Большая подушка дом бережет: новый способ снижения сейсмической нагрузки на фундаменты

Каких целей позволяет добиться ваше изобретение?

Есть такое понятие: технический результат изобретения. В нашем случае он состоит в повышении надежности, безопасности и снижении материалоемкости зданий, возводимых на просадочных грунтах в сейсмических районах. Просадочные грунты, напомним, — это грунты, которые при замачивании способны значительно уплотняться от собственного веса. В некоторых случаях грунтовые условия могут увеличивать расчетную сейсмичность площадки.

Что послужило «первичным импульсом» для разработки?

Идея изобретения зародилась в июне 2023 года, когда мы приступили к научному сопровождению устройства котлованов для замены просадочных грунтов на уплотненные подушки из песчано-гравийной смеси (ПГС) под здания и сооружения одного из российских аэропортов. Огромные масштабы котлованов (около 1 млн кубометров земляных работ) продиктовали необходимость учета их влияния на возможное изменение категории грунтов по сейсмическим свойствам. Мы провели поверочные расчеты, показавшие, что расчетная сейсмичность площадки может быть снижена при применении грунтовых подушек из ПГС в основании плитных фундаментов. Чтобы подтвердить данные расчеты, необходимо провести сейсморайонирование в два этапа: первичное — перед строительством, и вторичное — после устройства грунтовых подушек из ПГС.

При этом две задачи (ликвидация просадки путем полного замещения просадочных грунтов и снижение сейсмической нагрузки на сооружение) решаются одним приемом — устройством подушки из ПГС, что и привело к созданию изобретения.

Как шла работа над изобретением?

Изобретение по патенту РФ №2831855 возникло, как уже говорилось, в ходе научного сопровождения АО НИЦ «Строительство» НИИОСП имени Н. М. Герсеванова масштабных строительных работ по полному замещению просадочных грунтов II типа на площади около 100 гектаров в районе реконструируемого аэропорта; расчетная сейсмичность площадки составляет более семи баллов.

Под большей частью сооружений аэропорта запроектировано полное замещение просадочных грунтов II типа на уплотненные подушки из ПГС. Толщина этих подушек достигала 15-20 м, размеры по верху подушек под отдельные сооружения достигали 200 и более метров.

Так как за контуром здания остаются просадочные грунты, то в процессе эксплуатации они могут вызывать просадки по периметру сооружений. В связи с этим грунтовые подушки выполнялись на 4-5 м шире от контура фундаментной плиты здания. Это позволило снизить расчетные деформации плит в случае реализации просадки за контуром зданий.

Влияние масшабной замены просадочных грунтов на расчетную сейсмичность наиболее достоверно можно оценить повторным микросейсморайонированием территории. Для приближенной оценки достаточно с использованием известных геофизических методов установить скорости продольных и поперечных поверхностных волн на подушках и для сравнения — на окружающих грунтах.

Насколько снижается сейсмическая нагрузка на основание в результате применения вашего изобретения?

Повышение жесткости оснований при их масштабных преобразованиях в уплотненные, закрепленные массивы, замещении гравием на большие глубины позволяет перевести грунты из III во II категорию по сейсмическим свойствам (по СП 14.13330), что снижает коэффициент динамичности при расчете сооружений при сейсмических воздействиях.

А какими приемами ликвидируются уже возникшие просадки?

Возникшую просадку ликвидировать невозможно, можно ее стабилизировать и укрепить основание, и, если требуется, усилить конструкции самого здания.

В России около 30% территории расположено в сейсмоопасных районах. Каким в этом свете видится масштаб практического использования изобретения?

Тут надо учесть, что эффект от изобретения ощутим только при размерах основания и площади преобразования грунта, сопоставимых с длиной волны при землетрясении. Иными словами, только масштабные преобразования грунтов в основании больших по площади зданий, как например, в комплексе сооружений аэропорта, способно привести к ощутимому снижению сейсмичности участка строительства. Ясно, что для небольших объектов (с размерами меньше длины сейсмической волны, возникающей при землетрясении) подобные масштабы могут быть экономически нецелесообразны.

Для дальнейшего развития важно получить максимум информации о снижении расчетной сейсмичности площадки реконструкции аэропорта. В настоящее время для широкого внедрения необходимо провести повторное микросейсморайонирование преобразованной территории.

В какой мере изобретение способно обезопасить здания от прогрессирующего обрушения?

Данное техническое решение снижает расчетную сейсмичность площадки — как следствие, снижаются и расчетные усилия в конструкциях при особом сочетании нагрузок. Более точную оценку можно дать на основе повторного сейсморайонирования.

Насколько изобретение учитывает требования действующих нормативных документов в строительстве? Требуется ли внесение изменений в нормативные документы?

Наше изобретение учитывает требования действующих нормативных документов в строительстве. Так, СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений» и методическое пособие к этому своду правил рекомендуют при застройке больших площадей на просадочных грунтах в сейсмических районах осуществлять площадное преобразование с целью устранения просадочных свойств.

Если говорить о внесении изменений в нормативные документы, полезно будет в разделе 6.13 того же СП 22.13330 прописать требование: в случае площадного преобразования грунтов в сейсмических районах проводить повторное сейсморайонирование по окончании такого преобразования. А в п. 4.6. СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» целесообразно усилить до обязательного требования повторного проведения сейсморайонирования после преобразования грунтов.

Какие действия нужно предпринять для внедрения изобретения в практику? Требуется ли поддержка государственных органов, проектного и строительного бизнес-сообщества?

На наш взгляд, государство должно быть заинтересовано в сокращении сроков строительства, в реализации оптимальных и надежных решений, во внедрении прогрессивных разработок. Эффект от ликвидации просадочных свойств грунтов с последующим повторным микросейсморайонированием в сейсмических регионах очевиден: это повышение надежности и безопасности объектов. Снижение расчетной сейсмичности позволяет запроектировать более экономичные конструкции, снизить себестоимость строительства. Проектировщики могли бы включать описанный метод для ликвидации просадочных свойств грунтов в сейсмических районах в проектирование с проведением опытных работ.

Насколько высокого уровня профессиональной подготовки исполнителей требует использование вашего изобретения на практике?

Для его использования достаточно обеспечить строительный контроль в рамках требований СП 45.13330. Все работы должны проводиться квалифицированным персоналом. Особых требований к квалификации исполнителей нет.