книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

Рис. 18.10. Схема к учету условий фундаментостроения для проекта планировки района освоения со слабыми грунтами:

1 — ленточные фундаменты на естественном основании; 2 — то же, на песчаной подушке; 3 — сплошная плита; 4 — то же, на песчаной подушке; 5 — сваидлинойдо 16 м; 6 — то же, длиной более 16м, стыкованные; 7 — глубокиеопоры,сваи-оболочки и др.; 8 — моренная порода; 9 — морена и межморенные слои; 1 0 — надморенная толща слабых грунтов; 11 — намытый слой; 12 — торф (открытый и погребенный)

Затем для каждого типа инженерно-геологического комплекса экономическим расчетом определялась целесообразность исполь­ зования того или иного типа фундамента. Это позволило разрабо­ тать принципиальную схему устройства тех или иных конструкций фундаментов в определенных инженерно-геологических условиях (рис. 18.10). Горизонтальный масштаб геологического разреза от­ ражает процентное содержание площади данного типа комплекса в пределах застраиваемой территории, вертикальный — мощность главных инженерно-геологических элементов.

Данные рис. 18.10 были использованы для зонирования площади застраиваемой территории по условиям целесообразности устрой­ ства фундаментов того или иного типа (рис. 18.11).

Схема зонирования позволила архитекторам-планировщикам разработать оптимальные проекты комплексной застройки терри­ тории не только с позиции использования рельефа местности и гра­ достроительных принципов, но и с учетом оптимального исполь­ зования различных типов фундаментов.

Зонирование территории на уровне квартальной и микроквар­ тальной планировки требует уже не качественного анализа, а коли­ чественного содержания, т. е. учета возможной стоимости фун­ даментов и других видов затрат, размеры которых определяются конкретными инженерно-геологическими условиями. Такое деталь­ ное зонирование принесет реальный экономический эффект через

501

планировочное решение застройки если: а) в соста­ ве квартала предусмотре­ ны дома различной этаж­ ности; б) характер напла­ стования и другие компо­ ненты инженерно-геоло­ гических условий изменя­ ются существенно; в) пла­ нировщик имеет опреде­ ленную свободу маневра в пределах планируемой застройки.

Тогда стоимостная оценка отдельных участ­ ков территорий выполня­ ется в том же порядке, что и составление гене­ ральной схемы, но с более

высокой степенью детальности, т. е. задача сводится к перебору многочисленных вариантов с помощью ЭВМ. Соответствующая программа разработана в Санкт-Петербургском архитектурностроительном университете. Реальные проработки для осваиваемой территории развития Санкт-Петербурга показали, что изложенная выше методика позволяет получить большой экономический эф­ фект, существенно снизить стоимость 1 м2 площади жилых и обще­ ственных зданий, а также максимально избежать неожиданных неприятностей при застройке крайне сложной в инженерно-геологи­ ческом отношении территории.

Глава 19 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ СООРУЖЕНИЙ

19.1. Вариантное проектирование — роль точных знаний и интуиции

Современный уровень развития механики грунтов и фундаментостроения обеспечивает возможность реализации оптимального проектирования оснований и фундаментов зданий и сооружений. В общем случае такое проектирование представляет собой следу­ ющий комплекс взаимосвязанных операций.

1. Оценка инженерно-геологических, инженерно-геодезических, инженерно-гидрогеологических данных о территории строительст­

502

ва, представление основания в виде расчетной схемы, отражающей особенности строения, состояния и свойств грунтов, их изменчи­ вость в плане и по глубине, процессы, которые могут развиваться

врезультате строительства и эксплуатации сооружения.

2.Анализ конструктивной схемы и технологических особенно­ стей сооружения (определение нагрузок и воздействий, передава­ емых соружением на основание; оценка чувствительности несущих

конструкций к неравномерным деформациям; обеспечение техноло­ гических требований к размещаемому в сооружении производству).

3. Выбор возможных вариантов типов оснований и фундамен­ тов применительно к особенностям конкретной площадки стро­ ительства, конструктивной схеме и технологическим особенностям проектируемого сооружения с учетом технических возможностей местной базы строительной индустрии и строящих организаций.

4.Расчет и проектирование по предельным состояниям основа­ ний и фундаментов выбранных вариантов.

5.Определение методов производства работ по подготовке ос­ нований, строительству фундаментов и подземной части сооруже­ ния применительно к рассматриваемым вариантам оснований и фу­ ндаментов.

6.Принятие оптимального проекта оснований и фундаментов на основе технико-экономического анализа рассматриваемых вари­ антов по минимуму приведенных затрат, сметной стоимости, тру­ доемкости изготовления и возведения, продолжительности работ,

капитальным вложениям в материально-техническую базу строите­ льства, возможным дополнительным расходам в период эксплу­ атации сооружений.

Такой подход удовлетворяет в конкретном проекте требованиям основных положений проектирования оснований и фундаментов:

обеспечение прочности и нормальной эксплуатации зданий и со­ оружений (деформации сооружения, обусловленные неравномерными осадками основания, не должны превышать допустимых величин); максимальное использование прочностных и деформационных

свойств грунтов основания и прочности материалов фундамента; достижение минимальной стоимости, материалоемкости и тру­

доемкости, сокращение сроков строительства сооружения и ускоре­ ние ввода его в эксплуатацию.

Таким образом, вариантное проектирование является основным принципом проектирования фундаментов и оснований зданий и со­ оружений.

При этом важно, чтобы все альтернативные варианты отвечали условиям сопоставимости, т. е. уровень детальности исходных дан­ ных и степень проектной проработки каждого варианта должны быть одинаковы. Только при таких условиях можно с уверенностью принять оптимальное решение. Опыт показывает, что достигаемая таким образом экономия может составлять 10...15% стоимости работ нулевого цикла.

503

Вариантное проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений является сложной многофакторной задачей. Много­ образие климатических и инженерно-геологических условий реаль­ ных площадок строительства, большая изменчивость характеристик физико-механических свойств слагающих их грунтов, огромный диапазон конструктивных и технологических особенностей различ­ ных зданий и сооружений промышленного, гражданского, админи­ стративного, культурно-бытового и других назначений — все это приводит к необходимости индивидуального подхода к проектиро­ ванию фундаментов каждого сооружения на определенной площад­ ке строительства.

Широкий спектр конструктивных типов фундаментов (фундаме­ нты мелкого заложения — столбчатые, ленточные, прерывистые, перекрестные, плитные и т. п., свайные фундаменты, различающие­ ся по материалу, конструкции, способу изготовления, более слож­ ные типы фундаментов), с одной стороны, обеспечивает возмож­ ность реализации наиболее выгодных вариантов для конкретных условий, с другой — делает задачу проектирования еще более гро­ моздкой в техническом отношении. Наконец, необходимость учета при технико-экономическом анализе вариантов особенностей мате­ риально-технической базы района строительства (наличие мощно­ сти и номенклатура продукции заводов железобетонных изделий, их отдаленность от площадки строительства, обеспеченность транс­ портом, крановым, сваебойным и другим оборудованием), в свою очередь, резко повышает многофакторность задачи.

При таких условиях проблема проектирования оснований и фун­ даментов содержит в себе следующие противоречия:

каждый элемент комплекса (изыскания; расчеты оснований и фу­ ндаментов, конструирование фундаментов и улучшение оснований) основывается на точных, экспериментально-теоретически обосно­ ванных знаниях, составляющих предмет дисциплин области фундаментостроения;

выбор для детального анализа ограниченного количества наибо­ лее подходящих вариантов технических решений оснований и фун­ даментов в конкретных условиях строительства во многих случаях не может быть регламентирован строго определенными правилами и часто производится на интуитивном уровне, зависящем от опыта проектировщика.

Конечно, во многих случаях уже исходные данные для проек­ тирования (характеристики строительной площадки, нагрузки и ко­ нструктивная схема сооружения и т. д.) дают направление такого выбора (естественное или искусственное основание, способы улуч­ шения свойств грунтов и т. п., фундаменты мелкого заложения или свайные фундаменты и т. д.). Однако это именно лиш ь направление выбора, так как установление оптимального (проектного) варианта решения должно основываться только на тщательном технико­ экономическом анализе сравниваемых вариантов, и чем больше

504

вариантов решений будет рассмотрено, тем больше вероятность того, что принятое решение будет действительно Оптимальным.

На современном этапе развития проектного дела в фундаментостроении обычно выполняется такая последовательность опера­ ций:

составляются эскизные проработки реальных для рассматрива­ емого случая вариантов решений (уже здесь удачный выбор ограни­ ченного числа решений во многом зависит от опыта проектиров­ щика);

отбрасываются наиболее неприемлемые по тем или иным причи­ нам варианты (в качестве критерия оценки могут служить повероч­ ные расчеты, условия производства работ, матерально-техническая база строительства и т. п.);

для одного (или нескольких) наиболее загруженных фундамен­ тов производится расчет выбранных вариантов, как правило, не менее трех для каждого фундамента;

производится технико-экономическое сравнение вариантов фун­ даментов, удовлетворяющих условиям расчета по предельным со­ стояниям. На этой основе выбирается проектный вариант.

Естественно, при этом надо помнить, что в сооружении имеются и другие фундаменты, которые также должны соответствовать условию оптимального решения. Надо также иметь в виду, что в отдельных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании может оказаться выгодным применение более дорогих конструктивных решений, если при этом возникают опасения в дли­ тельной безаварийной работе сооружения или обеспечивается уско­ рение ввода объекта в эксплуатацию и получение за счет этого дополнительной продукции.

Определенную информацию, способствующую выбору вариан­ тов решений, может дать анализ опыта строительства и эксплу­ атации подобных зданий на соседних участках в сходных инженер­ но-геологических условиях. В процессе проектирования все положи­ тельные и отрицательные элементы этого опыта должны быть тщательно изучены. Однако «проектирование по аналогам» не все­ гда может являться надежным критерием правильности решений оснований и фундаментов. Известно достаточное число случаев, когда обратными расчетами было показано, что нормально эксплу­ атируемые здания и сооружения имели чрезмерные запасы прочно­ сти в конструкциях фундаментов, т. е. были запроектированы эко­ номически нецелесообразно.

В то же время проектировщик должен иметь в виду, что практи­ ка строительства постоянно обогащается новыми конструктивными типами фундаментов, а диапазон применения способов улучшения грунтов и механизация таких работ неуклонно расширяются. По­ этому и выбор возможных вариантов оснований и фундаментов не должен ограничиваться традиционными, «лежащими на поверхно­ сти» решениями. Инженер-проектировщик обязан постоянно рас­

505

ширять свою информационную базу, пополнять свои знания с по­ мощью технической литературы, что позволит ему в конкретных условиях наилучшим образом выбрать варианты рассматриваемого решения.

Указанное выше противоречие между «точными знаниями» и «интуицией» при вариантном проектировании фундаментов по­ зволяет наметить пути оптимизации этого процесса. В предыдущих главах учебника было показано, что каждый элемент расчета и про­ ектирования оснований и фундаментов представляет собой, как правило, достаточно простую в математическом отношении задачу, так как заключается в последовательном расчете определенных показателей по весьма несложным формулам, сравнении получа­ емых результатов и выборе наиболее целесообразного решения. Сложность заключается в многообразии факторов, которые прихо­ дится учитывать при решении задачи, в «переборе вариантов», т. е. в необходимости проведения большого количества относительно простых, но трудоемких расчетов.

Отсюда возникает естественное стремление проектировщика пе­ реложить часть рутинного, однообразного труда на ЭВМ, оставив за собой лишь творческие, наиболее ответственные элементы процесса.

Таким образом, цель автоматизации расчетов и проектирования оснований и фундаментов заключается в том, чтобы все имеющиеся в области фундаментостроения знания (информационные ресурсы) сделать активными.

Под активными информационными ресурсами (по Г. Р. Громо­ ву}* понимается та часть информации, которая может быть форма­ лизована и помещена в машинные носители в виде работающих программ, содержащих профессиональные знания, навыки, тексто­ вые, графические, справочные и другие материалы. Эта информация должна быть доступна для автоматизированного поиска, хранения и обработки. Некоторые вопросы этой проблемы рассматриваются в § 19.2.

Специалисты в области информатики считают, что отношение объема активных информационных ресурсов к общему объему на­ копленных профессиональных знаний в скором времени станет од­ ним из важнейших экономических показателей, характеризующих эффективность использования национальных богатств страны.

19.2. Принципы построения систем автоматизированного проектирования в фундаментостроении

При изложении дальнейших материалов настоящей главы будем исходить из того, что студенты знакомы с основами программиро­

*Громов Г. Р. Национальные информационные ресурсы: проблемы промышлен­ ной эксплуатации. М., 1985.

506

вания для решения задач автоматизированного расчета и проек­ тирования в строительстве.

Под системой автоматизированного проектирования (САПР) будем понимать систему средств и способов их эксплуатации, обес­ печивающую совместно с традиционными средствами возможность проектирования намеченного объекта, основанную на преимущест­ венном использовании математических методов и средств перера­ ботки информации (Г. А. Геммерлинг, 1987). Поскольку основания

ифундаменты являются частью любого здания или сооружения, систему автоматизированного проектирования оснований и фун­ даментов (САПР ОиФ) в принципе следует рассматривать как один из комплексов общей САПР СТРОИТЕЛЬСТВО.

Внаиболее передовых отраслях науки и техники (ракето- и само­ летостроение ит. п.) подобные универсальные системы уже созданы

иуспешно работают. Создание общей САПР СТРОИТЕЛЬСТВО и,

вчастности, обобщенной САПР ОиФ — дело недалекого будущего.

Впринципе возможно формализовать всю информацию, обес­

печивающую процесс проектирования оснований и фундаментов любых зданий и сооружений в любых инженерно-геологических условиях. Возможна также разработка программных комплексов для расчетов различных типов фундаментов, для технико-экономи­ ческой оценки различных вариантов, т. е. в конечном счете — для автоматизированного выбора проектного варианта фундаментов конкретного здания в конкретных инженерно-геологических услови­ ях. Имеются или могут быть разработаны программы для различ­ ных форм представления любой информации, включая данные о проектном варианте (числовые характеристики, ссылки на аль­ бомы типовых конструкций, рабочие чертежи, сметно-финансовая документация и т. п.) .Таким образом, принципиальных постано­ вочных сложностей построение САПР ОиФ не вызывает. Однако разработка такой обобщенной системы связана с большими тех­ ническими и организационными трудностями: необходимостью хранения огромной информации, обеспечением выборки из нее тре­ буемых данных и посылки их в определенные модули системы, включение новых и удаление устаревших данных, выполнение мно­ гочисленных разнообразных расчетов и т. д.

Сложнейшая система такого рода будет иметь модульную стру­ ктуру и должна состоять из отдельных элементов: базы данных — хранилища информации; комплексов специальных программ — си­ стемного обеспечения подачи команд ЭВМ, связи элементов систе­ мы, связи программных комплексов в отдельные модули, связи между модулями системы и т. д.; комплексов прикладных про­ грамм для численного решения отдельных групп задач и конкрет­ ных частных задач.

Обобщенную САПР ОиФ можно представить в виде модели на рис. 19.1. Рассмотрим в самом обобщенном виде назначение основ­ ных модулей этой модели.

507

ввод н обработка данных — комплекс программ, обеспечива­

ющих ввод всей исходной информации, необходимой для проек­ тирования, обработки и сортировки данных, контроль грубых оши­ бок, возникающих при подготовке данных, сообщение об этих ошибках пользователю. Ввод исходных данных может осуществ­ ляться как в пакетном, так и в диалоговом режиме работы.

Программное обеспечение управлением данных обеспечивает на­ правление необходимой информации в другие модули и в базу данных, извлечение необходимой информации из базы данных и пе­ редачу ее в соответствующие модули, введение в базу данных новой информации и удаление устаревшей и т. п. Разработка программно­ го обеспечения этого модуля является одной из важнейших задач системных программистов.

База данных содержит совокупность всей операционной инфор­ мации, используемой при проектировании и регламентируемой дей­ ствующими ГОСТами, СНиПами, сортаментами, руководствами и другими нормативными документами. Объем информации, содер­ жащейся в базе данных, зависит от состава решаемых задач и опре­ деляет уровень разработки САПР ОиФ.

Уже приведенное перечисление информации, хранящейся в базе данных, позволяет сделать вывод о сложности задачи разработки обобщенной системы САПР ОиФ. Эта информация лавинообразно возрастает с увеличением числа задач, решаемых системой. Форми­ рование базы данных возможно только с использованием внешних носителей памяти мощных ЭВМ (диски, магнитные ленты и т. п.)

База данных содержит информацию для многих пользователей. Это предполагает, что каждый отдельный пользователь связан с небольшой частью этих данных, но массивы данных различных пользователей перекрываются и могут совместно использоваться различными пользователями.

Программное обеспечение задач расчета н проектирования. Этот модуль состоит из многих подсистем, включающих комплексы программ для решения групп конкретных задач, некоторые из них показаны на рис. 19.1. Естественно, они могут дополняться и други­ ми подсистемами, например опускные колодцы, «стена в грунте», фундаменты на набухающих грунтах и т. д. Это также приводит к увеличению объема информации базы данных. Для того чтобы иметь возможность сравнения вариантов по технико-экономичес­ ким показателям, в этом модуле на рис. 19.1 выделена подсистема технико-экономического анализа и выбора проектного варианта.

Программное обеспечение решения частных задач. В пределах каждой группы задач имеются частные задачи, требующие состав­ ления отдельных программ. Например, для фундаментов на естест­ венном основании — для столбчатых, ленточных, плитных, щеле­ вых фундаментов и т. д. На рис. 19.1 переход к таким частным задачам от соответствующих подсистем показан лучами и в до­ статочной форме расшифрован для варианта столбчатого и ленточ-

508

Рис. 19.1. Модель обобщенной системы автоматизированного проектирования оснований и фундаментов

ного фундаментов. Первый из блоков этого варианта в принципе соответствует блок-схеме, которая будет приведена в § 19.3.

Программное обеспечение представления данных обеспечивает вывод информации о проектном варианте основания и фундамента в различной форме, указанной на рис. 19.1 соответствующими блоками. Эта информация обязательно сопровождается сметно-фи­ нансовой документацией.

Хотя приведенное выше описание дает лишь самые общие пред­ ставления о модели САПР ОиФ, уже из него становится понятна сложность создания обобщенной системы. Ее разработка потребует напряженного совместного труда проектировщиков-пользователей, специалистов в области механики грунтов и фундаментостроения и профессиональных системных аналитиков-программистов, осно­ ванного на едином методологическом подходе. Трудности, которые подостерегают разработчиков на этом пути, детально и очень об­ разно рассмотрены в цитированной выше монографии Г. Р. Громо­ ва. Поэтому на практике сегодня используется более простой путь создания САПР — макетирование или разработка макетов про­ грамм.

Макет — это грубо выполненная с соблюдением необходимого минимума исходных требований программная система, позволя­ ющая пользователю реализовывать решение требуемых задач. Счи­ тается, что макеты должны разрабатывать пользователи (проек­ тировщики), владеющие программированием, а не профессиональ­

509

ные программисты. Это объясняется тем, что часто пользователю значительно проще самому сделать грубую программу, чем пытаться объяснить профессиональному программисту, не являющемуся спе­ циалистом в области проектирования, требования к такой програм­ ме. Вместе с тем создание макета позволяет в дальнейшем пользова­ телю и программисту конкретизировать общее понимание проблемы. В результате профессиональный программист с гораздо меньшими затратами может довести разработанный пользователем макет до программного продукта, т. е. логически целесообразной системы, универсальной для решения рассматриваемого класса задач.

Бурное развитие в прахтике проектирования применения пер­ сональных ЭВМ открывает широкие перспективы в реализации такого подхода. Предполагается, что в 90-х годах более 90% от всего объема коммерчески доступного программного обеспечения будут составлять программы для персональных ЭВМ. Поэтому каждый студент — будущий инженер, занятый проблемами фундаментостроения,— должен иметь представление о тех принципах автоматизированного проектирования оснований и фундаментов, с которыми он будет иметь дело в ближайшие годы.

19.3. Автоматизация расчетов оснований и фундаментов

Расчет и проектирование оснований и фундаментов промышлен­ ных и гражданских зданий базируется на положениях нормативных документов, в которых используются решения задач механики грун­ тов и смежных дисциплин (инженерной геологии, железобетонных конструкций, технологии строительного производства, экономики строительства и т. д.). Автоматизация расчетов, создание макета включают следующие этапы: 1) математическая постановка (форм­ ализация) задачи; 2) выбор метода решения задачи; 3) алгорит­ мизация решения; 4) написание программы.

Рассмотрим последовательно указанные выше этапы автомати­ зации расчетов на простейшем примере. При этом специально, чтобы не загромождать последующее изложение, упростим задачу, оставив в стороне все дополнительные сложности, обычно возникающие при решении подобной задачи. Пусть требуется разработать программу для расчета размеров подошвы центрально нагруженного ленточно­ го или квадратного столбчатого фундамента при неизвестном значе­ нии расчетного сопротивления грунтов основания. Примем основа­ ние ниже подошвы фундамента однородным (рис. 19.2).

Математическая постановка (формализация) задачи. Этот этап подразумевает запись задачи на точном, формальном языке мате­ матики. Для этого необходимо представить ход решения в виде последовательности четких правил. Считается, что хорошо выпол­ нить этап формализации — значит сделать половину всей работы по созданию программы.

На этапе формализации задачи определяют состав и характер

510