Введение. 
Опыт реализации нестандартных методов проектирования и строительства фундаментов высотных зданий в сейсмических районах

Стремительный рост населения нашей планеты определяет необходимость постоянно пересматривать требования, предъявляемые к социально значимым объектам. Зачастую это касается необходимости совмещения внутри одного строения большого количества процессов, что, конечно, ведет к увеличению требуемых проектных площадей. Ввиду нехватки территорий в крупных городах, здания устремляются ввысь. Передаваемые ими нагрузки на грунты сегодня требуют новых подходов в фундаментостроении.

Зачастую такие здания располагаются на площадках со сложными грунтовыми условиями, обуславливающими значительные абсолютные и относительные деформации основания. Разнообразие доступных методов расчета деформаций определяет значительную разницу между получаемыми результатами. Поэтому данные геотехнического мониторинга о фактических перемещениях представляют собой большой научный и практический интерес.

В настоящей статье рассмотрено несколько крупных строительных объектов, возводимых в г. Краснодаре на различных типах фундаментов, в различных грунтовых условиях и плотности городской застройки. На всех объектах с момента начала строительства выполнялись мероприятия по геотехническому мониторингу. Объекты представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 — Рассматриваемые объекты Все представленные выше объекты на данный момент либо находятся на стадии завершения строительства либо сданы в эксплуатацию.

При проектировании фундаментов каждого объекта проводился анализ инженерно-геологической ситуации на площадке строительства, в ходе которого было выявлено, что грунтовые условия для таких тяжелых зданий крайне сложные. Глубина залегания слабых слоев, а также их чередование с более жесткими, приближается к отметке 10−15 м от поверхности земли. В связи с этим фундаментные конструкции анализировались исходя из возможности их применения в данных грунтовых условиях. Грунтовые условия площадок строительства представлены на рисунке 3 (а, б, в).

Рисунок 2 — Карта г. Краснодара с расположением площадок строительства высотных зданий.

Рисунок 3 — Характерные грунтовые условия площадок строительства для различных районов г. Краснодара Основными методами прогнозирования деформаций зданий на сегодняшний день являются нормативные документы (СП 22.13 330.2011[1] и СП 24.13 330.2011[2]) и конечно-элементные программные комплексы (MIDAS GTS NX[14,15], PLAXIS 3D[17], Лира, Ing+, SCAD и др.).

Нормативными методиками предлагается упрощенные расчеты взаимодействия здания и основания, где основание рассматривается в виде линейно-деформируемого полупространства с осредненными в пределах сжимаемого слоя Н значением коэффициента Пуассона грунта н и модуля деформации грунтов основания Е[1].

Современные компьютерные технологии позволяют рассматривать различные ситуации при строительстве и эксплуатации зданий. Также сегодня возможно оценить работу конструкций в целом во всем здании с учетом многообразия нагрузок и воздействий, которые практически невозможно оценить корректно с использованием только нормативных методик. В конечном итоге трехмерный нелинейный конечно-элементный расчет используется при решении широкого круга задач механики твердого деформируемого тела, а также успешно применяется в других отраслях. При решении геотехнических задач в расчетных комплексах, моделируется массив грунта, конструкция фундамента и надземное сооружение, что позволяет более реально оценивать взаимодействие системы.

В первую очередь для всех перечисленных выше высотных зданий был рассмотрен плитный вариант фундамента на естественном основании — наиболее простое, технологичное и экономически выгодное решение. Целью данного расчета оснований по деформациям являлось ограничение абсолютных и относительных перемещений такими значениями, при которых обеспечивается безопасная эксплуатация сооружения. Ограничение деформаций проводилось согласно нормативным документам [1,2] и представлено в таблице 1.

Таблица 1 — Предельные допустимые деформации оснований фундаментов.

Все расчеты выполнялись также в геотехнических программных комплексах с использованием идеально-упругопластической модели грунтов, описываемой критерием Кулона-Мора. Данная модель была принята исходя из анализа данных инженерно-геологических изысканий. На сегодняшний день наиболее применимыми для задач высотного строительства геотехническими программными комплексами являются: PLAXIS 3D[17] и MIDAS GTS NX[14,15]. В целом, данные программные комплексы схожи по функционалу, однако они имеют ряд отличий, которые определяют пределы их применимости.

PLAXIS 3D — геотехническая программа, предлагающая гибкую и унифицированную геометрию, реалистичное моделирование этапов строительства, устойчивое к ошибкам и надёжное расчётное ядро, подробная обработка результатов расчёта — всё это даёт полное комплексное решение геотехнических проектов и расчётов. Программа PLAXIS 3D предназначена для комплексных расчётов напряжённо-деформированного состояния и устойчивости геотехнических объектов различного назначения методом конечных элементов в условиях пространственной задачи. Программа учитывает различные особенности геотехнических конструкций и процессов возведения сооружения, используя при этом хорошо отлаженные и теоретически обоснованные вычислительные процедуры. Возможности программного комплекса PLAXIS 3D показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 — Некоторые задачи геотехники, решенные при помощи PLAXIS 3D.

MIDAS GTS NX — программный комплекс, предназначенный для комплексных геотехнических расчетов. GTS NX обладает дружественным к пользователю современным интерфейсом, а также мощным и быстрым решателем с поддержкой 64-битных систем и графического процессора. С MIDAS GTS NX возможно максимально быстро и качественно выполнять самые сложные расчеты.

В настоящей статье приводятся результаты расчетов в MIDAS GTS NX как одного из передовых и технически продвинутых программных комплексов для моделирования грунтовых массивов и различных неравномерных напластований.

Однако ни один из программных комплексов не может быть признан неким эталонным продуктом для получения достоверного результата. Многое зависит от квалификации расчетчика и его способности анализировать полученные данные.

Только натурные измерения способны подтвердить расчетный прогноз и констатировать непревышение допустимых параметров, обеспечивающих безаварийность зданий в период их строительства и дальнейшей эксплуатации.

На сегодняшний день для мониторинга зданий и сооружений используются [16]:

• · геодезические наблюдения за деформациями;
• · GPS — мониторинг;
• · лазерное сканирование высотных объектов.

Геодезический мониторинг подразумевает геодезические наблюдения за деформациями строящихся зданий и сооружений, а также за зданиями, находящимися в зоне влияния строительства. Целью геодезического мониторинга является своевременное выявление критичных величин деформаций, установление причин их возникновения, составление прогнозов развития деформаций, выработка и принятие мер для устранения нежелательных процессов.

Методика GPS-мониторинга здания во многом подобна традиционным геодезическим наблюдениям. При создании системы мониторинга по периметру высотного здания и на отдельных конструктивных элементах устанавливаются высокоточные GPS приемники, а также создается опорная сеть, на основе базовых станций, расположенных вне зоны влияния сооружения. Определяя координаты контрольных точек и сопоставляя результаты измерений в отдельных точках, получают изменение пространственного положения здания в целом и перемещение конструктивных элементов относительно друг друга. Схема GPS-мониторинга приведена на рисунке 6.

Наиболее современным методом наблюдений за деформациями здания является их лазерное сканирование. Суть технологии заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта посредством измерения расстояния до всех точек с помощью лазерного безотражательного дальномера. При каждом измерении луч дальномера отклоняется от своего предыдущего положения так, чтобы пройти через узел некой мнимой нормальной сети, называемой сканирующей матрицей. Количество строк и столбцов матрицы может регулироваться. Чем выше плотность точек матрицы, тем выше плотность точек на поверхности объекта. Результатом измерений является некое множество точек с трехмерными координатами.

Рисунок 6 — Взаимодействие зданий с окружающей средой и GPS-мониторинг деформаций В большинстве конструкций сканеров используется импульсный лазерный дальномер. На пути к объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Наиболее распространенной является конструкция, состоящая из двух подвижных зеркал, одно из которых отвечает за вертикальное смещение луча, а другое — за горизонтальное.

Отличие от тахеометра заключается в том, что ежедневная съемка при помощи лазерного сканера — это десятки миллионов измерений, получение аналогичного объема информации с тахеометром займет не одну сотню лет.

Первоначальный результат работы сканера представляет собой облако точек. В процессе съемки для каждой из них записываются три координаты (XYZ) и численный показатель интенсивности отраженного сигнала. Он определяется свойствами поверхности, на которую падает лазерный луч. Облако точек раскрашивается в зависимости от степени интенсивности и после сканирования выглядит как трехмерное цифровое фото. Приборы и результаты использования такого вида мониторинга приведены на рисунке 7,8.

В результате мониторинга получаемые данные направляются в инженерно вычислительный центр, в котором конечный пользователь, владея программным комплексом и обладая соответствующими знаниями, способен анализировать текущую ситуацию на объекте в реальном времени.

В дополнение к системе мониторинга в инженерно-вычислительный центр входят системы предупреждения аварийных ситуаций, которые способны на основании заданных ограничений и данных, получаемых с датчиков, установленных на несущих конструкциях сооружения, своевременно предупреждать инженеров-строителей о возможном начале внештатной ситуации на объекте. Современные системы оповещения используют передовые способы передачи информации такие, как e-mail-рассылка и sms-оповещения.

Далее в статье рассмотрены объекты, возводимые в г. Краснодаре на неравномерно сжимаемых слабых грунтах, и представлены результаты геотехнического мониторинга за ними.