РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ ФУНДАМЕНТОВ В ИНДИВИДУАЛЬНОМ ЖИЛИЩНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

​DEVELOPMENT OF A DATABASE FOR PRELIMINARY SELECTION OF FOUNDATION DESIGN IN INDIVIDUAL HOUSING CONSTRUCTION

Osipov Aleksandr Aleksandrovich

Master's student, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается решение проблемы предварительного выбора типа фундаментов при строительстве индивидуального жилого дома методом создания научно обоснованной информационной базы возможных решений, привязанных к инженерно-геологическим условиям района строительства. Кратко описана проблема и предпосылки для её решения указанным методом. Рассмотрены основные этапы исследования и его результаты. Представлены возможные перспективы дальнейших исследований по теме и возможности для применения их результатов.

ABSTRACT

This article examines the solution to the problem of pre-selecting foundation types during the construction of a detached house by creating a scientifically based database of possible solutions tailored to the engineering-geological conditions of the construction area. The problem and the prerequisites for solving it using this method are briefly described. The main stages of the study and its results are reviewed. Potential prospects for further research on this topic and the potential applications of these findings are presented.

Ключевые слова: индивидуальное жилищное строительство; фундаменты; инженерно-геологические условия; материалоёмкость.

Keywords: individual housing construction; foundations; engineering-geological conditions; material consumption.

Введение

Индивидуальное жилищное строительство (ИЖС) имеет свои особенности. Одной из них является совмещение одним человеком ролей и выполнение функций застройщика, заказчика и будущего эксплуатанта. Такая ситуация наиболее распространена при строительстве индивидуального жилья. При этом, чаще всего, застройщик самостоятельно осуществляет строительство. Выбор конструктивных решений фундаментов в таких условиях, как правило, осуществляется без достаточного обоснования, в условиях нехватки информации. Индивидуальное вариантное проектирование в таких условиях применяется редко. Это объясняется значительной стоимостью таких услуг, включающих в себя инженерные изыскания. Выбор фундаментов осуществляется застройщиком самостоятельно, на основе мнения друзей, знакомых, сведений из непроверенных источников или общих рекомендаций из технической и популярной литературы. Последствия такого выбора могут проявиться в виде дефектов или аварийных состояний вышележащих конструкций.

Одним из решений описанной проблемы может стать создание баз данных, разработанных для конкретных инженерно-геологических условий (ИГУ) районов существующего и перспективного ИЖС. Такие базы данных должны содержать в наглядной, пригодной для сравнения форме технико-экономические показатели вариантов фундаментов основных типов, рассчитанных для широкого диапазона нагрузок, характерных для малоэтажных жилых зданий. Этот диапазон должен включать в себя нагрузки от зданий допускаемой этажности, спроектированных из всех основных применяемых материалов в разных сочетаниях. Такие базы данных, находящиеся в свободном доступе, помогут индивидуальным застройщикам сравнить затраты при строительстве фундаментов разных типов для выбранного конструктивного решения надземной части в выбранном или предполагаемом для строительства месте. Также предлагаемые к разработке базы данных могут быть полезны проектным и подрядным организациям на этапе предварительного проектирования. Предпосылками для создания подобных баз данных являются постоянное накопление результатов инженерно-геологических изысканий, проводимых в районах существующей и перспективной малоэтажной застройки, а также развитие программных комплексов для расчёта оснований и фундаментов.

Целью исследования является разработка базы данных для предварительного выбора конструкций фундаментов в ИЖС. База данных будет разрабатываться для конкретных инженерно-геологических условий и должна содержать информацию, достаточную для сравнения и предварительного выбора типа фундаментов.

Основная часть

В процессе работы были решены несколько задач. На основе изучения разных источников были рассмотрены и классифицированы конструкции из всех основных материалов, применяемых в строительстве индивидуальных жилых домов [1-4]. Всего было выделено 126 вариантов сочетаний конструкций по материалам и этажности. Для обозначения вариантов были введены буквенно-цифровые обозначения, показывающие основные материалы стен, перекрытий и крыш, а также количество этажей (рис.3). Для этих вариантов были собраны нагрузки в основном сочетании для расчётов по 1 и 2 группам предельных состояний согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

В качестве региона исследования была принята территория основной части Санкт-Петербурга. ИГУ данного региона являются сложными и отличаются в разных районах [5-6]. На основе исследований прошлых лет [7] было принято инженерно-геологическое районирование территории Санкт-Петербурга по ИГУ и сделанная на его основе типизация геологических разрезов по инженерно-геологическим районам (рис.1, 2) [8]. На основе принятых данных в геотехническом программном комплексе PLAXI 2D были смоделированы грунтовые условия по выделенным районам и фундаменты основных типов [9-10].

Рисунок 1. Схема инженерно-геологических районов Санкт-Петербурга (по Д.Сапину [8])

Рисунок 2. Типизация геологических разрезов к схеме на рис. 1 (по Д. Сапину [8])

Расчёты вариантов фундаментов были проведены для всех вариантов сочетаний конструкций надземной части и всех грунтовых условий. В процессе расчётов размеры ленточных и плитных фундаментов, а также длина, сечение и шаг свай подбирались так образом, чтобы предельные значения максимальных осадок S и относительных осадок ΔS не превышали 100мм и 0,002 соответственно. Для полученных вариантов фундаментов была рассчитана материалоёмкость. Так как расчёты велись по крайним значениям участков диапазона нагрузок, промежуточные значения были найдены при помощи линейной интерполяции. Полученные значения материалоёмкости были сведены в таблицы, позволяющие наглядно видеть затраты материалов для фундаментов разных типов, работающих под нагрузками от определённого сочетания конструкций надземной части в конкретных ИГУ (рис.3).

Рисунок 3. Фрагмент таблицы материалоёмкости фундаментов основных типов

В процессе анализа результатов расчётов были рассмотрены зависимости материалоёмкости фундаментов от их типа, величины нагрузок и инженерно-геологических условий. На рис. 4 представлены гистограммы минимальных и максимальных значений объёмов фундаментов основных типов по инженерно-геологическим районам. Полученные гистограммы показывают, что рост объёма конструкций при увеличении нагрузки происходит у разных типов фундаментов неодинаково. Наиболее значительно возрастает объём свайных фундаментов, объёмы плитных фундаментов возрастают менее значительно, ленточные фундаменты увеличиваются в объёме меньше, чем свайные и плитные. Это связано с тем, что уже при минимальных, для рассматриваемого диапазона, нагрузках ленточные и плитные фундаменты имеют довольно значительный объём.

Рисунок 4. Объёмы вариантов фундаментов основных типов по районам ИГУ

Также было выяснено, что при небольших нагрузках наименьшую материалоёмкость имеют свайные фундаменты. Минимальные и максимальные значения материалоёмкости разных типов фундаментов по инженерно-геологическим районам, величины соотношений максимальных и минимальных значений материалоёмкости, и другие параметры представлены в таблице 1.

Таблица 1

Значения материалоёмкости М фундаментов разных типов и связанных параметров

Обобщённые геологические разрезы (грунтовые колонки) по инженерно-геологическим районам Санкт-Петербурга в схематичном виде представлены на рисунке 5. Для удобства сравнения колонки приведены без привязки к высотным отметкам. На рисунке хорошо видны отличия в строении грунтовых напластований разных инженерно-геологических районов Санкт-Петербурга. Отличия по составу и толщине составляющих колонки грунтовых слоёв определяют различия строительных свойств оснований, сложенных этими грунтами.

Рисунок 5. Обобщенные геологические разрезы по районам 1-13 ИГУ (указаны взаимное расположение и мощность основных грунтовых слоёв от дневной поверхности без указания абсолютных отметок)

На рисунках 6-8 показаны диаграммы зависимости объёмов фундаментов разных типов от величины действующих на них нагрузок в различных инженерно-геологических условиях. На диаграммах хорошо заметно, что мощность слабых, легко деформируемых грунтовых слоёв, к которым относятся техногенный слой t H, морские и озёрные отложения ml Ⅳ и озёрно-ледниковые отложения lg Ⅲ влияет на объём фундаментов всех типов. При увеличении мощности указанных слоёв рост объёма фундаментов происходит быстрее при увеличении нагрузки. Наиболее это заметно на примере района 4 (рис. 7), где ИГУ наиболее неблагоприятны. В районах, где мощность легкодеформируемых слоёв минимальна и близко к поверхности залегает слабодеформируемый слой ледниковых отложений g Ⅲ, рост объёмов фундаментов выражен слабее, что хорошо заметно на примере района 7 (рис. 8).

Рисунок 6. Зависимость объёма фундаментов разных типов от нагрузки в ИГУ района 1

Рисунок 7. Зависимость объёма фундаментов разных типов от нагрузки в ИГУ района 4

Рисунок 8. Зависимость объёма фундаментов разных типов от нагрузки в ИГУ района 7

На диаграммах (рис. 3-5) также заметна зависимость увеличения объёмов фундаментов от их типа при росте нагрузок. Наибольшему изменению подвержены объёмы свайных фундаментов в неблагоприятных грунтовых условиях. Средние значения объёмов фундаментов разных типов по районам ИГУ приведены в таблице 2.

Таблица 2

Средние значения объёмов фундаментов по районам ИГУ, м3/м

На основании анализа результатов расчётов и рассмотрения зависимостей параметров были разработаны общие рекомендации по предварительному выбору типа конструкций фундаментов. Рекомендации позволяют, при использовании совместно с таблицами базы данных (рис.1), выбрать тип фундамента в зависимости от выбранной нагрузки (конструкции надземной части) и места строительства (района ИГУ). Критерием выбора является наименьший объём конструкции фундаментов. Также можно отметить, что уменьшение объёма фундаментов может быть достигнуто уменьшением нагрузок (изменением выбора конструкций надземной части) или изменением ИГУ (выбором другого района строительства).

Заключение

Проведённое исследование доказало возможности создания научно-обоснованной базы данных для первоначального выбора конструкций фундаментов в ИЖС. Необходимые для реализации метода условия существуют в виде постоянно увеличивающегося массива данных инженерных изысканий и высокого уровня развития средств автоматизации расчётов. В процессе решения задач исследования было установлено, что современные геотехнические программные комплексы позволяют моделировать самые разнообразные инженерно-геологические условия и типы конструкций фундаментов. Возможности программных комплексов позволяют проводить множественные типовые расчёты в соответствии с действующими СП в сжатые сроки. Получаемые при этом результаты по своей информативности выходят далеко за рамки данной работы и могут быть использованы для дальнейших исследований по данной и смежным темам. Вместе с тем исследование показало, что для создания базы данных требуются детальные результаты инженерно-геологических изысканий с последующими лабораторными исследованиями по районам существующего и перспективного ИЖС. Отсутствие или недостаточный объём таких данных делает невозможным создание корректных баз данных. Необходимые для создания баз данных геотехнические расчёты не отличаются сложностью и могут быть успешно автоматизированы, но их количество может быть очень большим. В рамках проведённого исследования было проведено около 400 законченных расчётов. С учётом промежуточных расчётов для подбора вариантов общее количество расчётов приблизилось к тысяче случаев, что наглядно показывает трудоёмкость разработки. По этой причине таблицы базы данных были разработаны только для одного технико-экономического показателя. Поэтому создание подобных баз данных требует коллективных усилий.

Подход к решению проблемы первоначального выбора конструкций фундаментов, реализуемый при разработке базы данных, требует проверки практикой. Наличие и использование подобного источника информации никаким образом не заменяет индивидуального проектирования, а только дополняет его, решая часть задач. Разработка и применение детальных, научно обоснованных источников информации для предварительного выбора конструктивных решений находятся в процессе становления. Однако уже сейчас можно кратко описать перспективы таких разработок. В дальнейшем необходимо провести расчёты других технико-экономических показателей, включая трудоёмкость работ и объёмы вспомогательных работ. Это позволит видеть общую картину затрат на строительство подземной части. Исследования необходимо расширить на другие регионы с активно развивающимся ИЖС (Ленинградская область, Московская область, Краснодарский край и др.). Расчёты могут быть оптимизированы и автоматизированы программными средствами с применением искусственного интеллекта, что позволит делать более детальные множественные расчёты. Разрабатываемые базы данных могут быть полезны не только индивидуальным застройщикам, но и проектным и подрядным организациям на этапах предварительного проектирования. Есть все основания полагать, что создание детальных баз данных для выбора конструктивных решений будет активно развиваться.

Список литературы:

1. Мунчак Л.А. Конструкции малоэтажных зданий. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Л.А. Мунчак. – М.: КУРС: ИНФРА-М, 2019. -464 с.
2. Архитектурные конструкции / З.А. Казбек-Казиев, В.В. Беспалов, Ю.А. Дыховичный и др.; Под ред. З.А. Казбек-Казиева: Учеб. для вузов по спец. «Архитектура». – М.: «Архитектура-С», 2014. – 344 с. ил.
3. Сысоева Е.В. Архитектурные конструкции малоэтажных зданий: учебное пособие / Е.В.Сысоева – М.: Архитектура-С, 2012. – 144 с., ил.
4. Каталог проектов жилых домов и зданий соц. и пр. инфраструктуры для ст-ва в сель. Мест. / ред. З. Высоцкая. – М.: ООО «Медиа Групп «Орбита», 2015. – 120 с.: ил.
5. Дашко Р. Э. и др. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга //Развитие городов и геотехническое строительство. – 2011. – Т. 1. – С. 1-47.
6. Бахарев Т. С. и др. Геологический атлас Санкт-Петербурга //СПб: Комильфо. – 2009. - 57с.
7. Заварзин Л.Г. Разработка методики инженерно-геологического картирования применительно к Ленинграду: Отчёт по научно-исслед. Госбюджетной теме (Н-13) / 18 / ЛИСИ. – Л., 1975.
8. Сапин Д. А. Дополнительные технологические осадки фундаментов зданий соседней застройки при устройстве траншейной "стены в грунте": диссертация кандидата технических наук: 05.23.02 / Сапин Дмитрий Александрович; [Место защиты: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет].- Санкт-Петербург, 2016.- 177 с.
9. Основы численного моделирования в механике грунтов и геотехнике [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / [А.З. Тер-Мартиросян и др.]. ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра механики грунтов и геотехники. — Электрон. дан. и прогр. (5,5 Мб). — Москва: Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru — Загл. с титул. экрана.
10. Мангушев Р. А., Дьяконов И. П., Полунин В. М. Численные расчеты в геотехнической практике //М.: АСВ. – 2022.