Типовые ответы на «фундаментальные» вопросы
Надежный фундамент всегда служил основой экономического и эксплуатационного «здоровья» зданий и сооружений. С этой многократно доказанной истиной никто не спорит. Предметом профессиональной дискуссии в последнее время стали вопросы повышения достоверности оценки технико-экономической эффективности и пути совершенствования проектных решений фундаментов в современной рыночной ситуации. Наряду с отечественными разработками в данной сфере в республике представлено немало зарубежных технологий от Bauer, BoilMec, CatoCazagrande, Tissen и других компаний. Однако насколько они приемлемы для местных грунтовых условий? Инвесторы, частные застройщики стоят перед непростым выбором оптимального по цене, качеству и надежности варианта фундаментов, способа его возведения на конкретных площадках, обеспечения безопасности окружающей среды и существующей застройки. Поиску ответов было посвящено специальное исследование, проведенное в РУП «Институт БелНИИС».
Ученые, в частности, выяснили, что грунтовые условия в пределах глубин устройства фундаментов многослойны и, как правило, представлены четвертичными отложениями, в основном песчаными и моренными (от средней до высокой прочности), которые занимают более 70 % территории республики.
Это позволяет использовать самые разные типы фундаментов, что, впрочем, не избавляет проектировщиков от грамотной технико-экономической оценки различных решений.
В ходе анкетирования строительных трестов, анализа каталогов и типовых проектов, применяемых в массовом и экспериментальном строительстве республики, установлены: парк механизмов и оборудования, которые имеются в строительных организациях, основные типы зданий и осредненные нагрузки от них на 1 м длины ленточного фундамента: 30, 60, 100 кН/м и столбчатый фундамент – 200…1000 кН.
Технико-экономические показатели определялись на основе модельного проектирования, то есть создания строительного объекта (модели) с типами оснований, фундаментов и нагрузками от всей номенклатуры реальных зданий (см. таблицу 1).
Модели оснований (расчетные схемы) определены посредством анализа свыше 200 инженерно-геологических колонок оснований Беларуси для всех областей республики. Данный анализ показал, что основания имеют ряд однородных свойств и признаков, изменение которых оказывает особенно активное влияние на технологию устройства фундаментов и их стоимость. К таким признакам относятся: мощность «слабого» и искусственного слоев, их расположение по глубине, вид грунта и его прочность, которые можно принять за базовые модули при унификации инженерно-геологических условий.
Исходя из этого, всю совокупность оснований Республики Беларусь можно свести по его прочности к трем основным расчетным строительным категориям: расчет стоимости, приведенных затрат и трудоемкости.
При расчетах данных строительных категорий учтены затраты по следующим основным видам работ: изготовление сборных железобетонных конструкций на заводах сборного железобетона, транспортировка, погружение свай, пробивка (бурение) скважин в грунте второй категории и изготовление набивных свай; устройство монолитного (сборного) железобетонного фундамента или ростверка.
Технико-экономические показатели были определены для всех типов размера фундаментов (летние условия строительства) по полной номенклатуре экономических показателей: стоимость (С), трудоемкость (Т), приведенные затраты (П), согласно методическим положениям СН 423 Госстроя СССР и разработанных в РУП «Институт БелНИИС» рекомендаций по оценке эффективности фундаментов.
Технико-экономический анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы по применению фундаментов для строительства в Республике Беларусь:
1. В однородных (простых) основаниях средней прочности и геотехническом риске строительства уровней А, Б достаточно эффективны традиционные плитные фундаменты из монолитного бетона, которые на 30–50 % экономичнее по стоимости, материалоемкости и трудоемкости аналогичных сборных конструкций заводского изготовления.
Например, для промышленных сельских зданий эффективны комбинированные незаглубленные плитные фундаменты, а в отдельных случаях тонкие массивные плиты под все здание, в т. ч. на несущем слое (геомассиве) из щебеночных мелко-заглубленных свай уплотнения с давлением на основании до 0,6 МПа, которые особенно незаменимы в сложных инженерно-геологических условиях (категории II и III) с показателем текучести грунта IL > 0,4, а также при насыщенном расположении фундаментов в пятне здания.
2. Установлено, что в диапазоне нагрузок 30–250 кН монолитные ленточные плитные фундаменты экономически целесообразны только при глубине их заложения не более 1,5 м, а для ленточных из сборных блоков и плит < 1,2 м.
В зданиях без подвалов наиболее конкурентоспособными являются мелкозаглубленные и незаглубленные плитные фундаменты на песчаной подушке, которые дешевле традиционных из монолитного бетона. Существенную экономию дают тонкостенные монолитные фундаменты шириной до 300 мм при ширине стен надземной части до 510 мм.
3. Вид плитного фундамента в зависимости от средней интенсивности давления на грунт, исходя из экономической целесообразности, рекомендуется выбирать с учетом данных таблицы 2.
4. Перекрестные ленточные фундаменты рекомендуется применять для каркасных и панельных зданий с поперечными несущими стенами возводимых на неравномерно сжимаемых грунтах категории II при геотехническом риске строительства уровней Б и Н. Устройство отдельных фундаментов под колонны и несущие стены (с фундаментными балками) допускается, если неравномерность осадок не превышает предельно допустимых их значений по приложению Б СНБ 5.01.01–99, а средняя осадка – не более 50 мм.
5. Свайные фундаменты из забивных стандартных свай, как правило, следует применять, когда плитные фундаменты не обеспечивают допустимых деформаций по приложению Б СНБ 5.01.01/6/ или они являются более эффективными и индустриальными в рассматриваемых условиях (как мелкозаглубленные сваи в пробитых скважинах по П19 к СНБ 5.01.01 или, например, в зимних условиях строительства, на обводненных основаниях).
6. При проектировании фундаментов из традиционных забивных свай длиной l ≤ 12 м (цельных) и при l > 12 м составных, следует исходить из того, что они всегда более экономичны и технологичны, чем набивные большого сечения, полые круглые сваи и сваи-колонны для всех уровней геотехнического риска строительства.
7. Массивные плитные и плитно-свайные фундаменты (под все здание или его часть) целесообразно применять для зданий повышенной этажности (не менее12 этажей), возводимых на площадках с неравномерно сжимаемыми по глубине основаниями II и III категорий сложности.
8. Основная область применения бурозавинчивающихся и задавливаемых свай – строительство и реконструкция сооружений вблизи существующей застройки, когда требуется исключить динамические воздействия на близлежащие сооружения или недопустимые деформации от разрыхления грунтов при проходке буровых скважин. Разработано также новое поколение металлических свай с лопастями от 250 до 800 мм и длиной от 3 до 8 м, которые при прочих равных условиях (надежность, безопасность) эффективнее плитных фундаментов, забивных и набивных свай по индустриальности и стоимости от 20 до 50 %, а в остальных случаях строительства, при значительных моментных, вырывающих нагрузках, возведении коттеджных домов и временных сооружений снижают сроки их возведения до 2–3 раз.
9. Буросекущиеся сваи целесообразны в качестве комбинированных конструкций (несущих и ограждающих), при устройстве заглубленных частей сооружений: стен, ограждений глубоких котлованов и освоении подземного пространства.
10. В настоящее время разработаны, апробированы и нашли широкое применение в массовом гражданском и промышленном строительстве новые индустриальные конструкции монолитных (набивных) свай в пробитых скважинах, по пособию П19–04 к СНБ 5.01.01–99, которые даже в благоприятных грунтовых условиях оказываются экономичнее традиционных не только свайных, но и плитных фундаментов и все чаще вытесняют их по экономической целесообразности.
Особенно эффективны сваи в пробитых (выштампованных, вытрамбованных, раскатанных, проколотых скважинах), изготовленные специальными скважинообразующими штампами (по форме будущей сваи) с последующим заполнением их бетонной или грунтобетонной смесью. Штампы могут быть различной конфигурации. Преимущество таких свай заключается в том, что отпадает необходимость в выемке грунта, который втрамбовывается (вдавливается) в стенки скважины и уплотняет грунт в околосвайном пространстве. Набивные сваи превосходят по несущей способности забивные, экономичнее их по расходу материала, особенно стали, и более эффективны по сравнению с плитными фундаментами на естественном основании. Достоинства набивных свай уплотнения открывают широкие возможности в условиях Беларуси по повышению эффективности, индустриальности и комплексной механизации фундаментостроения при высоком качестве работ.
Проведя проверку и проанализировав данные, РУП «Институт БелНИИС» предложило следующие ресурсосберегающие фундаменты нового поколения, технологии и оборудование для их возведения:
- набивные монолитные сваи в вытрамбованных скважинах коническим штампом различных сечений и длин на базе рыхлителя по способу СТ;
- набивные монолитные грунтобетонные микросваи в бурораздвижных скважинах ∅ 80-150 мм, длиной до l ≤ 3 м по способу СБ (совместно с ООО «ОиФК»);
- набивные монолитные грунтобетонные микросваи в проколотых скважинах ∅ 80-150 мм, длиной до l ≤ 3 м по способу СП (совместно с ООО «ОиФК»);
- набивные монолитные грунтобетонные микросваи в виброштампованных гидромолотом скважинах ∅ 120-150 мм, l = 1,5 м по способу СШ.
Разработанное оборудование для изготовления предложенных свай по способам СТ, СБ, СП, СШ представляют собой технологический комплекс, состоящий из установки для штамповки скважин и вспомогательного оборудования для изготовления грунтобетона и его укладки в скважину. Установка для изготовления скважин бурораздвижным способом состоит из базовой машины с крутящим моментом на вале отбора мощности не менее 2,4 кНм (например, трактор «Беларус»), а для способа СШ с рабочим давлением в гидросистеме – не менее 0,6 МПа (используется экскаватор ЕК) с навесным оборудованием, в виде направляющей (краново‑буровой или гидроманипуляторной) штанги и съемного рабочего буро-виброраздвижного органа диаметром 80-150 мм (для СБ, СП, СШ), 200-300 мм (для СТ) и длиной 1,5-3 м. Вспомогательное оборудование (смеситель) служит для изготовления грунтобетонной (бетонной) смеси и подачи ее в зону укладки.
Для фундаментов применяется грунтобетон, представляющий собой искусственный конструктивный каменный материал, полученный в результате твердения однородной по составу смеси из природного местного грунта, цемента и воды и являющийся самым дешевым местным материалом для изготовления свай.
Методика определения и сопоставления технико-экономических показателей выступает решающим звеном, которое влияет на достоверность оценки эффективности проектных решений фундаментов. При этом рассмотрение технико-экономических показателей основывается на двух факторах: несущая способность и себестоимость 1 м3 железобетона фундамента. Лишь рассмотрение данных показателей в одной связке позволяет дать объективную оценку каждой конструкции и вскрывает действительные причины неэффективности фундамента.
По материалам статьи В. Н. Кравцова и Н. В. Сороки, специалистов РУП «Институт БелНИИС», «Принципы оптимального проектирования и пути повышения эффективности железобетонных фундаментов в грунтовых условиях Республики Беларусь»