Основные положения

Как отмечалось ранее, основание здания или сооружения представляет массив грунта, который непосредственно воспринимает нагрузку от фундаментов, что обуславливает формирование в нем соответствующего напряженно-деформированного состояния. Здание и его основание следует рассматривать как единое целое, считая, что деформации последнего влияют на напряженное состояние в конструктивных элементах, состояние которых в свою очередь предопределяет распределение контактных давлений по подошве фундаментов.

Возведенные на лессовых грунтах здания и сооружения в неблагоприятных условиях эксплуатации или при допущенных на стадии проектирования и строительства ошибок претерпевают существенные деформации. Особенно опасными являются неравномерные деформации, которые, как правило, приводят к разрушению отдельных конструктивных элементов здания.

Многочисленные экспертизы деформированных зданий и сооружений показывают, что по характеру развития трещин в стенах и фундаменте можно в ряде случаев установить место, где находится источник замачивания грунтов и, следовательно, проявляются наибольшие деформации просадки.

При оценке технического состояния здания необходимо рассматривать два вида деформаций: допускаемые и предельные. При допускаемых деформациях здания не возникает необходимости в проведении текущего ремонта и наладочных работ. Предельные деформации являются той границей, превышение которой приводит к аварийному состоянию здания и полной потери его эксплуатационной надежности.

Вероятнее всего за предельные деформации следует принимать такие, при которых обеспечивается несущая способность конструкций. Допустимые и предельные деформации как основания, так и здания в целом, характеризуются относительным прогибом или выгибом, относительной неравномерностью осадок, креном, скручиванием и т.д.

Основными причинами возникновения и развития деформаций на различных этапах строительства и эксплуатации зданий являются:

1. Деформации зданий из-за недостаточной изученности грунтов площадки застройки.

2. Повреждения здания из-за ошибок при проектировании.

3. Разрушения из-за нарушения технологии строительных работ.

4. Коррозийное разрушение конструктивных элементов здания.

5. Изменение гидрогеологических условий района размещения здания.

6. Новое строительство зданий в непосредственной близости от существующего.

7. Изменение технических условий эксплуатации здания (например, вибрационных, нерегулируемое замачивание грунта и т.д.).

8. Оползневые, карстовые и другие природные явления.

9. Природные стихийные бедствия в районе размещения здания (например, землетрясение, наводнение и т.д.).

10. Размещение зданий на подрабатываемой территории или в районе строительства метрополитена.

Деформации и разрушения здания могут проявляться в виде значительных прогибов (выгибов) и трещин в конструктивных элементах, развитие которых с течением времени прогрессирует. Для определения причин разрушения и диагностики состояния конструкций обычно выполняют специальное натурное обследование здания. В зависимости от конечной цели восстановления, характера и степени разрушения конструктивных элементов здания выбирают определенную методику обследования, которая отражает конкретную ситуацию и общее состояние обследуемого объекта. Указанная методика включается как самостоятельный раздел в сводную программу обследования деформационных характеристик. Деформационные характеристики, как правило, визуализуются трещинами, закономерно расположенными по торцам и фасадам здания и имеющие соответствующий вид (форму). В отдельных случаях по характеру развития трещин в стенах и фундаменте можно установить место, где находится источник замачивания грунта, и, следовательно, развиваются наибольшие осадочные деформации (рис. 10).

Многолетний опыт показывает, что на начальной стадии освидетельствования здания и экспертной оценки его состояния можно принять за исходные следующие предположения.

Если наибольшее развитие имеют трещины в фундаментной части, при этом трещины, в основном, сосредоточены посередине здания, то вероятнее всего источник замачивания лессовых грунтов расположен именно в зоне, примыкающей к фундаменту. Здание в этом случае как бы провисает и поэтому такие деформации именуют прогибом.

В случае расположения источника замачивания в торцах здания наблюдается перемещение вниз этих частей здания и, как следствие, образование трещин в стенах и фундаменте. Поскольку средняя часть здания проседает меньше, чем торцевая, то здание как бы выгибается и такой вид его деформаций называют выгибом.

При увлажнении грунта основания на большом участке (при источнике замачивания по всей площади) наблюдается проседание торцевого крыла здания и появляется перекос. Трещины в этом случае обычно направлены под углом 45° к вертикали. Перекос здания может наблюдаться в случае, когда фундаменты, имеющие различную глубину заложения подошвы, попадают в отличающиеся по влажности зоны грунтового основания.

При наличии нескольких источников увлажнения, например, у торца и посередине здания, происходит сложная деформация здания, связанная с его кручением. Как правило, стены смещаются от вертикали, трещины на каждой стене не имеют четкого направления. Такой случай является довольно сложным при проведении экспертной оценки состояния деформированного здания, так как трудно выявить местонахождение источника увлажнения.

Если в стенах и фундаментах жесткого по конструктивному решению здания не наблюдается трещин, но дом существенно отклонился от вертикали (крен), следовательно, имеется одностороннее замачивание грунта или косослойное напластование лессовых просадочных грунтов. В последнем случае даже равномерное замачивание грунта по всей площади может привести к неравномерному появлению осадочных деформаций.

Рис. 10. Основные причины неравномерных осадочных деформаций зданий

а - неравномерная сжимаемость грунтов оснований; б - нахож­дение

здания на призме обрушения, в - наличие пустот в осно­ваниях;

г - расположение части здания на насыпных грунтах; д – жесткие

включения под зданиями

 

При проявлении неравномерных осадочных деформаций основания во многих случаях наблюдаются значительные перемещения ответственных конструктивных элементов перекрытий, покрытий лестниц. Особенно опасны смещения на опорах несущих плит, балок, прогонов, элементов лестниц (плит и маршей) и др. Уменьшение площади опирания элемента может привести к его обрушению или существенному разрушению находящейся под ним опорной части. Поэтому в первую очередь обследуют те несущие конструктивные элементы, которые предопределяют пространственную прочность и жесткость здания.

Число и характер развития трещин в изгибаемых железобетонных элементах свидетельствуют о качестве сцепления арматуры с бетоном. При хорошем сцеплении в изгибаемых элементах могут наблюдаться в бетоне часто повторяющиеся трещины, а при некачественном – редкие и широкие. В растянутых элементах при сверхнормативных нагрузках появляются поперечные трещины. Трещины, обусловленные усадочными деформациями, как правило, прямые и имеют небольшую ширину раскрытия (примерно до 0,3 мм).

Определенные особенности развития трещин наблюдаются и в конструкциях из кирпича. Наклонные трещины в кирпичных стенах указывают на неравномерную осадку здания, а вертикальные – на недостаточную несущую способность стен, простенков, или столбов.

Повреждения в конструкциях зданий, вызванные деформациями оснований, наиболее часто проявляются в виде трещин в фундаментах и стенах. Осадочные деформации бывают следующих видов:

- осадки, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок;

- набухания и усадки, связанные с изменением объема некоторых видов глинистых грунтов;

- оседание земной поверхности, вызванные разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий и другими факторами.

Осадочные повреждения и аварии зданий вызыва­ются, как правило, неблагоприятными геологически­ми и гидрогеологическими условиями площадки, которые не были учтены при строительстве здания или которые изменились в процессе эксплуатации. Эти условия могут быть как общими (зоны просадочных, вечномерзлых заторфованных и других особых видов оснований), так и конкретными условиями площадок (насыпи, бывшие отвалы, слоистые напластования, подземные колодцы, карсты и т. д.). Непра­вильное выполнение строительных и особенно земля­ных работ в зоне эксплуатируемого здания может также вызвать осадочные повреждения и аварии зданий.

Совместная деформация оснований и зданий может характеризоваться:

а) абсолютной полной осадкой;

б) средней осадкой оснований или здания;

в) равномерной осадкой оснований или здания;

г) неравномерной осадкой фундамента;

д) уклоном фундамента или креном здания в целом;

е) относительным прогибом (выгибом);

ж) кривизной изгибаемого участка или здания в целом;

з) относительным углом кручения;

и) относительным углом скручивания;

к) горизонтальным перемещением.

Осадочные деформации возникают и наиболее активно развиваются в период строительства и продолжаются в разной степени в период эксплуатации. Осадочные трещины в конструкциях зданий, как правило, возникают лишь при неравномерных осадках. Причинами этих деформаций могут быть:

- неравномерность удельного давления на грунты оснований под подошвой фундамента;

- неоднородность и разнопрочность грунтов оснований;

- неоднородность сжимаемости из-за различных факторов (наличие жестких включений, карстовых или других пустот, местное замачивание лессовых грунтов или оттаивание вечномерзлых грунтов и т.д.);

- влияние горных выработок (подработок) или отрывки открытых котлованов и траншей вблизи от здания;

- влияние вибрации (например, забивка свай в непосредственной близости от здания).

Конструктивные деформации и повреждения определяются условиями работы элементов зданий под нагрузкой, их напряженно-силовым состоянием. Они зависят от нагрузок, прочностных и реологических свойств, адекватности фактической схемы работы конструкций расчетной. Конструктивные повреждения проявляются в виде сверхнормативных прогибов и трещин. Они могут быть как общими для здания, так и локальными. Конструктивные деформации вызываются неожиданными концентрациями нагрузок, ползучестью материалов (узлов), неудовлетворительной эксплуатацией зданий, неправильным выполнением ремонтных работ.

Температурно-влажностные деформации конструкций зданий определяются комплексным воздействием нескольких факторов: технологическими режимами изготовления и монтажа конструкций, сезонными и суточными колебаниями температуры, конструктивными особенностями стен, условиями и характером увлажнения стен и т.д. При этом происходят:

- изменение линейных размеров конструкций – их удлинение и укорочение (сжатие);

- усадка и набухание материалов конструкций при высыхании и увлажнении;

- изменение структуры материала и его разрушение при замерзании свободной влаги внутри конструкции, сопровождающееся выветриванием.

Материалы, из которых изготавливаются конструкции зданий, со временем стареют и изнашиваются. Изменения эксплуатационных качеств конструкций происходят под воздействием многих физико-механических факторов: неоднородности материалов и повышения напряжения, приводящих к микроразрывам в материале, попеременного увлажнения и высушивания, периодических замораживаний и оттаиваний, резких перепадов температур, воздействием солей и кислот, выщелачивания, коррозии металла, загнивания древесины, истирания конструкций и т.п.

Чтобы исключить подобные ситуации или смягчит опасное влияние неравномерных деформаций, строительные нормы и правила, разработанные на основе многолетнего опыта строительства и эксплуатации зданий на лессовых грунтах, предусматривают специальный комплекс защитных мероприятий. Для ряда зданий и сооружений имеются сложившиеся виды мероприятий, которые опробованы в конкретных грунтовых условиях. В каждом случае их применение должно быть обосновано соответствующими технико-экономическими расчетами.

Мероприятия при строительстве на лессовых просадочных грунтах условно могут быть подразделены на следующие основные виды:

а) водозащитные;

б) конструктивные;

в) связанные с устранением просадочных свойств грунта в результате целенаправленного закрепления или уплотнения;

г) осуществляемые прорезкой фундаментами глубокого заложения, например, свайными.