Введение. К вопросу об усилении коротких балок на упругом основании Фусса-Винклера

Первые три пункта 1.1, 1.2, 1.3 ГОСТ 27 751–88 «Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчёту» 2003 года выпуска [1] определяют основы расчёта строительных конструкций и основания:

• 1.1. Строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надёжностью при возведении и эксплуатации с учётом, при необходимости, особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва).
• 1.2. Основным свойством, определяющим надёжность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом, является безотказность их работы — способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определённого срока службы.
• 1.3. Строительные конструкции и основания следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные положения которого должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учётом изменчивости свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности (и народнохозяйственной значимости) проектируемых объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности.

Безопасность эксплуатации зданий и сооружений обеспечивается надёжной совместной работой системы «основание — фундамент — надземные конструкции», несмотря на то, что составляющие этой системы рассчитываются и проектируются, вообще говоря, независимо. Проектирование оснований и фундаментов выполняется в частности в соответствии с нормативным документом [2]. Для проектирования и расчёта надземной части сооружения имеются другие нормативные документы, предназначенные, в частности, для металлических конструкций, железобетонных конструкций, деревянных конструкций и так далее.

Появление трещин либо значительных деформаций в ограждающих и несущих конструкциях вплоть до разрушения строения являются следствием полного или частичного нарушения надёжной работы элементов системы «основание — фундамент — надземные конструкции».

Отказы оснований возникают за счёт проявления природных и техногенных процессов, а также за счёт отклонений от нормативных документов, допускаемых при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Основными причинами отказов, в частности, являются [3]: снижение прочностных и деформационных свойств грунтов при увлажнении, и также проявление процесса набухания грунта, морозное пучение, плывунность грунтов и так далее;

проведение земляных работ в пределах или вблизи застройки, прокладка коммуникаций;

увеличение нагрузок на основание, особенно сопровождаемое появлением эксцентриситета их приложений;

вибрационные или динамические воздействия от автои железнодорожного транспорта, линий метрополитена, оборудования, установленного в сооружениях и промышленных установок, расположенных вблизи. Состояние фундаментов во многом определяет надёжность и долговечность зданий и сооружений. При реконструкции, восстановлении и перепрофилизации существующих гражданских и промышленных зданий достаточно часто приходится выполнять работы по усилению фундаментов.

Укрепление и усиление фундаментов проводят в случаях: снижения прочности материала фундамента в результате его разрушения, физического и химического выветривания или износа;

при реконструкции здания, вызывающей увеличение нагрузок или появление дополнительных воздействий, например, вибрации от оборудования;

при новом строительстве рядом расположенного здания, подземного сооружения, прокладке коммуникаций и тому подобное;

при появлении чрезмерных деформаций в конструкциях, общем крене здания.

Следует отметить, что при реконструкции фундаментов отсутствует возможность разработки типовых схем усиления. Схемы усиления должны приниматься в каждом конкретном случае в зависимости от нагрузок на фундаменты, наличия подвала и других подземных сооружений, инженерно-геологических и гидрогеологических условий и так далее. Работы по усилению фундаментов и подземных сооружений в сложных условиях должны проводиться при научном сопровождении специализированной научно-исследовательской организации.

Усиление оснований и фундаментов осуществляется при реконструкции зданий или сооружений или ликвидации их аварийных осадок. При этом может оказаться, что [4]:

• — реконструкция существующих зданий сопровождается увеличением постоянных и временных нагрузок при отсутствии резерва несущей способности грунтов основания;
• — реконструкция соседних зданий или уплотнительная застройка в городе влияют на активную зону основания рассматриваемого здания;
• — освоение подземного пространства при реконструкции центра города захватывает активную зону основания существующего здания;
• — естественный физический износ фундамента здания в результате длительной его эксплуатации превышает 60%;
• — допущены нарушение технологии ведения работ нулевого цикла, недооценка сложности инженерно-геологических условий при проектировании.

Повышение несущей способности оснований и фундаментов при реконструкции может быть обеспечено за счёт усиления и изменения конструкции или размера фундамента; закрепления грунтов основания инъектированием, механическим уплотнением, армированием.

Нормы проектирования предусматривают следующие методы усиления фундаментов [3]:

• — укрепление тела фундамента путём инъекций, которое применяется при небольших разрушениях материала фундамента и незначительном повышении нагрузок на фундаменты;
• — устройство обойм без уширения или с уширением подошвы фундамента;
• — подведение конструктивных элементов (плит, столбов, стен) под существующие фундаменты, осуществляемое при необходимости повышения несущей способности основания или углубления фундаментов;
• — подведение новых фундаментов с использованием, главным образом, свай различных видов — вдавливаемых, буронабивных, буроинъекционных, бурозавинчивающихся и так далее, которое осуществляется при значительном увеличении нагрузок и значительной глубине залегания несущего слоя грунта;
• — переустройство столбчатых фундаментов в ленточные и ленточных в плитные;
• — устройство щелевых (шлицевых) фундаментов.

Техническая эффективность усиления фундаментов реконструируемых и аварийных зданий оценивается по материалам геодезического наблюдения за их осадками и кренами. Уменьшение скорости осадок и полная их стабилизация достигаются после включения в работу усилительных элементов. Инструментальное геодезическое наблюдение за осадками и кренами производится в течение года после завершения всех работ по реконструкции и ликвидации аварии и приложения всех нагрузок.

Следует учитывать, что любые работы по усилению оснований и изменению конструкций фундаментов неизбежно вызывают, при их осуществлении, деформации оснований и осадки фундаментов. Более того, как показывают исследования, изменение расчётной схемы фундаментных балок может привести к ухудшению их работы.