Вопросы обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности полов производственных зданий (Часть 2)

Анализ проектных решений по выбору расчетной модели грунтового основания

При расчете несущих конструкций полов производственных зданий проектировщики часто используют различные модели грунтового основания, не всегда обосновывая свой выбор в пользу той или иной модели. Известно, что принятые модели основаны на различных гипотезах и при расчете полов необходимо использовать такую модель, которая наиболее полно отвечает характеру работы данного грунтового основания в условиях конкретной строительной площадки, конструкции плиты и характеру планируемых и предусмотренных техническим заданием нагрузок и воздействий. Например, как было отмечено в многочисленных работах [1, 2, 3], при наличии в основании сухих или маловлажных глинистых грунтов целесообразно применять модель упругого полупространства, а в случаях песчаных или переувлажненных глинистых грунтов оптимальным является использование одноконстантной (винклеровской) модели. Следует отметить, что существующими нормами предусмотрена методика расчета конструкций полов с использованием винклеровской модели основания.

Оценка характеристик напряженно-деформируемого состояния конструкции пола в условиях его нагружения знакопеременными и часто меняющимися нагрузками является сложной инженерной задачей. При одинаковой, как правило, жесткости плиты в ее различных зонах действуют различные по характеру и значению вертикальные нагрузки, которые приводят к неравномерным осадкам грунтового основания, прогибам плиты и соответственно неравномерным напряжениям, возникающим в различных зонах проектируемой плиты пола.

Расчет конструкции пола, являющейся с точки зрения строительной механики плитой на упругом основании, необходимо производить, используя ту из принятых моделей, которая наиболее полно отвечает ее действительной работе в конкретных условиях. Иногда при наличии в сжимаемой толще разнородных грунтов необходимо производить предварительные расчеты, анализируя различные модели, и выбирать в дальнейшем наиболее оптимальную из них, отвечающую обоснованным критериям. Проектировщики часто используют только одну из существующих моделей, наиболее «правильную» с их точки зрения. Однако, учитывая многообразие грунтовых условий, такой подход, при котором игнорируются прочие модели, является упрощенным, приводящим в большинстве случаев к неверным результатам и в дальнейшем – к негативным последствиям.

Анализ решений по характеру предпроектных изысканий

При выполнении предпроектных инженерно-геологических изысканий часто используются данные, полученные методами поверхностных штамповых испытаний. Следует отметить, что результаты таких испытаний должны лишь дополнять данные, полученные стандартными инженерно-геологическими изысканиями, но не игнорировать и не заменять их. Осадки многослойного основания вычисляются различными аналитическими или численными методами на основании данных инженерно-геологических изысканий с учетом требований действующих нормативно-технических документов, предусматривающих использование модели линейно-деформируемого слоя. При использовании в расчетах данных, полученных только штамповыми методами, можно прийти к ошибочным результатам – завышенной (при наличии малых нагрузок) или заниженной (в обратном случае) величине модуля деформации грунтов основания, так как при данных методах испытаний глубина исследуемой грунтовой толщи является ограниченной и может быть недостаточной вследствие ограниченного веса внешних пригрузов (рис. 1). Кроме этого не всегда может быть учтено поверхностными штамповыми испытаниями развитие пластических деформаций глинистых грунтов, являющихся результатом достаточно длительного процесса. Их учет возможен только при применении известных расчетных формул на основании данных, полученных при послойных испытаниях элементов грунтов в сжимаемой толще. Иногда при наличии в основании переувлажненных глинистых грунтов необходимо принимать во внимание их консолидацию.

Другой ошибкой при выработке проектных решений является использование данных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, собранных с целью проектирования оснований под фундаментные конструкции несущих элементов каркаса здания; в случае проектирования полов такие данные не всегда достаточно информативны.

Часто допускается и еще одна ошибка – полы проектируются на основании результатов исследования грунтов, выполненного непосредственно подрядчиками (изготовителями полов), не имеющими необходимой квалификации и достаточного опыта для проведения подобных исследований и оценки полученных результатов, поэтому сделанные таким образом выводы могут оказаться недостоверными. Для получения обоснованных данных по физико-механическим характеристикам подстилающих грунтов, которые могут быть учтены при проектировании полов, следует привлекать специализированную аккредитованную испытательную лабораторию, имеющую опыт выполнения подобных исследований.

При выработке проектных решений необходимо составление отдельной специальной программы по исследованию свойств подстилающих грунтов. Такая программа должна включать более детальное обследование грунтов в труднодоступных для уплотнительной техники местах, в том числе большее количество исследуемых точек на единицу площади (как правило, одно испытание на 200–300 м² контролируемой поверхности). При этом в большинстве случаев толщина исследуемого слоя может ограничиваться 4–6 м. Кроме этого целесообразным является наличие постоянного лабораторного поста на объекте строительства для осуществления периодического контроля и проведения необходимых испытаний грунтов в процессе выполнения работ.

Анализ проектных решений по устройству подстилающего основания

Важную роль в обеспечении долговечности промышленных полов играют прочностные и деформативные свойства подстилающего грунтового основания (искусственного и естественного), так как от его соответствия нормативным и проектным требованиям зависит величина возникающих напряжений в несущей плите пола и соответственно ее несущая способность.

При устройстве полов по основанию, уплотненному менее показателей, требуемых проектом и строительными нормативами, происходит его доуплотнение в процессе эксплуатации в результате воздействия статических, динамических и вибрационных нагрузок. При этом между основанием и плитой пола могут появиться «зазоры» (особенно вблизи швов), что может вызывать недопустимые напряжения в несущей плите пола, приводящие к недопустимому трещинообразованию и возникновению в районе швов характерных «уступов» между соседними плитами пола (рис. 2), наличие которых может существенно снизить его эксплуатационную пригодность.

В качестве материалов для создания искусственных оснований чаще всего используют щебень, песок и песчано-гравийную смесь. В отдельных случаях могут применяться основания из естественного или насыпного грунта, обработанные различными вяжущими. Такой метод создания искусственных оснований является технически и экономически обоснованным только при соблюдении определенных условий, выполнение которых не всегда можно обеспечить на стройплощадке.

Так, например, в случае проектных недоработок или возникновения не предусмотренных проектом организации строительства ситуаций (допущение промерзания грунта из-за срыва сроков графика строительства объекта, а также необеспечение заказчиком-застройщиком или генподрядчиком положительных температур в построенном здании в зимнее время) связность частиц в таких основаниях может теряться (переход в разрыхленное состояние), и тем самым снижаются показатели несущей способности выполненного основания. Таково, например, поведение укрепленного цементом или известью глинистого грунта при условии его переувлажнения и промерзания, в том числе в строительный период.

Учитывая это, проектировщики «Конкрит Инжиниринг» не используют в своих проектах искусственные обработанные вяжущими основания, являющиеся менее надежными в реальных условиях, а кроме того, более дорогостоящими по сравнению с другими вариантами. Предпочтение отдается применению в конструкции основания среднезернистого или крупного песка, а в качестве подстилающего несущую плиту слоя – щебня из изверженных или осадочных горных пород. Как показала практика, такие основания при их достаточном уплотнении надежнее и долговечнее цементогрунта и кроме этого менее подвержены изменению их свойств при изменении внешних температурно-влажностных условий, в том числе в случаях их промерзания.

В отдельных случаях при создании искусственного основания из крупнозернистого песка, выполняемого по естественному основанию из тонкодисперсных супесчаных или слабых водонасыщенных глинистых или песчаных грунтов, целесообразно применять изолирующие (разделительные) прослойки из геотекстильных материалов (рис. 3), исключающие взаимное перемешивание материалов слоев.

В последнее время на рынке стали появляться различные материалы, армирующие грунты (увеличивающие их несущую способность, распределяющие сосредоточенные нагрузки на бо’льшую площадь подстилающего основания и снижающие величину неравномерных деформаций основания), в том числе плоские геосетки (рис. 4) и объемные георешетки (рис. 5) из различных полимерных материалов.

Плоские сетки целесообразно применять при устройстве щебеночных оснований, располагая их под подошвой данного слоя. В этом случае такая сетка выступает как армирующий элемент по аналогии с арматурой железобетонного сечения, при этом наиболее полно используются ее высокие показатели сопротивления растягивающим усилиям. Особенно эффективным является их применение при проектировании полов на слабых грунтах при воздействии колесных нагрузок от различных транспортных средств [4].

Объемные трехмерные георешетки позволяют существенно повысить несущую способность основания за счет снижения поперечных деформаций армируемого грунтового слоя.

Применение различных армирующих и разделительных прослоек позволяет при действии эксплуатационных нагрузок снизить величину неравномерных деформаций основания, особенно при строительстве полов на слабых грунтах. Однако, если применение разделительных геотекстильных прослоек экономически эффективно практически во всех случаях, то синтетические сетки и объемные решетки имеют ограниченную область применения, в основном из-за их высокой стоимости. В любом случае выбор технологии устройства основания должен быть обоснован соответствующими инженерными расчетами на основании данных предварительных инженерных изысканий и соответствующих испытаний. Также важной является оценка температурных, технологических и прочих условий производства работ. Технико-экономическое сравнение вариантов является обязательным в любом случае.