де ki – коефіцієнт наближення до граничного стану в i-му кінцевому елементі. Рішення задачі здійснюється методом послідовних навантажень. За ре-

зультатами пружного розрахунку визначається мінімальний для конструкції коефіцієнт наближення до граничного стану, і, якщо він менше чи дорівнює одиниці, у зруйнованих елементах приймається жорсткість (модуль деформації), рівна машинному нулю. Навантаження на ступені навантаження враховуються в цьому випадку як задана величина, помножена на коефіцієнт наближення до граничного стану.

Для елементів, що перейшли в стан течії, перевіряється умова розванта-

ження. Ознакою розвантаження може бути збільшення коефіцієнта k , віднесеного до сумарних напруг, на двох суміжних ступенях навантаження. При цьому

коефіцієнт k обчислюється за формулами (18.67), у яких початкові напруги (з індексом “0”) приймаються рівними нулю, а приріст напруг (з індексом “ s”) – рівним сумарним напругам. Якщо виявлені елементи, у яких відбувається розвантаження, в останніх відновлюється первісна жорсткість (модуль деформації) і виробляється перерахунок конструкції для цього ступеня навантаження.

Результатами рішення задачі є: повні переміщення, напруги й деформації на ступені навантаження; коефіцієнти наближення до граничних станів за напругами та деформаціями; навантаження і впливи, що враховуються на ступені навантаження; графічна інформація про досягнення в елементах системи граничних станів за напругами та деформаціями; протокол рішення задачі з інформацією про досягнення граничних станів в елементах системи і перевизначенні жорсткісних характеристик.

19. ОСНОВИ НАДІЙНОСТІ ТА ЕКОНОМІЧНОСТІ ФУНДАМЕНТОБУДУВАННЯ

19.1. ЧИННИКИ ТЕОРІЇ НАДІЙНОСТІ СИСТЕМИ “ОСНОВА – ФУНДАМЕНТ – СПОРУДА”

Згідно з ГОСТ 27.002-83 надійність – це властивість об’єкта зберігати у часі в установлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здат-

535

ність виконувати потрібні функції у заданих режимах та умовах використання, технічного обслуговування, ремонту, зберігання й транспортування. Однак для будівельних конструкцій поняття надійності може трактуватися в більш вузькому розумінні: як здатність конструкції працювати протягом певного часу без відмови.

Під основою споруди розуміють масив ґрунту, що деформується від зусиль, які передаються на нього фундаментами. Тому надійність основ і фундаментів розглядають спільно з надійністю надземної частини споруди. Під надійністю цієї системи розуміють властивість сприймати весь зовнішній вплив як при виготовленні та зведенні, так і при корисному функціонуванні. Ця система має проектуватися так, щоб вона могла надійно сприймати всі можливі навантаження і передавати їх основі таким чином, щоб деформації основи не перевищували їх граничних значень (граничних осідань Su та Smax, кренів iu, відносної різниці осідань (ΔS/L)u), які наведено у додатку 4 СНиП 2.02.01-83*. Ці значення були отримані дослідним шляхом із спостережень за осіданнями будинків. Вони виходять із граничних моментів за тріщиностійкістю, або з обмеження розкриття тріщин надземних конструкцій, або з іншого фактора.

Поняття “надійність системи “основа–фундамент” (ОФ) є комплексним. Воно містить у собі такі складові: безвідмовність, відмова та довговічність.

Безвідмовність системи (або надійність у вузькому розумінні) – це здатність її безперервно зберігати роботоздатність у певних умовах експлуатації протягом деякого часу. Нормативний строк служби фундаментів будівель I класу капітальності – 150 років, II – 125 і III – 100 років. Приблизно такий же строк експлуатації фундаментів у інших країнах: Угорщині, Бельгії – 150 років, Франції – 100, Швеції –80, Англії – 60 років.

Повну чи часткову втрату якості основи чи фундаменту називають відмовою. Іноді вона визначається чітко, наприклад, руйнування всієї споруди. Тоді звичайно перехід системи з роботоздатного стану в нероботоздатний носить стрибкоподібний характер у часі й називається раптовою відмовою. Частіше відмова буває частковою і зумовлюється монотонним, але необоротним погіршенням параметрів елементів системи, наприклад унаслідок старіння, зносу, корозії фундаментних конструкцій, зволоження, вивітрювання, промерзання ґрунтів основи тощо. Такі відмови поступові. Вихід значень параметрів системи в цілому чи її елементів за граничні межі називають параметричною відмовою.

Крім уже згаданих, є й інші відмови: залежні та незалежні, повні та часткові, стійкі та самоусуваючі тощо. Розрізняють відмови також і за відповідальністю та відмови з неекономічною відповідальністю.

Однією з головних характеристик системи є її ремонтопридатність – здатність системи до попередження, виявлення й усунення різноманітних відмов і відхилень шляхом проведення ремонтів. Ступінь ремонтопридатності системи залежить у першу чергу від її конструктивних особливостей. Як правило, ремонт її можливий лише при поступовій відмові; раптові ж відмови звичайно приводять споруду в граничний стан.

Властивість системи зберігати працездатність й ефективність при існуючій системі ремонтів аж до стану, при якому подальша експлуатація стає не-

536

Звідси середній час безвідмовної роботи дорівнює площі, обмеженій кривою надійності P(t) (рис. 19.1).

Досвід будівництва й експлуатації показує, що навіть для однакових споруд, які зводяться та діють в аналогічних умовах, відмова всієї системи чи окремих її елементів відбувається в різні випадкові моменти часу, отже, неможливо точно вказати час довговічності системи чи конструкції T, а можна лише оцінити ту ймовірність, із якою вони будуть експлуатуватися протягом часу, не меншого, ніж нормативний строк служби.

Результати обстеження технічного стану фундаментів і надземних конструкцій свідчать про досить високий ступінь змінності їх геометричних та фі- зико-механічних характеристик. Навантаження, що діють на систему, за своєю природою є змінними (вага споруди, сніг, вітер, технічне обладнання й ін.). Якщо заміряти їх значення протягом строку експлуатації споруди, то одержимо статичний ряд навантажень від мінімального до максимального. Найбільшим

537

ступенем змінності відзначаються фізико-механічні характеристики ґрунтів основи.

Отже, використання ймовірнісних методів розрахунку, які враховують статистичну неоднорідність основ, випадкову природу навантажень, змінність геометричних параметрів фундаментів і фізико-механічних властивостей їх матеріалів тощо, дозволяє проектувати споруди із заданою надійністю, тобто можна більш обґрунтовано визначити граничні деформації для системи “споруда

– фундамент – основа” (СФО). Але сучасні методи розрахунку основ за граничними станами, хоч і використовують методи математичної статистики для визначення характеристик міцності ґрунту основи (згадаємо коефіцієнт надійності γg (див. п.4.7)), не дають змоги оцінити надійність системи.

Таким чином, згідно зі СНиП 2.02.01-83* виконання умов (12.2) і (12.3) – показник надійності системи СФО. Однак при цьому неможливо повністю оцінити ступінь надійності системи, тому що при виконанні умови (12.2) надійність системи завжди оцінюється одиницею: P(t)=1. Не враховується той факт, що при граничному осіданні Su=10 см для однієї споруди S=3 см, а для іншої S=9,9 см. В обох випадках співвідношення (12.2) виконується, але ж, зрозуміло, що при S=3 см система має більш високий рівень надійності. Та критерії (12.2) і (12.3) цього не враховують. З іншого боку, якщо S=10,1 см, то згідно з нормами надійність стрибкоподібно падає з одиниці до нуля. Це також дефект розрахунку за методом граничних станів, бо виникає суперечність відомому принципу безперервного плавного зменшення рівня надійності.

До недоліків умови (12.3) також відносять уведення до виразу постійних коефіцієнтів γc та γn, які не дають можливості оцінити вплив змінності їх кількісних значень на остаточний рівень надійності даної системи.

Основними факторами, що визначають надійність основ і фундаментів, є:

-загальнонормативні положення (номенклатура граничних станів основи й конструктивних елементів фундаментів та споруди в цілому за класом її капітальності; критерії оцінки граничних станів основ і конструктивних елементів споруди за класом її капітальності; номенклатура навантажень та дій на основу,

атакож їх сполучень);

-відповідність прийнятих схеми і методу розрахунку основи дійсним умовам її роботи в кожному конкретному випадку;

-достовірність опису інженерно-геологічних умов будівництва споруди, отриманого в процесі польових досліджень;

-достовірність вихідних матеріалів про фізико-механічні характеристики ґрунтів основи, отриманих за результатами польових і лабораторних методів їх випробувань з урахуванням походження ґрунтів, умов їх природного залягання, структури та будови (якість відбору, пакування, транспортування і зберігання зразків ґрунту для лабораторних досліджень; методика визначення властивостей ґрунтів у лабораторних умовах; методика обробки результатів вивчення властивостей ґрунту й визначення розрахункових характеристик);

-достовірність матеріалів про навантаження та дії, яким підлягають основи споруди при їх експлуатації;

-обґрунтований вибір варіанта влаштування основи і фундаментів;

538

-обґрунтована технологія зведення підземної частини будівлі;

-правильність реалізації проектних вирішень у процесі будівництва, що забезпечується засобами контролю за якістю та передбаченою технологією виконання робіт (якість і однорідність матеріалів, що використовуються для влаштування основ; якість робіт із з’єднання фундаментів із ґрунтовою основою; погодно-кліматичні умови, за яких виконують роботи; здатність механічних властивостей основи змінюватись у процесі будівництва під впливом техногенних і кліматичних факторів, у тому числі з урахуванням чинника часу та темпу зведення споруди; відповідність між проектними та зведеними елементами фундаментів і основ тощо);

-умови експлуатації системи СФО (номенклатура вимог технічної експлуатації; система контролю технічного стану її; впровадження плановопопереджувальних оглядів та ремонтів; рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу).

Кількісний опис більшості з перелічених факторів у всій складності їх взаємодії під час фактичної роботи основ споруд необхідно виконувати з урахуванням мінливості як властивостей ґрунтів основ, так і навантажень та дій, які впливають на них через фундаменти від надземних конструкцій.

Закономірності мінливості кількості відмов фундаментів n за часом їх експлуатації t наведені на рис. 19.2, а вартості ремонту фундаментів c залежно від часу їх експлуатації t – на рис. 19.3. Кількість відмов окремих фундаментів прямолінійно зростає з часом експлуатації. Для стрічкових фундаментів спершу кількість відмов зростає значно швидше, ніж для окремих (період припрацювання), а потім вона майже постійна (період нормальної експлуатації), а в період зносу швидкість зростання кількості відмов стрічкових фундаментів знов перевищує цей показник для окремих фундаментів. Для стрічкових фундаментів вартість ремонту зростає до максимуму в період припрацювання, потім у період нормальної експлуатації майже стабілізується, а потім, із виникненням зносу, знову зростає. Для окремих фундаментів ця вартість, як і кількість відмов, зростає прямолінійно з початку експлуатації.

Із часом матеріал фундаментів зношується. Погіршення експлуатаційної

539

якості відбувається під впливом нерівномір- Фк ного осідання будови, динамічних дій на систему СФО, зволоження, висушування, періодичного проморожування і відтавання, дії солей і кислот, корозії металу, неоднорідності матеріалу фундаментів і підвищення напруг на контакті фундаментів із ґрунтом,

гниття деревини тощо. Кожен із цих процесів призводить до зменшення міцності матеріалу та експлуатаційних властивостей фундаментів.

Графік зростання фізичного зносу фундаментів із часом їх експлуатації наведено на рис. 19.4. Аналіз матеріалів об-

стеження фундаментів більше ніж 800 будинків у Москві показав, що знос фундаментів проходить інтенсивно у перший період експлуатації (20-30 років) і потім після 90-100 років служби будинку.

Фізичний знос конструкцій фундаментів визначають відповідно до ВСН 53-86 (“Правила оценки физического износа жилых зданий”) за формулою

Визначений фізичний знос фундаментів ураховують для призначення строків та обсягів ремонтних заходів за схемою: технічне обслуговування, поточний ремонт – безперервні заходи; капітальний ремонт – дискретний захід. У випадку зносу фундаментів і стін на 60% реконструкція будови недоцільна.

Виділяють кілька груп причин відмови системи СФО.

Помилки при інженерно-геологічних дослідженнях:

540

-недостатній обсяг робіт;

-помилкова оцінка властивостей ґрунту основи;

-відсутність чи помилковість прогнозу про можливі зміни властивостей ґрунтів основи під впливом гідрогеологічних або техногенних факторів;

-неврахування історії формування інженерно-геологічних умов ділянки будівництва.

Хоч помилки цієї групи досить поширені, але вони важко піддаються врахуванню у зв’язку з тим, що проявляються в період як будівництва, так і експлуатації. Ці помилки можуть бути виявлені лише у випадку відмови того чи іншого виду.

Помилки при проектуванні фундаментів та основ:

-неврахування зміни властивостей ґрунту основи й навантажень у межах будинку чи споруди;

-помилковий вибір розрахункової схеми та неправильне трактування вимог нормативних документів;

-неврахування швидкості завантаження фундаментів на слабких ґрунтах;

-неврахування впливу на деформації будинків завантаження сусідніх із ними ділянок;

-відсутність конструктивних заходів для надземної частини будинків;

-помилкове інтерпретування результатів випробувань паль і фундаментів, які виготовляються без виймання ґрунту;

-використання для просадочних ґрунтів фундаментів на природній основі без попереднього поліпшення властивостей ґрунту та прийняття конструктивних і водозахисних заходів або неправильне застосування методів часткового усунення просадочних властивостей, неправильне проектування водонесучих мереж, які надалі стають систематичними джерелами замочування тощо.

Відмови системи, пов’язані із зміною характеристик ґрунту основи й фундаментів, унаслідок будівельних робіт:

-неправильне виконання збезводнювання ґрунту шляхом відкритого водовідливу в дрібнодисперсних ґрунтах, порушення властивостей ґрунту через пересування механізмів, вибухові роботи;

-порушення правил виконання палебійних робіт та штучних основ;

-порушення правил виконання основ і фундаментів узимку, наслідком чого є промерзання ґрунту основи та його випинання;

-замокання ґрунтів основи у відкритих котлованах;

-неправильне виконання робіт із улаштування зворотного засипання навколо фундаментів і відсутність вимощень;

-неправильна “консервація” будівництва тощо.

Ця група найбільш чисельна (більше ніж 40% відмов). Звичайно, що в

більшості випадків вони можуть бути усунені при дотриманні відповідних технічних умов та правил виконання робіт.

Відмови системи під час експлуатації:

- неправильна експлуатація (однобічне навантаження фундаментів, витоки виробничих та побутових вод, некваліфіковане проведення робіт поряд з об’єктами й ін.);

541