CC BY
50
82
Вестник ТГАСУ № 3, 2009
УДК 624.012+624.154:725.39
В. С. ПЛЕВКОВ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
И. В. БАЛДИН, канд. техн. наук, докторант, baldin@mail. tomsknet.ru В.В. ФУРСОВ, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
М.В. БАЛЮРА, канд. техн. наук, доцент,
ТГАСУ, Томск
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЯ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ПЕРЕРЫВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Рассматриваются вопросы, связанные с комплексной оценкой технического состояния железобетонных конструкций каркаса, оснований и фундаментов здания лётных отрядов после длительного перерыва в строительстве. Установлены особенности технического состояния возведенных железобетонных конструкций, а также инженерногеологических условий площадки строительства в связи с многолетними циклами сезонного промерзания-оттаивания грунтов, влияющих на несущую способность свайных фундаментов.
Ключевые слова: перерыв в строительстве, обследование, техническое состояние, железобетонные конструкции, каркас, основания, фундаменты, сваи, промерзание грунтов, морозное пучение.
В настоящее время в связи с экономическим кризисом и недостаточным финансированием приостанавливается строительство многих объектов. Недостроенные, незаконсервированные здания и сооружения при различной степени готовности подвергаются многократному неблагоприятному воздействию среды: увлажнению, промерзанию-оттаиванию, морозному пучению грунтов и др. На это особенно реагируют опорные зоны предварительно-напряженных железобетонных конструкций, грунты оснований фундаментов, так как при проектировании они не рассчитывались на такие воздействия. Поэтому при возобновлении строительства необходимо детальное техническое обследование возведенных строительных конструкций, оснований и фундаментов.
В Томской области ежегодно отмечаются деформации сооружений на морозоопасных грунтах. Они происходят при промерзании пучинистых грунтов и последующем весенне-летнем оттаивании, когда их прочностные и деформационные характеристики существенно ухудшаются. Глубина промерзания грунтов увеличивается (по сравнению с нормативными значениями 2,2 м) на закрытых затенённых участках. Наиболее опасным является промерзание грунтов оснований фундаментов через подвалы строящихся и длительно не-эксплуатируемых неотапливаемых зданий. Полное оттаивание грунтов за весенне-летний период затруднено, происходит ежегодное увеличение промёрзшего слоя в основании фундаментов.
Характерным примером является недостроенное здание летных отрядов с блоком УВД Томского аэропорта, строительство которого начато в 1991 г.,
© В.С. Плевков, И.В. Балдин, В.В. Фурсов, М.В. Балюра, 2009
а в 1993 г. было приостановлено. Работы возобновились в 2008 г. До этого здание находилось без консервации и подвергалось воздействию природноклиматических факторов: замачиванию, циклическому сезонному промерзанию и оттаиванию, подтоплению и др. План участка строительства с указанием расположения инженерно-геологических скважин, точек зондирования и испытания свай приведен на рис. 1.
'г?
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- контур строящегося здания; номер инженерно-геологической скважины;
Скв.1
172,53 - абсолютная отметка устья скважины, м;
СТ - термометрическая скважина;
- точка статического зондирования;
- испытание натурной сваи статической нагрузкой
| Сз-1 С-1
Рис. 1. План участка со схемой расположения скважин, точек статического зондирования грунтов и мест испытаний свай статической нагрузкой
Здание летных отрядов каркасное, по проекту имеет этажность от двух до восьми этажей, с подвалом. Высота этажей составляет 3,3 м. В период строительства были возведены только цокольная часть и два этажа с перекрытиями в осях «А-Д, 1-8» и «Ж-М, 3-6». В осях «Д-Ж, 3-6» строительство не велось, кроме свайного поля. Каркас здания разработан по связевой схеме (типовая серия 1.020-1/83). Пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечивается железобетонными диафрагмами и дисками перекрытий. Сетка колонн двухэтажной части - 6x6 м, восьмиэтажной части - 6 (6 + 3 + 6) м. Железобетонные ригели высотой 450 мм таврового сечения с полками снизу для опира-ния сборных многопустотных плит перекрытий. Панели наружных стен надземной части навесные керамзитобетонные толщиной 400 мм.
Фундаменты здания свайные. Сваи 9-метровые, сечением 30x30 см. По сваям устроены монолитные железобетонные ростверки стаканного и ленточного типа с толщиной плитной части 600 мм.
С целью оценки технического состояния строительных конструкций здания, разработки мероприятий по обеспечению их надежности и повышению эксплуатационной безопасности при возобновлении строительства было проведено комплексное обследование железобетонных несущих и ограждающих конструкций, оснований и фундаментов, а также узлов сопряжения конструкций по разработанной авторами методике [1]. Установлено, что возведенные конструкции в целом находятся в ограниченно работоспособном состоянии, отдельные - в недопустимом состоянии. Железобетонные конструкции получили значительные силовые, механические и коррозионные повреждения. Наибольшие повреждения имели опорные участки многопустотных предварительно-напряженных плит перекрытия второго этажа, вызванные длительным их замачиванием атмосферными осадками и циклическим воздействием температур. В плитах на нижней поверхности образовались продольные трещины вдоль стержней рабочей арматуры, что в сочетании с малым опиранием плит на полки ригелей (23-65 мм) привело к нарушению анкеровки рабочей предварительнонапряженной арматуры. В связи с этим многопустотные плиты перекрытия второго этажа рекомендовано демонтировать.
Статические расчеты пространственно работающей расчетной системы каркаса при действии расчетных нагрузок, изменяющихся по высоте и длине здания, выполнены методом конечных элементов с использованием программного комплекса «SCAD». Расчетная схема пространственной системы каркаса с учетом его поэтажной достройки (рис. 2) состоит из 9074 узлов и 7453 конечных элементов.
Выполненные статические расчеты при проектном решении стенового ограждения, а также при нагрузках от веса стен, равных 0,75; 0,50 и 0,25 от проектных значений, позволили оценить усилия в колоннах и нагрузки на фундаменты здания при различных конструктивных решениях стенового ограждения.
Оценка несущей способности железобетонных колонн, ригелей и диафрагм выполнена на основе поверхностей относительного сопротивления по прочности и трещиностойкости сечений и элементов в целом [2], что позволило в наглядной форме выявить отказы и запасы прочности смонтированных
конструкций с учетом их технического состояния, фактических прочностных характеристик материалов и действующих нагрузок при дальнейшем строительстве и изменении конструктивного решения стенового ограждения.
Рис. 2. Общий вид расчетной схемы пространственной системы каркаса здания летных отрядов
Для возобновления строительства здания разработаны рекомендации по усилению и восстановлению возведенных железобетонных конструкций, находящихся в недопустимом или ограниченно работоспособном состоянии. При этом использовались предложенные авторами решения [3].
Разработаны рекомендации по усилению отдельных смонтированных колонн, ригелей и плит перекрытий цокольного и первого этажей, диафрагм жесткости цокольного этажа.
Инженерно-геологическими исследованиями установлено, что основными грунтами, слагающими площадку недостроенного здания, являются озерноаллювиальные суглинки от туго- и мягкопластичных до текучепластичных с прослойками супесей пластичных. На рис. 3 представлен геологический разрез с привязкой фундаментов и данными о физических, прочностных и деформационных характеристиках грунтов, определенных с учётом региональных корректировочных коэффициентов [4]. В геолого-литологическом строении выделены 4 инженерно-геологических элемента (ИГЭ). С поверхности залегает насыпной грунт (ИГЭ-1), неоднородный по составу, состоящий из суглинка, песка, супеси и строительного мусора (толщина слоя ^ = 3,3-3,9 м). Насыпные грунты подстилаются суглинком мягкопластичным (ИГЭ-2) коричневого и серовато-бурого цвета, с примесью органического вещества и тонкими прослойками торфа (Н2 = 1,9—3,1 м). Ниже залегает суглинок мягко- и тугопластичный
(ИГЭ-3) серого и серовато-бурого цвета (Н3 = 6,2-6,5 м), основанием которого служит суглинок мягко-текучепластичный (ИГЭ-4) тёмно-серого цвета с прослойками супесей (Н4 = 4,8-7,1 м).
151
Дата бурения 17.06.08 18.06.08 18.06.08
Расст. между скв., м 37,0 42,0
Рис. 3. Инженерно-геологический разрез
Гидрогеологические условия до глубины 20 м характеризуются наличием «верховодки» и горизонтов подземных вод. «Верховодка» встречена в насыпном
грунте на глубине 2,2-3,0 м. Первый горизонт подземных вод вскрыт в мягкопластичных суглинках на глубине 5,3-6,6 м от поверхности. Водоупором служат тугопластичные суглинки. Второй горизонт - на глубине 13,2-15,3 м и приурочен к суглинкам мягко- и текучепластичным с прослойками супеси.
Ранее проведенные изыскания (1989 г.) выявили самоизливающийся источник и ручей, пересекающий площадку в юго-западной части. До настоящего времени подвал здания периодически подтапливается с последующим сезонным промерзанием грунтов основания, что создает предпосылки для развития процессов морозного пучения.
По морозоопасности грунты слоя сезонного промерзания относятся к сильно- и чрезмерно пучинистым. Температурный режим грунтов основания во многом определяет их физико-механические свойства и несущую способность свай. Отсутствие мероприятий по консервации здания, в частности утепления грунтов основания, приводит к более интенсивному промерзанию через подвальную часть здания, по сравнению с сезонным промерзанием под открытой поверхностью грунта, где естественным утеплителем служит снежный покров. В весенне-летний период оттаивание грунтов основания в подвале замедлено, что создает условия для промерзания грунтов на большую глубину по сравнению с нормативными значениями, ежегодному дополнительному наращиванию промерзшего слоя, росту деформаций и сил морозного пучения. Так, в июне 2008 г. в большей части помещений подвала грунт находился в твердо- и пластичномерзлом состояниях, а максимальная глубина протаивания составляла не более 0,2 м; в июле 2008 г. - 1,0-1,4 м.
Данные обстоятельства затрудняли проведение натурных испытаний грунтов статическими нагрузками на сваи и обусловили необходимость наблюдений за температурным режимом грунтов. Для этого пробурена термометрическая скважина СТ (см. рис. 1), которая укомплектована гирляндой вытяжных почвенных гидрометеорологических термометров типа ПТВ-50 с ценой деления 0,2 °С. Схема установки термометров и результаты наблюдений приведены на рис. 4.
Специальное бурение термометрической скважины подтвердило, что промерзание грунтов достигало глубин более 4,5 м под полом подвала в центральной части здания.
Наблюдения велись в соответствии с ГОСТ 25358-82, ГОСТ 24847-81. После демонтажа стеновых цокольных панелей интенсивность оттаивания грунтов в подвале увеличилась. Мерзлота деградировала, но температура на
глубине 3,0-4,5 м в конце июля поднялась лишь до значений +1,6 +1,8 °С,
в сентябре - до +2,4_+2,6 °С. Следует отметить, что температурный режим основания за период наблюдений не достиг естественных значений на тех же глубинах под открытой поверхностью грунта, соответствующих
t * +5_+6 °С.
Считается, что при промерзании пучинистых грунтов свайные фундаменты наиболее надёжны по сравнению с фундаментами на естественном основании. Однако анализ деформаций зданий и сооружений в Томской области [5] показал, что в случае незавершенного строительства свайные фундаменты могут считаться малонагруженными и недостаточно устойчивыми под воз-
действием касательных сил морозного выпучивания. Отмечены случаи перемещения ростверков в результате развития нормальных сил пучения под их подошвой. Имеются примеры разрыва свай вследствие совместного действия нормальных и касательных сил пучения.
а
Скв.1
б
Дата измерения
;5 40 Fu, кН
Рис. 4. Температурный режим грунтов основания здания:
а - схема установки термометров; б - результаты изменения температуры грунта на различных глубинах от пола подвала
Прочностные и деформационнные свойства пылевато-глинистых грунтов резко ухудшаются в период оттаивания по сравнению с первоначальными значениями до промораживания. Так сопротивление сдвигу снижается на 30-50 % [5], что уменьшает несущую способность свай в слое сезонного про-
мерзания-протаивания. Поэтому перед возобновлением строительства после длительного перерыва необходимо проведение натурного полевого исследования несущей способности свай.
Для обследованного здания лётных отрядов значения несущей способности свай после 17-летнего перерыва в строительстве определялись двумя способами.
Испытания грунтов сваями статической вдавливающей нагрузкой под колоннами крайнего ряда и в центре здания выполнены по методике ГОСТ 5686-94. На рис. 5 показаны графики зависимости осадки свай S от нагрузки N и графики изменения осадки сваи S во времени ^ по ступеням нагружения, построенные по данным полевого эксперимента.
График зависимости осадки сваи Э от нагрузки N
График изменения осадки сваи Э во времени ? (по ступеням нагружения)
Нагрузка, кН 600 540 480 420 360 300 240 180 120 60
Время, час
10
5 20
30
40
50
60
70
80
I- 2,75. 0,33 а 24 0,17 _ лт . _ <101 Ю 10 Кі .^1 >N*60 7? 160. 240 300. 360 N^420 кН
12,23 , мм N3 I О I ~ I ~~ I ~~ N■460 кН
со ?30 - ' I V I
40,34 О Э4Л 39,20 . I
: 42,51 42,43 42,00 41,36 50 - -4 N=540 кН
ь 60 -
І- 70 -
80 -
Рис. 5. Результаты испытания грунтов статической вдавливающей нагрузкой на сваю
За частное значение предельного сопротивления свай принята нагрузка на ступени, предшествующей исчерпанию несущей способности сваи: ¥и = 48 тс (480 кН) при осадке S = 12,23 мм. Расчетная предельно допустимая нагрузка на сваю по результатам проведенных натурных испытаний принята равной N = ^ /ук = 40 тс (400 кН).
Несущая способность свай оценивалась не только по результатам испытаний статической вдавливающей нагрузкой, но и по данным статического зондирования в семи точках (Сз-1-Сз-7) рядом со скважинами Скв.1-Скв.3 (см. рис. 1). Зондирование выполнено до глубины 15,6-16,0 м. Исследования показали, что на отметке погружения свай, соответствующей глубине зондирования 12 м, их несущая способность составляла ^ = 460 кН, а допустимая нагрузка N = ^ / ук = 370 кН, при этом частные значения предельного сопротивления изменялись от ¥итт = 440 кН до ¥итах = 480 кН. Установлена хорошая сходимость данных статического зондирования и натурных статических
испытаний свай. Так, для сваи № 2 разница значений не превышала ЛЕи = 0-8,3 %. В качестве расчетных значений приняты результаты полевых испытаний грунтов статическими нагрузками на сваи.
Статическим расчетом пространственной системы каркаса здания установлены усилия от постоянных и временных нагрузок, действующих в уровне обреза ростверков. Результаты проверки несущей способности свай показали, что при полной проектной нагрузке от веса стен из запроектированных керамзитобетонных панелей большинство свай оказались перегружены. Обоснована необходимость уменьшения нагрузки от веса стеновых панелей в два раза. В этом случае несущая способность всех свай здания обеспечена, а минимальный коэффициент запаса равен К = 1,07.
Выводы
При многолетнем перерыве в строительстве зданий и сооружений могут возникнуть недопустимые деформации и повреждения строительных конструкций, что требует проведения комплексного обследования технического состояния возведенных строительных конструкций, оснований и фундаментов с учетом их совместной работы. Установлено, что наибольшие повреждения получают опорные участки многопустотных предварительно-напряженных плит перекрытий. В плитах на нижней поверхности образуются продольные трещины вдоль стержней рабочей арматуры, что приводит к нарушению ан-керовки рабочей предварительно-напряженной арматуры и необходимости демонтажа смонтированных плит.
Выявлено, что сезонное промерзание грунтов через подвалы опасно не только для малозаглубленных фундаментов на естественном основании, но и для свайных. На свайные фундаменты воздействуют касательные силы морозного выпучивания и нормальные силы под подошвами ростверков. Имеются примеры разрыва свай силами выпучивания.
Установлено, что глубина сезонного промерзания грунтов основания через подвал недостроенного здания летных отрядов Томского аэропорта составляла более 4,5 м в связи с неблагоприятными условиями оттаивания грунтов в летний период. Максимальную глубину многолетнего промерзания в основании недостроенных зданий следует принимать равной 'Л их ширины.
В период оттаивания тугомягкопластичные суглинки существенно ухудшают свои прочностные и деформационные свойства. Разупрочнение их составляет 30-50 %, что существенно уменьшает несущую способность свай в слое смерзания их с грунтом. Перед возобновлением строительства следует выполнить контрольные испытания для оценки предельно допустимых нагрузок на сваи.
Приостановка строительства должна сопровождаться комплексом мероприятий по консервации зданий, включающих гидромелиоративные (осушение подземной части, поверхностный водоотвод, дренажи...), теплофизические (утепление грунтов, отопление в подвальной части, создание теплового контура.), конструктивные и др.
Вестник ТГАСУ № 3, 2009
91
Библиографический список
1. Оценка технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений : пособие / Г.П. Тонких, В.С. Плевков, А.И. Мальганов [и др.] ; под ред. В.С. Плевкова и Г.П. Тонких. - 3-е изд. - Томск : Печатная мануфактура, 2009. - 205 с.
2. Плевков, В.С. Динамическая прочность и трещиностойкость железобетонных конструкций при сложных силовых воздействиях / В.С. Плевков, И.В. Балдин, П.В. Стуков // Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России: Материалы III Международных академических чтений / Курск. гос. техн. ун-т. - Курск, 2004. - С. 155-160.
3. Мальганов, А.И. Восстановление и усиление ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений : учебное пособие / А.И. Мальганов, В.С. Плевков. - Томск : Печатная мануфактура, 2002. - 391 с.
4. Рекомендации по определению значений модуля деформации грунтов по результатам компрессионных испытаний с использованием региональных корректировочных коэффициентов. Региональные нормативы градостроительного проектирования Томской области / Администрация Томской области. - Томск, 2007. - 22 с.
5. Основания и фундаменты зданий в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов / М.А. Малышев, В.В. Фурсов, М.В. Балюра [и др.]. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1992. -280 с.
V.S. PLEVKOV, I.V. BALDIN, V.V. FURSOV, M.V. BALYURA
SOME FEATURES OF THE TECHNICAL CONDITION OF REINFORCED-CONCRETE DESIGNS, BASES AND FOUNDATIONS OF THE BUILDING AFTER A LONG BREAK IN CONSTRUCTION
The problems dealing with the complex estimation of a technical condition of reinforced-concrete designs of a skeleton, the bases and the foundations of a building for pilot groups, after a long break in construction were considered in the paper. Features of a technical condition of the erected reinforced-concrete designs, and also the engineering-geological conditions of a platform for building in connection with long-term cycles of seasonal soil freezing-thawing, influencing on bearing ability of the pile foundation were defined.
УДК 539.3
А.А. ЮГОВ, канд. техн. наук,
[email protected] ТГАСУ, Томск
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОБИВАНИЯ ЭКРАНА ДЛИННЫМ СТЕРЖНЕМ И СФЕРИЧЕСКИМ УДАРНИКОМ ОДИНАКОВОЙ МАССЫ*
В рамках модели пористой упругопластической среды численным методом конечных элементов, модифицированным на решение динамических задач, проведены решения
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранта РФФИ № 07-01-00414), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2010 гг. № 2.1.1»/4147.
© А.А. Югов, 2009
