БЦ Вант
ППРК-Сервис
СТО + / Новости строительства / Надежность зданий на грунтах Санкт-Петербурга. Анализ и предложения.
Надежность зданий на грунтах Санкт-Петербурга. Анализ и предложения.

Надежность зданий на грунтах Санкт-Петербурга. Анализ и предложения.

Многие застройщики уже сейчас работают на грани рентабельности, что приводят к необходимости изменения стратегии компаний. Они все больше начинают ориентироваться на улучшение качества строительства. В условиях роста цен и ограниченного спроса объектов недвижимости конкурентное преимущество строительных предприятий будет определяться их продуктивностью, качеством и надежностью реализуемой на рынке готовой продукции.

Строительство зданий в сложных грунтовых условиях Санкт-Петербурга приводит к активному насыщению подземного пространства транспортными и инженерными коммуникациями. Ключевой темой устойчивого развития города также становится тема подземной урбанизации. Связанное с этим вмешательство в сложившуюся геологическую среду сопряжено с высокими рисками. В верхних и, в меньшей степени, в нижних горизонтах грунтов воздействие возникающих гидрогеологических, техногенных и многообразия других факторов приводит к формированию структурно неустойчивых грунтов и, как следствие, к неравномерным осадкам основания зданий. Возникающий дефицит несущей способности грунтов и недооценка этих факторов приводит к увеличению осадок, к появлению и развитию трещин, к образованию сырости и протечек в подземных конструкциях, в том числе, к аварийным последствиям соседних домов. Ликвидация последствий, вызванных дестабилизацией основания, существенно повышает эксплуатационные риски, при этом затраты на восстановление конструкций могут быть сопоставимы с затратами на их возведение. 

Недостаток средств, выделяемых на ремонт зданий, определяют необходимость разработки новых конструктивных решений, снижающих их зависимость от неоднородности и нестабильности геологической среды. Их внедрение в практику строительства должно одновременно сократить затраты не только на реализацию проектов, но и затраты на ремонт или усиление зданий.
 

Основные особенности инженерно-геологических условий на территории  Санкт-Петербурга
Для болотного ландшафта Санкт-Петербурга характерно неравномерное распространение по глубине и простиранию современных озерно-морских отложений, в значительной степени обогащенных органикой. Для грунтов данной группы характерны высокая природная влажность и пористость, анизотропность механических свойств, высокая сжимаемость и тиксотропность. Потенциально опасными являются зоны погребенных болотных массивов, представленных торфами и заторфованными грунтами. Их мощность и глубина залегания в разных районах города колеблется в больших пределах.

Основные почвообразующие породы верхних горизонтов представлены пылевато-глинистыми грунтами, водонасыщенными пылеватыми, средней крупности и рыхлыми песками и супесями, реже с рассеянными включениями гравийного материала. Они сформированы лишь в последние 10 - 11 тысячелетий и находятся в состоянии незавершенной консолидации. Данные отложения, как в плане, так и в разрезе, характеризуются большой неоднородностью состава, изменчивостью залегания, пестротой водоносности и плотности. Они также могут содержать линзообразные и островные торфяные включения и заторфованные грунты. 

В качестве несущего слоя для свайных фундаментов наибольшее практическое значение имеют пески средней плотности и плотные пылеватые, а также суглинки с модулем деформации в пределах 22 …39 МПа. Их мощность и выдержанность по глубине залегания в различных геологических разрезах города крайне неоднозначны. Малосжимаемые (преимущественно полускальные) коренные породы, пригодные для варианта свай - стоек, прослеживаются ориентировочно с глубины 20 - 25 м.

В силу своего болотного происхождения «питерские» грунты верхних горизонтов в подавляющем случае являются и слабыми, и специфическими грунтами, склонными к потере несущей способности. К категории «слабых» относят, как правило, водонасыщенные глинистые грунты с числом пластичности   0,75 и модулем деформации 5 …8 Мпа. К этой же группе аномалий относятся и заторфованные грунты, имеющие показатели прочностных и деформационных свойств, близкие к показателям слабых глинистых грунтов. Такие грунты, как правило, имеют высокую влажность и пористость. 

Понятие «специфических грунтов» в общем случае связывают с грунтами с неустойчивыми структурными связями, изменяющими свои прочностные характеристики. Они, как правило, чувствительны к воздействию вибрации и к другим технологическим воздействиям, связанным со строительным производством.  При повышении их влажности и внешней нагрузке в пределах 0,05 ... 0,3 Мпа они существенно теряют свою прочность и сопротивление сдвигу, при этом их сжимаемость увеличивается в 2-3 раза. Эти процессы наиболее характерны для связных глинистых грунтов, имеющих пластичную или вязкотекучую консистенцию. В тех случаях, когда основания сложены большими толщами таких грунтов, осадки зданий развиваются особенно медленно и сроки их консолидации соизмеримы со сроком службы объекта. Их длительное уплотнение связано с низкой водопроницаемостью и медленным вытеснением свободной (поровой) воды. Продолжающиеся деформации мы наблюдаем на примере Исаакиевского собора.

Особая специфика «питерских» грунтов заключается и в том, что прослои слабых и структурно-неустойчивых грунтов, а также их островные включения могут хаотично залегать «над», «под» и в толще относительно прочных грунтов. Достоверное отражение этих особенностей в материалах изысканий и, тем более, прогноз изменения их строительных свойств, связанный с развитием территории застройки, практически невозможны. Для пылевато-глинистых связных грунтов, имеющих пластичную или вязкотекучую консистенцию характерно резкое снижение прочности и проявление тиксотропных свойств даже при обычных воздействиях в период строительства. 

Распространенной особенностью верхних горизонтов почвообразующих грунтов является региональное распространение малосжимаемых (с модулем деформации Е ≥ 20.0 Мпа) крупных и мелких средней плотности водонасыщенных песков переменной мощности, а также суглинков, подстилаемых малопрочными пылевато-глинистыми грунтами с модулем Е ≤ 6.0 … 11.0 Мпа. При ограниченной мощности малосжимаемых грунтов необходимость их прорезки сваями, до достижения ими проектных отметок, представляет большие производственные трудности и увеличивает финансовые затраты. Без использования предварительного (лидерного) бурения, забивка свай в таких условиях приводит либо к недопогружению, либо к излому свай. Их объем может достигать 30 …35% от общего количества свай.

Известно, что длительное давление на подстилающие грунты приводит к их уплотнению и, как следствие, к вытеснению влаги в грунты окружающей застройки. Возведение подземных этажей и других заглубленных объектов на пути исторически сложившихся фильтрационных потоков также создает подъем уровня подземных вод (барражный эффект). В результате грунты на территории застройки активно насыщаются подземными водами. В сочетании с устройством асфальтированных дорожных покрытий, нарушающим природные условий испарения воды, это приводит к повышению влажности грунтов в основании и возводимых, и существующих фундаментов. По оценке специалистов в условиях плотной застройки повышение горизонта подземных вод по этим причинам может составлять от 6 до 18 см/год. Его изменение происходит медленно и неравномерно и зависит от вида грунтов, их фильтрационных характеристик и плотности. В зданиях с фундаментами на естественном основании практически непредсказуемое колебание горизонта грунтовых вод создает массу неопределенностей в оценке причин, состояния и поведения несущих конструкций зданий.

Увеличение влажности связного, преимущественно глинистого грунта, вызванное повышением уровня грунтовых вод снижает его несущую способность. Физически его «скелет» оказывается взвешенным, при этом силы сцепления уменьшаются, а пористость возрастает (в глинистых грунтах - вследствие их набухания, в песчаных - из-за взрыхления под действием повышения гидродинамического давления грунтовых вод). Понижение уровня подземных вод, как правило, приводит к уплотнению грунтов, что улучшает их строительные свойства. Вместе с тем, если оно происходит после возведения зданий, то это приводит к дополнительной осадке и далеко не факт, что она окажется равномерной.  

Широко распространенные на территории города пылеватые пески, как правило, обладают плывунными свойствами и, при изменении гидродинамического режима, либо при приложении в период строительства знакопеременных (динамических) нагрузок, легко переходят в текучее состояние. В целом, пылеватые и мелкие пески рассматриваются как неустойчивые грунты, обладающие высокой сжимаемостью и чувствительностью к изменению их влажности. Они являются наименее удачным типом основания.

Наиболее сложно развивается процесс деформирования в глинах и суглинках. При нарушении естественной влажности эти грунты отличает длительная стабилизация (практически весь срок эксплуатации здания). Например, повышение влажности суглинков в диапазоне 13 – 28%, вследствие перехода от пластичного состояния в текучее, приводит к резкому снижению характеристик сцепления (уменьшается почти в 17 раз), угла внутреннего трения – в 3.25 раза (от 260 до 80). При этом сопротивление сдвигу снижается почти в 4 раза.
Повышение влажности также повышает или провоцирует агрессивность нестабилизированных грунтов, что способствует разрушению цементного камня в бетоне подземных конструкций.
 

О монолитных технологиях в строящихся зданиях
На начальном этапе развития монолитного домостроения (80–е годы) ставилась задача повышения архитектурной выразительности и пластики фасадных решений зданий, поэтому данную технологию использовали преимущественно при возведении многоэтажных зданий, служащих в застройке города композиционными акцентами. Накопленный с годами опыт выявил экономические преимущества этого метода по сравнению с кирпичным, крупноблочным и даже крупнопанельным домостроением, поэтому в настоящее время в городской застройке преобладают технологии их возведения с использованием монолитного железобетона. Коммерческая привлекательность данной технологии и технологическая простота выполнения монолитных конструкций способствовали ее активному внедрению в массовую застройку. В современных условиях эти факторы превратили данную технологию в основной метод строительства ординарных многоэтажек и тяжеловесных высоток, при этом ставшая массовой технологическая архитектура таких зданий, к сожалению, уже «не воспитывает», и моральный износ таких зданий наступает значительно раньше, чем физический.

Разумное (необходимое и достаточное) насыщение монолитными конструкциями в объеме здания и качественно выполненные работы, действительно, обеспечивают высокую пространственную жёсткость и устойчивость зданий. Вместе с тем, функционально неоправданное насыщение жилых зданий монолитными стеновыми конструкциями часто превращает дома в многоэтажные кладбища железобетона, что приводит к полному использованию имеющихся прочностных и деформационных ресурсов грунтов и не учитывает негативный прогноз их исчерпания. В связи с этим, коммерческое увлечение монолитными технологиями приводит к неоправданному утяжелению зданий, что повышает эксплуатационные риски и для существующих, и для вновь возводимых зданий. Без комплексной инженерной оценки этих рисков затраты на ремонт и восстановление целостности зданий в жилой застройке могут оказаться сопоставимыми с затратами на их возведение. К сожалению, в современной рыночной практике, когда господствует Его Величество квадратный метр, эти факторы ни Застройщиком, ни экспертными службами, к сожалению, не учитываются. 

Об инженерно- геологических изысканиях. Согласно требованиям норм, проектирование фундаментов без соответствующего инженерно-геологического обоснования или при его недостаточности не допускается. Содержание и объем изысканий установлен соответствующими нормативными документами. Согласно положениям СП 50-102-2010 проектирование фундаментов без достаточного инженерно-геологического обоснования не допускается. По количеству выработок понятие «достаточности» определяется положениями СНиП по изысканиям, устанавливающим объемы изыскательских работ. Для фундаментов на естественном основании (ленточных или плитных) с распределенной схемой передачи нагрузок на основание, установленный нормами объем выработок может обеспечить известную достоверность по грунтам, однако для свайных фундаментов со «штамповой» схемой передачи нагрузки на несущий опорный слой, такие объемы недостаточны. На участках между скважинами изыскания могут не отражать реальную картину напластований грунтов. В результате, плохо прогнозируемый разброс отметок, характеристик и мощности геологических элементов (ИГЭ) создает проблемы при забивке свай. Повреждения, изломы или значительный наклон таких свай могут быть следствием не выявленного изысканиями островного появления или выклинивающихся достаточно мощных прослоек плотных или гравелистых грунтов, а также следствием образования переуплотненных зон грунтов в процессе забивки.

Качество и полнота изысканий во многом определяют качество проектных решений фундаментов. Вместе с тем, в силу ограниченности объемов, результаты изысканий не могут гарантировать полное соответствие реального напластования грунтов, приводимому в отчетах. В частности, наличие или отсутствие в сжимаемой толще структурно неустойчивых, неоднородных по составу слабых грунтов, имеющих, как правило, невыдержанное (островное) залегание и толщину, могут не соответствовать действительности, и предусмотренные нормами запасы по нагрузкам могут оказаться либо излишними, либо недостаточными. Как следствие - плохо предсказуемая по величине и расположению неравномерность осадок фундаментов. В устоявшейся практике изысканий расчетные характеристики грунтов принимаются либо как среднестатистические по результатам испытаний, либо по значениям рекомендательного статуса. Вместе с тем, эти характеристики неоднозначны и не могут быть представлены одним значением. Они должны соотноситься с размерами нагрузок и конкретным типом и размерами фундаментов. Разброс значений расчетного сопротивления грунта по этим причинам может достигать 40 %. Кроме того, в материалах изысканий должны содержаться данные о несущей способности грунтов при изменении их свойств и характеризоваться показателями чувствительности грунта к нарушению его природного сложения. Этот прогноз необходимо давать на основе специальных расчетов или опытных данных по грунтам данного района под существующей застройкой. Для этого необходимы параллельные компрессионные испытания грунта природной влажности и грунта, предварительно водонасыщенного до прогнозируемого значения влажности, вплоть до полного водонасыщения. К сожалению, эти важные факторы нигде нормативно не закреплены. В этих условиях, для повышения надежности здания, проектировщик, помимо нормативных, вынужден с известной долей ответственности принимать запасы, размер которых крайне индивидуален и определяется только квалификацией, опытом и профессиональной этикой конкретных специалистов. 

Кроме того, геометрия напластований грунтов на геологических разрезах, приводимых в отчетах, достоверна лишь непосредственно в местах расположения буровых скважин, расположенных, как правило, через 20 … 40 м. На участках между скважинами характер этих напластований, выклинивание слоев и, тем более, наличие островных включений слабых грунтов наносят с большой долей вероятности и их расположение может не соответствовать действительности. Объем и результаты таких изысканий допустимы лишь для плитных фундаментов на естественном основании, в которых габариты сжимаемой толщи нивелируют влияние локальных включений слабых грунтов. Для столбчатых и свайных фундаментов с дифференцированной, по существу, штамповой схемой передачей нагрузок на грунты, изыскания должны дополняться геофизическими исследованиями.

Особенности расчетов зданий. Выбор рациональной конструктивной схемы здания в общем случае должен определяться гармоничным сочетанием архитектурно-планировочных и конструктивных решений, максимально адаптированных к конкретным геологическим условиям. Из опыта строительства и эксплуатации протяженных зданий на неравномерно деформируемых грунтах, основное требование к конструктивным схемам - их гибкость и максимальная податливость несущих конструкций и узлов их сопряжения. Наиболее рациональна каркасно - связевая конструктивная схема с облегченными безбалочными перекрытиями. Протяженные здания на таких грунтах необходимо разрезать осадочными швами через 20 … 25 м. 

Степень надежности зданий закладывается на стадии проектных разработок, включающих расчеты и, на их основе, конструктивных решений несущих элементов. С этой целью, для успешного решения такой задачи, необходим многодельный итерационный подход с вариантным набором технических решений. К сожалению, в последнее время в проектной практике исчезло понятие многовариантности, что не позволяет в полной мере сравнить и оценить их коммерческую эффективность.

C развитием компьютерных технологий вопросы теоретической оценки прочности и деформативности несущих конструкций, даже с учетом их совместной работы в пространственной модели «здание — основание», в настоящее время изучены достаточно подробно и уже стали предметом конкуренции. Механизм расчета пространственной модели достаточно трудоемок и требует глубокой аналитической работы специалистов высокой квалификации. Вместе с тем чрезмерное увлечение сложными программными средствами, лишающими исполнителей ощущения конструкции, превращает современного инженера в представителя чистой математической теории, плохо увязанной с условиями и практикой реального производства, что может привести к опасному снижению прочности и устойчивости здания. В связи с этим, в расчетной модели здания, кроме приложения внешних нагрузок, должны задаваться и воздействия всего комплекса негативных факторов, определяющих надежность здания. Вместе с тем, даже при хорошем программном обеспечении и прекрасном владении механикой расчетов в конструкторской практике должны присутствовать оценки и подходы, основанные на опыте реального производства. Важно понимать, что полученные результаты расчетов — это лишь условная мера того, меньше чего принимать нельзя. При разработке проектных решений конструктор обязан учесть весь комплекс негативных производственных факторов и достигнуть оптимального значения баланса стабильности и экономичности конструкций и здания в целом. Уровень такого баланса определяется квалификацией, опытом и профессиональной этикой конкретных специалистов.

При оценке грунтовых условий, закладываемых в расчет, следует учитывать, что отбор и лабораторные испытания проб песчаных грунтов ненарушенной структуры, а также глинистых грунтов с высокими показателями текучести, практически невозможен. Их штамповые испытания, как правило, не выполняются. В связи с этим, в отчетах по изысканиям расчетные показатели таких грунтов принимают по табличным данным, имеющим лишь рекомендательный статус. Особенно опасно отсутствие достоверного прогноза, связанного с ухудшением строительных свойств грунтов в процессе эксплуатации зданий.

При построении расчетных пространственных моделей здания в расчетах принимаются напластования грунтов по конкретным скважинам. При этом реальный разброс отметок залегания и мощности слоев между скважинами вынужденно не учитывается. Также не учитывается нелинейный характер деформирования грунтов и негативный прогноз изменения их строительных свойств. Кроме того, в расчетах, как правило, отсутствует учет всего комплекса производственных факторов, включающих технологию и последовательность монтажа, реальную податливость связей в стыковых соединениях конструкций, а также допуски на изготовление и монтаж конструкций. В связи с этим, достоверность результатов расчета, выполненных без учета этих факторов, далеко неоднозначна. Такие расчеты являются сильными физическими абстракциями, становятся лишь необходимой формальностью и могут использоваться лишь для базовой оценки. Они требуют дополнительный инженерный анализ и окончательное решение проектировщик вынужден принимать с использованием поверочных, достаточно простых поэлементных расчетов практически в ручном режиме. Кроме того, по технологическим требованиям сечения арматуры и схемы армирования конструкций в проектах, как правило, унифицируются, что меняет их жесткости и влияет на перераспределение усилий. В итоге, в процессе эксплуатации зданий природа, исходя из параметров реальных грунтов и принятого армирования конструкций, вынуждена самостоятельно регулировать характер взаимодействия конструкций и реально корректировать наши несовершенства. Это не всегда заканчивается бесплатно. 

Особого внимания требуют расчеты и конструктивные проработки фундаментов зданий, строящихся   в непосредственной близости от существующих. При основаниях под ними, сложенных слабыми и тиксотропными грунтами, подверженными технологическому разрушению, они сравнительно легко теряют прочность и характеризуются значительными и медленно затухающими осадками. Разработка конструктивных мероприятий, исключающих эти проблемы, требует от проектировщиков большой изобретательности и особой тщательности проработки решений. По сравнению с обычными условиями строительства, эти обстоятельства требуют дополнительных проектных и производственных затрат, однако их размер несопоставим с моральным и материальным ущербом, связанным с повреждениями или возможными авариями существующих зданий.


Свайные фундаменты в грунтах Санкт-Петербурга - панацея и гарантия их надежности
Повышение эксплуатационной надежности зданий - это не только материальная, но и глубоко нравственная категория их оценки. Стоимость фундаментных конструкций может составлять от 30 до 35 % от общей стоимости строительства. В связи с этим, перед Застройщиком всегда встают задачи, связанные с оптимизацией производства и получением прибыли.

Их решение невозможно без использования оптимальных по трудозатратам и стоимости новых технических решений. Известно, что в любой практике анализ и четкое понимание механизма проблем почти является их решением. Из анализа инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга следует, что в решениях фундаментных конструкций капитальных зданий принципиально важно уходить от устоявшейся практики работы с грунтами практически вслепую. Это возможно путем использования предлагаемых новых конструктивных решений погружных (забивных или вдавливаемых) свай с уширением ствола, с возможностью его размещения по высоте свай на основе реальных грунтовых условий в процессе их погружения. Данное решение обеспечивает снижение материалоемкости и в основании зданий создает надежный эквивалент грунтовым условиям, имеющим стабильные параметры прочности и деформативности. 

Технический анализ существующих технических решений свай и предложение на его основе новых, обеспечивающих гибкий учет неоднородности грунтовых условий, будут представлены в продолжении данной статьи.

Санкт-.Петербург, Научно-исследовательский институт экологического и генерального проектирования (НИИЭГП).
Главный конструктор института Гуров Е.П.
Моб. 8 921 951 9176