Анализ результатов натурных обследований и мониторинга зданий, эксплуатирующихся в СИГГУ

При непосредственном участии автора были выполнены натурные обследования более 1000 зданий, эксплуатирующихся в СИГГУ. Для их технической диагностики и мониторинга применялись следующие методы:

  • - изучение параметров и характеристик элементов системы «ОФС» и при необходимости их уточнение проведением дополнительных обмерочных и изыскательских работ. Уточнение фактических и прогнозируемых нагрузок и воздействий;
  • - анализ инженерно и горно-геологических условий площадки с выявлением потенциально возможных схем и величин неравномерных деформаций основания;
  • - анализ конструктивных особенностей здания с выявлением конструктивных элементов, узлов их сопряжения и сечений, наиболее чувствительных к неравномерным деформациям основания;
  • - визуальные обследования с анализом схемы трещинообразования в конструкциях и деформированной схемы здания, по которым определялась наиболее вероятная схема фактически реализовавшихся неравномерных деформаций основания;
  • - измерение динамики развития повреждений инструментально либо путем периодической фотофиксации;
  • - измерение динамики продольных и поперечных деформаций кирпичных простенков;
  • - измерение динамики вертикальных деформаций основания геодезическим нивелированием, приближенным к I классу точности;
  • - измерение динамики угловых перемещений (кренов) конструкций при помощи индуктивных датчиков У ИД;
  • - поверочные расчеты, позволяющие оценить соответствие потенциально возможных схем и величин неравномерных деформаций основания фактически реализовавшимся.

Объекты, эксплуатирующиеся на просадочных грунтах

Всего на просадочных грунтах с участием автора было обследовано более 40 зданий, из них наиболее интересными объектами являются

Средняя школа №3 в Жовтневом районе г. Мариуполя

4.1.1.1. Краткая конструктивная характеристика объекта

Здание школы выполнено по типовому проекту 2Р-02-1/64, привязанному к конкретным инженерно-геологическим условиям, Ждановским отделением Донецкого филиала института Гипроград в 1966 году. Год постройки - 1968.

Здание представляет собой комплекс Н-образной формы (рис. 4.1), имеющий габаритные размеры в плане 82x42 м и состоящий из основного трехэтажного учебного корпуса (размеры в плане 82x15,1 м) и вспомогательного двухэтажного корпуса (размеры в плане 57,8x12 м), соединенных двухэтажным переходом (размеры в плане 14,8x9 м).

Конструктивная схема здания - бескаркасная с несущими продольными наружными и внутренними стенами.

Фундаменты под стены здания ленточные из сборных железобетонных плит высотой 300 мм (рис. 4.2). Ширина фундаментных плит составляет: 800 мм под продольные наружные стены; 800 мм под поперечные наружные и внутренние стены; 1200 мм под продольную внутреннюю стену по оси Д. Фундаментные стены здания - из сборных бетонных блоков высотой 600 мм и шириной 500 мм на цементно-песчаном растворе.

Относительная отметка заложения подошвы фундаментов по длине здания изменяется от - 2,10 до - 4,50 в соответствии с уклоном рельефа местности. При этом глубина заложения ленточного фундамента под наружные стены здания изменяется в диапазоне от 1,5 м до 3,2 м от поверхности планировки.

Стены цокольного этажа из красного керамического полнотелого кирпича марки 100 на известковом растворе. Наружные стены 1 - 3 этажей из силикатного кирпича марки 50 па известковом растворе марки 4 толщиной 510 мм (без учета штукатурки). Внутренние несущие стены из керамического кирпича марки 100 на известковом растворе марки 4 толщиной 380 мм (без учега штукатурки).

Общий вид здания школы №3 в г. Мариуполе

Рис. 4.1 Общий вид здания школы №3 в г. Мариуполе

План фундаментов школы №3 в г. Мариуполе

Рис. 4.2 План фундаментов школы №3 в г. Мариуполе

Несущие конструкции перекрытий и покрытия трехэтажного учебного корпуса - сборные железобетонные круглопустотные плиты длиной 3 и 6 м.

Перемычки над оконными и дверными проемами - сборные, железобетонные.

Кровля - совмещенная, рулонная. Крыша - плоская с внутренним водостоком.

Конструктивные меры защиты здания СПІ №3 от влияния неравномерных деформаций основания проектом нс предусмотрены и в натуре нс реализованы.

По степени чувствительности к неравномерным осадкам здание СШ №3 принадлежит к «высокочувствительным», что обусловлено:

  • - бескаркасной конструктивной схемой;
  • - сложной конфигурацией здания в плане в сочетании с большой протяженностью и наличием разновысотных и, соответственно, разнонагруженных частей здания, изначально создающей предпосылки для возникновения неравномерных деформаций основания;
  • - низкой изгибной жесткостью и, соответственно, высокой деформативностью продольных стен здания, обусловленной их высокой просмностью (площадь проемов по главному фасаду составляет около 50% от общей площади фасада);
  • - невысокими прочностными характеристиками стенового материала;
  • - отсутствием конструктивных мероприятий по защите здания от неравномерных деформаций основания, таких как деформационные швы, поэтажные железобетонные пояса и т.д.
  • 4.1.1.2. Инженерно-геологические условия объекта

Рельеф площадки с уклоном на юго-восток. Абсолютные отметки земной поверхности возле здания колеблются в пределах 67,0 - 63,6 м.

Уклон природного рельефа в пределах застройки составляет:

  • - со стороны главного (южного) фасада в осях 2-32 і = 0,033;
  • - со стороны (северного) фасада в осях 30-4 і = 0,017;
  • - в поперечном направлении от 0,012 до 0,048.

Естественным основанием фундаментов школы служат суглинки ИГЭ-3 и ИГЭ-4, в сжимаемой толще залегают грунты ИГЭ-4 и ИГЭ-5. Инженерногеологическое строение участка в продольном направлении здания показано на рис. 4.3 (расположение скважин в плане - см. рис. 4.1).

N аЛаы>

с 6839 1

ъ с 6840 2 Ф С 6838J

с 68444

Ростом иму абакюч и

32,5 Ж 33,5

Абс этч /ста» абагм и

66,76

67.00 65.Ю

6X73

Абс «мм 7ПВ

/pfwwtoe toys mcymmfyim

Рис. 4.3 а - инженерно-геологический разрез вдоль главного фасада школы;

б - изополя вертикальных деформаций основания по длине фундамента [424]

Сверху от поверхности земли залегают насыпной слой и почвеннорастительный слой общей мощностью от 0,4 до 1,2 м. Ниже, считая сверху вниз, залегают:

ИГЭ-3 - суглинки желто-серые, макропористые, слабопросадочные, с гнездами карбонатов, полутвердые, вскрытой мощностью до 2,2 м;

ИГЭ-4 - суглинки желто-бурые, коричневато-бурые, твердые с включением мучнистых карбонатов, практически нспросадочныс, вскрытой мощностью в диапазоне 3,4 - 4,2 м;

ИГЭ-5 - глины бурые, твердые, с примазками гидроокислов Мп, к основанию слоя желтоватые с включениями кристаллического гипса, пройденной мощностью до забоя скважин 2,5 - 4,0 м.

Тип грунтовых условий площадки по просадочности - первый, так как просадка от собственного веса при замачивании грунта нс произойдет в связи с тем, что напряжения от собственного веса грунта <%, в пределах всей просадочной толщи нс превышают начального просадочного давления pd.

Мощность просадочных суглинков, залегающих непосредственно под подошвой фундаментов, изменяется в диапазоне от 0 до 1,35 м. При этом глубиной заложения фундаментов, соответствующей базовому проекту привязки, обеспечивается полное прохождение просадочной толщи на участке между осями «В» - «Ж» и «24» - «26» (см. рис. 4.3). Учитывая то, что указанные участки находятся практически по центру здания, даже незначительная реализация просадочных свойств основания, расположенного по обе стороны от них, способствует возникновению существенной концентрации растягивающих усилий в вышерасположенных стенах и, как следствие, может привести к образованию разлома здания на этих участках.

4.1.1.3. Результаты натурного обследования

В результате натурного освидетельствования стен и простенков здания СШ №3 обнаружены многочисленные трещины, имеющие ярко выраженную осадочную природу происхождения. Ширина раскрытия основной массы трещин изменяется в диапазоне от 0,05 до 10 мм, отдельные трещины имеют ширину раскрытия от 10 до 25 мм. Схема расположения трещин по главному фасаду и зафиксированная их ширина раскрытия на момент обследования приведены на рис. 4.4.

Трещины с шириной раскрытия от 10 до 25 мм имеют характер развития преимущественно сверху вниз и расположены на наружных поверхностях стен: 222

  • - по осям «В» и «Ж» на участке между осями «24» - «26»;
  • - по осям «14» и «22» на участке между осями «Ж» - «И»;
  • - по осям «П» и «Т» на участке между осями «4» - «7».

Трещины проходят по растворным швам и камню вертикально и наклонно с образованием в сочетании с более мелкими трещинами прерывистых линий, распространяющихся по всей высоте здания. Простенки, но которым проходят подобные трещины, усилены металлическими обоймами, однако визуальный осмотр конструкций усиления показал, что работы по устройству обойм в некоторых случаях выполнены некачественно, в результате чего усиление не выполняет своих функций.

Трещины с шириной раскрытия от 3 до 10 мм имеют вертикальную или наклонную ориентацию, проходят преимущественно по растворным швам с образованием уступовидных сплошных линий и расположены в основном в местах примыкания двухэтажного перехода к главному и вспомогательному корпусу, на стенах лестничных клеток, а также на наружных и внутренних продольных стенах трехэтажного учебного корпуса между осями «21» - «26». При этом необходимо отметить, что трещины в стенах учебного корпуса на участке в осях «21» - «26» начинаются в уровне плит покрытия третьего этажа в окрестности оси «24» и проходят по всей высоте здания, реализуясь в швах между плитами перекрытий, разветвляясь на внутренней продольной стене и смещаясь по мере развития в сторону центральной лестничной клетки. Отдельные ответвления выходят на лестничную клетку в уровне перекрытий над первым этажом.

Трещины с раскрытием менее 3 мм расположены как в уже указанных местах, так и в наружных и внутренних продольных и поперечных стенах двухэтажного вспомогательного корпуса.

Волосные трещины с шириной раскрытия до 0,2 мм наблюдаются на оштукатуренных (внутренних) поверхностях степ практически во всех частях здания, однако наиболее четкая картина из трещин этого типа просматривается на третьем этаже восточного крыла учебного корпуса, где эти трещины имеют наклонную ориентацию, нисходящую к центру здания, и расположены на внутренней поверхности в верхней части всех простенков.

Характерным повреждением для конструкций перекрытия и покрытия, не снижающим его прочности и устойчивости, является раскрытие горизонтальных швов между плитами, наблюдающееся преимущественно в покрытии трехэтажного учебного корпуса, а также в перекрытиях всех этажей на участках между осями «21» - «26» и «31» - «32». При этом ширина раскрытия этих швов составляет 0,5 - 1 мм, однако за счет образующихся местами выпадений раствора создается впечатление более значительных повреждений. Полная ширина раскрытых швов, накопленная за весь период эксплуатации, достигает в отдельных случаях 10-12 мм.

4.1.1.4. Анализ результатов натурного обследования

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- разлом учебного корпуса между осями «24» и «26» (рис. 4.4) объясняется наличием точки концентрации усилий, в которой происходит смена направления неравномерных осадок основания. Смещение разлома во внутренней стене в сторону центральной лестничной клетки происходит за счет наличия на первом этаже большого проема и является закономерным следствием разрушения элементов «по слабому сечению». Выполненное усиление двух простенков главного фасада металлической обоймой с объединением их в уровне оконных перемычек в единую систему, при условии дальнейшего нарастания неравномерных деформаций основания по уже установившейся схеме, может вызвать образование еще одного разлома, проходящего по неусиленному ссчснию;

раскрытие швов между плитами покрытия учебного корпуса свидетельствуют о наличии продольных деформаций растяжения, возрастающих по высоте здания. Образовавшийся разлом в здании локализовал эти повреждения, приурочив их максимальное раскрытие к месту прохождения разлома. Учитывая то, что разлом по внутренней стене выходит на центральную лестничную площадку, покрытие и основные несущие конструкции которой опираются на поперечные стены, дальнейшее нарастание деформаций растяжения может вызвать существенное снижение опорной площади плит покрытия с вероятностью их обрушения;

- повышенная концентрация трещин в стенах лестничных блоков, местах сопряжения перехода с корпусами и стенах вспомогательного корпуса между осями «4»-«7» обусловлена неравномерными осадками, возникающими в результате комплексного влияния следующих факторов: резкими перепадами в погонных нагрузках, действующих по длине ленточного фундамента; локальными просадками основания.

Защита здания от просадочных деформаций основания в соответствии с проектом осуществляется путем недопущения увлажнения основания фундаментов, что в сложившихся условиях эксплуатации является ненадежным и трудно осуществимым методом. Исходя из практического опыта эксплуатации зданий и сооружений в аналогичных условиях, можно сделать вывод о дальнейшем последовательном и неотвратимом увеличении влажности грунтового массива под пятном здания в результате нарушения его естественной аэрации и периодическими подпитками поверхностными водами. С учетом того, что давления, действующие по подошве большинства фундаментов, превышают начальное просадочное давление, уместно предположить дальнейшее развитие просадочных деформаций грунта во времени вплоть до полной реализации его просадочных свойств.

Реализованное в натуре усиление отдельных простенков наружных стен металлической обоймой, безусловно, повысило надежность усиленных конструкций, однако нс устранило объективных причин деформирования опорного остова здания. Реализация силикатизации грунтов ИГЭ-3 в соответствии с проектом усиления в случае качественного выполнения работ позволила бы исключить неравномерные деформации основания, вызванные просадками грунта, однако по ряду объективных причин работы по улучшению основания фундаментов не были выполнены.

4.1.1.5. Результаты поверочных расчетов и численных исследований

В связи с наличием в основании фундаментов слоя просадочных суглинков мощностью под подошвой фундамента до 1,35 м выполнены расчеты по определению величин возможных просадок основания при различных схемах его замачивания в плане здания. В расчетах были использованы начальные и остаточные просадочные характеристики основания. Учитывая незначительную мощность просадочного слоя под подошвой фундамента, а также невысокий уровень давлений по подошве ср изменяется в пределах до 230 кПа) полученные значения максимально возможных просадок невелики и составляют:

  • - для начальных просадочных характеристик - до 48 мм;
  • - для остаточных просадочных характеристик - до 22 мм.

Неравномерность осадок, возникающая по длине здания от просадок основания, с учетом фактических инженерно-геологических условий даже при относительно равномерном замачивании грунта составляет:

  • - для начальных просадочных характеристик - 0,002;
  • - для остаточных просадочных характеристик - 0,001.

Полученные величины не превышают предельно допустимых значений по нормам [192, 1911 для бескаркасных зданий, однако по зарубежным нормам для непрерывных кирпичных стен в зависимости от их изгибной жесткости предельная неравномерность осадок составляет от 0,0005 до 0,001.

Зафиксированные в процессе обследования здания трещины в стенах учебного корпуса между осями «21»-«26» из геометрических эквивалентов деформирования могли произойти при неравномерной осадке основания равной 0,0009 по обе стороны от точки концентрации усилий. Полученная величина практически соответствует неравномерности осадок, которая могла реализоваться за время эксплуатации здания. Как уже указывалось выше высокая чувствительность здания к неравномерным осадкам обусловлена низкой изгибной жесткостью продольных степ, в результате чего практически отсутствует выравнивающий эффект за счет перераспределения давлений по подошве фундамента, низкими прочностными характеристиками стенового материала и узкими простенками (b=650-670 мм) с низким коэффициентом рассеивания трещин по ширине. На основании этого можно сделать вывод о том, что стабилизация осадок основания, сложенного просадочными грунтами, не достигнута. При дальнейшем замачивании просадочных грунтов основания возможно увеличение уже реализовавшихся неравномерных осадок почти в два раза, при этом увеличение повреждений здания в этом случае будет еще больше за счет прогрессирующего снижения жесткостных характеристик остова здания.

По результатам расчета осадок и просадок фундаментов в ПО Descon были получены величины вертикальных деформаций основания фундаментов и соответствующие им схемы изменения коэффициентов жесткости основания.

В ПК ЛИРА-САПР 2013 был выполнен совместный расчет системы «ОФС», часть результатов которого представлены на рис.4.5-4.6.

.1 1.1 О ?! I.

Изополя вертикальных перемещений при равномерном замачивании

Рис. 4.5 Изополя вертикальных перемещений при равномерном замачивании

Изополя горизонтальных напряжений в конструкциях 3-х этажного корпуса школы №3 при равномерном замачивании просадочных грунтов

Рис. 4.6 Изополя горизонтальных напряжений в конструкциях 3-х этажного корпуса школы №3 при равномерном замачивании просадочных грунтов

Полученные результаты напряжений в стенах здания соответствуют схеме трсщинообразования, выявленного при его натурном обследовании.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >