достаточного опыта применения этих свай в рассматриваемых ситуациях еще нет;

б) сваи, выполняемые в буровых скважинах. Эти сваи имеют многочисленные модификации в зависимости от способа бурения скважин, крепления ствола, геометрических размеров, состава применяемого бетона и др. Главные различия касаются метода бурения скважин и извлечения грунта, включая способы с промывкой водой, глинистым раствором, обсадкой скважин трубами.

Бурение скважин с промывкой производится буровым инструментом, который опускается в скважину на трубе. В трубе и в скважине циркулирует вода или глинистый раствор (водная суспензия бентонита), который удаляет из скважины разрушенную породу (шлам). По достижении проектной отметки в скважину опускается бетонолитная труба. По ней подают пластичную бетонную смесь, которая вытесняет суспензию, а затем в бетон опускают арматурный каркас. Применение этой технологии иногда опасно, так как скважина не закреплена, возможны вывалы грунта (особенно при использовании глины низкого качества), в том числе из-под фундаментов старых домов, что чревато опасными последствиями.

Изготовление свай бурением скважин с обсадкой — наиболее распространенный способ. Существующие машины могут выполнять сваи диаметром до 2 м. При строительстве домов в стесненных условиях наиболее употребимы сваи диаметром 350, 400, 600 мм, длиной до 30 м, несущая способность которых может достигать 3000 кН и больше. Вместе с тем нельзя считать, что все технологические вопросы устройства буровых свай разрешены, поскольку отмечены случаи развития повреждений соседних домов в период производства работ. Необходим строгий технологический регламент, обеспечивающий безопасное ведение работ в стесненных условиях. Завершающим этапом работ этого типа являются заполнение скважин бетонной смесью (способом вертикально перемещающейся бетонолитной трубы) и постановка арматурного каркаса.

Изготовление свай способом «проходного» шнека, по-видимому, — самая безопасная для соседних старых фундаментов технология. Суть ее в том, что лопасть шнека, приваренная к трубе достаточно большого диаметра, завинчивается на проектную глубину непрерывно без выемки грунта.

Затем в трубу, снабженную теряемым наконечником, подается бетонная смесь бетононасосом и шнек с грунтом постепенно извлекается на поверхность. При этом грунт замещается бетоном. Данная технология, по-видимому, обеспечивает безопасное ведение работ около старых фундаментов;

в) сваи, выполняемые в полости, образуемой вытрамбовыванием — выдавливанием грунта. Этот метод весьма эффективен в условиях слабых грунтов, поскольку грунт ниже острия свай не извлекается, а уплотняется. Такие полости можно образовать с помощью различных технологий и машин, например ATLAS и FUNDEX (0 400…600 мм, L — до 30 м).

ЛИТЕРАТУРА

• Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. J1.: Стройиз-дат, 1988.
• Далматов Б.И и др. Механика грунтов. Основы геотехники. Ч. 1. М.; СПб., 2000.
• Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. М., 1991.
• Ухов С.Б. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Изд-во АСВ, 1994.
• Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс). М.: Высшая школа, 1973.
• Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений: Учеб. пособие / Под ред. Б.И. Далматова. М.: АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 1999, 2001.
• Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83*). М.: Стройиздаг, 1986.
• Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. Е.А. Сорочана. М.: Стройиздат, 1985.
• Улицкий В М, Шашкин А Г Геотехническое сопровождение реконструкции городов М Изд-во АСВ, 1999

Правовые вопросы строительства, 2005, N 2