В 2016 году в международном рецензируемом научном журнале Civil and Environmental Engineering («Гражданское строительство и инженерная защита окружающей среды») была опубликована статья словацких геотехников «Роль геотехнического мониторинга при проектировании фундаментов и верификации принятых решений. Часть 1» (Drusa et al., 2016). Вызывает интерес то, что в 2021 году вышло продолжение этого исследования – часть 2. Временной разрыв в 5 лет между этими двумя публикациями объясняется тем, что они имели разные цели и рассматривали поведение одного и того же объекта (торгово-развлекательного центра «Аупарк» в словацком городе Жилина) на разных этапах его жизненного цикла. Если в первой части авторы описывали инженерно-геологические условия площадки и сравнивали расчетные осадки с результатами геодезических измерений в период строительства (до завершения строительства каркаса здания), то во второй части акцент сместился на анализ надежности принятых проектных решений путем сопоставления результатов компьютерного моделирования с фактическим поведением здания уже под эксплуатационной нагрузкой. Пауза была необходима для накопления данных долгосрочного мониторинга и применения новых расчетных технологий для верификации проекта. Сегодня представляем немного сокращенный и адаптированный перевод первой части данной работы, которая находится в открытом доступе по лицензии CC BY 4.0 (в ближайшем будущем мы опубликуем перевод и второй части). Полная ссылка на источник для перевода (Drusa et al., 2016) приведена в конце.
В течение долгого времени проектирование квадратных фундаментов не считалось проблематичным. Фундаменты проектируются на основе определения несущей способности грунтового основания, неточности в определении которой зачастую влияют на эффективность (экономичность) проектного решения, а ее возможные нарушения встречаются редко. Более важным фактором являются конечные деформации, относящиеся ко второй группе предельных состояний: осадка, относительная осадка, крен, чрезмерная деформация.
Сегодняшняя тенденция к снижению затрат на получение необходимых данных в ходе инженерных изысканий и на подготовку проектной документации во многих случаях приводит к неблагоприятным последствиям, таким как осадки и неравномерные осадки оснований объектов строительства. Проблема заключается в разнообразии аналитических методов оценки предельных состояний по второй группе предельных состояний (по эксплуатационной пригодности, по деформациям), применяемых в различных европейских странах, а также в недооценке рисков проектных решений.
Авторы статьи (Drusa et al., 2016) стремились показать, что наибольшее влияние на адекватность и безопасность проекта оказывает максимально точное определение показателей геотехнических свойств и правильный выбор метода расчета (чтобы продемонстрировать это, позже был использован метод моделирования Монте-Карло для анализа различных геотехнических параметров, результаты которого будут представлены во второй части работы).
Если все строительные процессы проходят успешно, поведение зданий редко подвергается повторной оценке. Однако, если есть возможность участвовать в инженерных изысканиях, определении геотехнических характеристик и контроле строительства с использованием инструментов геотехнического мониторинга, целесообразно провести анализ всего процесса для выявления скрытых рисков.
Все более популярным становится мнение о приоритете расчетов по второй группе предельных состояний (по эксплуатационной пригодности, по деформациям) по сравнению с первой группой (по несущей способности). Безусловно, у такого взгляда есть рациональное зерно: совершенствование расчетных методов приводит ко все более редким случаям повреждения конструкций из-за превышения несущей способности, в то время как чрезмерные или неравномерные осадки остаются актуальной проблемой в разных странах [1].
В данной работе представлены рассчитанные осадки здания торгового центра в городе Жилина, которые сравниваются с фактическими (измеренными) их значениями, полученными путем геодезической съемки с применением высокоточного нивелирования.
Это здание было возведено на ряде отдельных квадратных фундаментов мелкого заложения. Такое решение стало возможным благодаря подходящим геологическим условиям строительной площадки, где активная зона грунтового основания была представлена аллювиальными гравийными отложениями.
Однако была выявлена локальная геологическая аномалия: в правой части площадки мощность гравийных грунтов была очень небольшой, а на уровне подошвы фундамента они в основном имели глинистое заполнение.
Расчеты осадок аналитическими методами не подтвердили допущение проектировщиков о том, что предельное состояние по эксплуатационной пригодности менее чувствительно к входным параметрам. А такая ошибка ведет к недооценке важности модуля упругости, что иногда случается, особенно когда основание сложено несвязными грунтами. В результате обычно возникают значительные осадки, неравномерные осадки и повреждения конструкций фундаментов [2].
Современная ситуация в строительной отрасли характеризуется усиленным давлением на инженеров с целью сокращения времени и затрат на стадии проектирования, что оказывает влияние в том числе на этапы инженерных изысканий и подготовки строительной площадки.
Важную роль в изысканиях играют полевые геотехнические испытания [3]. И наблюдаемая тенденция к более широкому применению таких испытаний по сравнению с классическими методами геологических исследований (такими как вращательное бурение с отбором образцов грунта и последующие лабораторные исследования) имеет ряд преимуществ [4]. Прежде всего такой подход дает возможность непрерывной оценки геологического разреза, а также обеспечивает экономическую эффективность и сокращение временнЫх затрат по сравнению с лабораторными испытаниями. С помощью статического зондирования грунтов с измерением порового давления (пьезоконусом, CPTu) можно определить тип грунта и многие его свойства. Однако из процесса инженерно-геологических изысканий нельзя полностью исключить лабораторные исследования [2].
В зависимости от характеристик будущего здания или сооружения и геологических условий площадки строительства для проектирования ряда отдельных квадратных фундаментов предлагаются методы изысканий, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Предлагаемые методы полевых испытаний для проектирования отдельных фундаментов мелкого заложения [5]
Рис. 1. Расположение скважин при детальных инженерно-геологических изысканиях в зоне малой мощности террасовых отложений на схематичном плане площадки (а) и геологический профиль между скважинами J-6, J-9 и J-5 в масштабе 1:250 по горизонтали и 1:100 по вертикали (б). Скважина J-5 расположена в аномальной части террасовых отложений [6]
Гидрогеологические условия на рассматриваемой площадке отражают ее геологическое строение и в основном зависят от количества атмосферных осадков и местного климата. Уровень грунтовых вод приурочен к нижнему слою террасы, сложенной гравием. По данным глубоких скважин, он находится на глубине 15,2–17,1 м от дневной поверхности. Грунтовые воды на данной площадке неагрессивны по отношению к бетону и стальной арматуре.
Предполагаемая глубина заложения фундамента составляла 8–10 м. Для ускорения инженерно-геологических изысканий сначала были пробурены скважины глубиной до 8 м (отметим, что данные выработки после окончания изысканий были затампонированы). После завершения бурения в тех же точках были выполнены испытания методом динамического зондирования – начиная с дна скважин и до подошвы террасы, то есть на глубине от 8 до 14–16 м. По результатам этих испытаний и были в основном определены геотехнические параметры гравийных отложений [3, 5]. По значениям динамического сопротивления (qdyn) были рассчитаны модули деформации (Edef) с использованием следующих корреляционных зависимостей (с учетом известной информации о геологическом разрезе):
Рис. 2. Испытание штампом в зоне замены грунта под отдельный квадратный фундамент
Для расчета консолидационных осадок наиболее важным параметром является одометрический модуль деформации (Eoed), который может быть рассчитан по следующей формуле:
Рис. 3. Результаты измерения осадок в процессе строительства (аббревиатуры с номерами рядом с условными знаками – обозначения точек геодезического мониторинга; в примыкающей таблице показаны осадки, мм, для разных точек по датам) [9]
Для расчетов осадок выбрали три отдельных квадратных фундамента, расположенных в непосредственной близости от геодезических марок. Расчеты выполнялись с использованием фактических характеристик грунтового основания и уровней действующих нагрузок. Результаты сравнили с данными высокоточного нивелирования.
Упоминавшиеся выше статические испытания штампами проводились до бетонирования на участках будущих отдельных фундаментов E12, D1/D14 и F15 на уровнях подошв. Эти участки находились вблизи точек геодезического мониторинга VD9, VD2 и VD12, что позволило сравнить расчетные и фактические осадки. Результаты сопоставлены в таблице 2.
Таблица 2. Расчетные и измеренные осадки отдельных квадратных фундаментов [9]
Значения осадок, полученные методом высокоточного геодезического нивелирования, показали хорошую корреляцию с расчетными величинами. Наилучшее совпадение ожидалось для оси отдельного фундамента E12, так как положение геодезической марки в точке VD-9 точно соответствовало этой оси. Две другие точки мониторинговых измерений располагались на колоннах вблизи фундаментов D1/14 и F15. В случае оси фундамента E12 измеренная осадка была ближе всего к результату расчета на основе значения Edef,2 (но не Edef,1, для которого отклонение от измеренной осадки было, наоборот, самым большим). Последнее геодезическое измерение в точке VD-9 было проведено в октябре 2009 года после возведения каркаса здания – зафиксированная осадка составила 6,12 мм. Ожидается, что конечная осадка будет выше, так как на грунт основания под подошвой фундаментов будет действовать уже более полная, в том числе эксплуатационная, нагрузка.
Источник для перевода
Drusa M., Vlček J., Orininová L. The role of geotechnical monitoring at design of foundation structures and their verification – part 1 // Civil and Environmental Engineering. 2016. Vol. 12. № 1. P. 21–26. DOI:10.1515/cee-2016-0003.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку