CC BY
38
1/2006
Л к.
¥
К Шн
ОПЫТ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПРЕСС ОБСЛЕДОВАНИЯ ЗДАНИЯ В ПЕРИОД РАЗРУШЕНИЯ ОСНОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ОДНОГО ОБЪЕКТА)
Л.И. Черкасова Г.В. Алексеев Е.А. Медведев
ри строительстве в стесненных условиях возникает опасность аварийных ситуаций для существующих строений, особенно когда это касается исторической застройки городов.
На проектных и пред-проектных стадиях в этом случае необходимо проведение специализированных инженерных исследований, включающих не только полные инженерно-геологические и геодезические изыскания, но также инженерные обследования конструкций зданий, содержащие рекомендации по усилению, а также сами проекты усиления оснований, фундаментов и конструкций существующих зданий. При этом особое внимание должно уделяться изучению гидрогеологических условий площадки и прогнозу их изменения в связи с новым строительством.
Характерной особенностью центра г. Москвы является высокая плотность застройки и большой возраст существующих строений, а также достаточно сложные инженерно-геологические условия, большое количество инженерных коммуникаций. Строительство ведется с активным освоением подземного прост-
ранства. При проведении земляных работ по устройству нулевого цикла требуется учитывать массу обстоятельств, некоторые из которых могут послужить причиной отказов существующих конструкций и аварийных ситуаций.
Так, например, с одним из таких обстоятельств пришлось столкнуться при строительстве нового административно-делового центра по Ор-ликову переулку в Москве. Возведение здания осуществлялось в непосредственной близости от существующей исторической застройки. При проведении земляных работ по устройству шпунтового ограждения котлована возникли недопустимые деформации соседнего здания, относящегося к исторической застройке города по Садово-Спасской улице.
Для установления причин деформаций, а также для принятия мер по устранению развития последних необходимо было проведение комплексного инженерного обследования. Проведение строительных работ по возведению здания было приостановлено.
Методика обследования.
Обследование проводилось в очень сжатые сроки: фактически в пятидневный срок требовалось установить причины нарастающих деформаций здания для принятия решений об усилении. Обследование включало в себя: изучение сложившейся ситуации, визуальное и инст-
У
Л.И. Черкасова, Г.В. Алексеев, Е.А. Медведев
1/2006
ру ментальное обследование конструкций здания, отрывку шурфов, проведение термометрических наблюдений. Параллельно с работами по инженерному обследованию здания проводились локальные геодезические наблюдения за деформациями здания. Работы проводились под руководством заведующего кафедрой Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ З.Г. Тер-Мартиросяна.
Существующее здание и площадка строительства.
Существующее здание 3-х этажное, прямоугольной формы в плане (24х9,5м) 1905 года постройки имеет смешанную конструктивную схему: в подвале имеются кирпичные столбы, на которые опираются арочные перемычки и конструкции перекрытия, в надземных этажах несущие только продольные стены из кирпича и стены лестничной клетки. Толщина стен подвала 9001000 мм. Продольные стены опираются на ленточные бутовые фундаменты, которые весьма неоднородны по своей структуре. Глубина заложения фундаментов наружных стен переменная: от -1,6 м до -3,45 м от поверхности земли, что вызвано сложившейся планировкой застройки. Глубина заложения фундаментов столбов 0,3-0,5 м от пола подвала, ширина подошвы фундаментов по оси В ¿=1,1. В основании залегают техногенные грунты и пески мелкие и средней крупности (во-донасыщенные с глубины 2,5 м).
Примененная технология строительства нового здания.
Проектом было предусмотрено строительство административно-делового центра с возведением 3-х подземных уровней. Глубина котлована - 11,32 м от поверхности земли. Котлован предполагалось возводить методом «стена в грун-
те» с предварительным шпунтовым ограждением из металлических труб Ь=219 мм с толщиной стенки 8 мм, с шагом 219 мм. Это ограждение устраивалось на расстоянии 30-50 см от наружных стен существующего здания, и было призвано ограничить деформации здания (см. Рис.1).
Рис. 1. Схема устройства котлована
Так же была выполнена вертикальная планировка площадки строительства, произведена частичная срезка грунта на глубину до 0,8 м, и, как следствие, частичное обнажение наиболее деструктированной верхней части фундамента наружной продольной стены по оси В существующего здания.
При проведении земляных работ по устройству шпунтового ограждения котлована в конце рабочего дня 01.03.2005 произошел отрыв части фундамента наружной стены здания по оси В (вдоль шпунтовых свай) между осями 3-5. Образовалась сквозная горизонтальная трещина раскрытием до 3-4 см и длиной око-
ло 4 метров (рис.2). С этого момента начался лавинообразный процесс деформирования здания. Деформации сопровождались появлением развивающихся со временем наклонных сквозных трещин в торцах здания, внутренних поперечных перегородках, стенах лестничной клетки, образовались две большие трещины в полу подвала, в арочных перемычках подвала появились сквозные наклонные трещины раскрытием до 2 мм.
Рис.2. Общий вид горизонтальной трещины и шпунтового ограждения
Деформации здания развивались во времени достаточно интенсивно. Вслед за осадками наружной стены по оси В наблюдались деформации внутренних опор подвала - несущих кирпичных столбов, связанных с продольными стенами арочными перемычками, столбы получили заметный крен и видимый отрыв их нижней части от пола подвала в сторону котлована. Деформации фиксировались с помощью геодезических приборов. На здании было установлено 8 стенных реперов, 14 щелемеров в подвальной части здания, 7 щелемеров - по фасадам. Наблюдения за деформациями проводились с частотой в 2 дня. Осадка северной продольной стены здания по оси В составила 16 мм (в период с 02.03.05 до 09.03.05) отно-
сительно южной стены, которая в это же время переместилась вверх примерно на 3 мм. Осадка северной стены в 3 раза превысила допустимую величину (5 мм). Относительная разность осадок здания в поперечном направлении составила
0.0025, что также превышает установленный нормами допуск. Таким образом, произошел наклон здания в сторону котлована.
В процессе обследования были проведены также термометрические наблюдения и зафиксированы повышенные значения температуры подземных вод (до 50°С) в пробуренных скважинах. Аномально высокие значения температуры были вызваны локальными утечками из городской системы центрального отопления. Однако означенные инженерные сети находились за пределами площадки строительства, что вызывало дополнительные сложности при установлении причин утечек.
Локальные утечки из системы отопления привели к возникновению суффозионных процессов в основании фундаментов обследуемого здания. При проведении статического зондирования было установлено, что в основании здания, в месте наибольших деформаций, расположена зона разуплотненных грунтов - рыхлых песков средней крупности и мелких на глубине 50 см ниже подошвы фундаментов (см. рис.3). Мощность слоя рыхлых песков достигает до 2 м и расположена между осями 2-4.
Фундаменты здания обследовались в 5-ти шурфах, вскрытых в подвальном помещении. Шурфы №
1, 3, 4 расположены у северной продольной стены по оси В. Выбор места шурфов обусловлен наличием наибольших деформаций именно этой стены. Результаты вскрытий фундаментов аварийного здания в
Рис.3. Схема расположения разуплотненной зоны песчаного грунта в основании
шурфах позволяют также сделать вывод о механической суффозии не только основания, но и бутовой кладки ленточных фундаментов, эксплуатировавшихся около 100 лет. На участке проходке шурфа 1/05 сложный раствор в верхней части фундамента полностью деструк-тирован до рыхлого состояния. В деструктированной верхней части фундамента проявлены признаки деформаций растяжения, связанных с оседанием фундамента от кирпичной кладки стены подвала.
В результате произошедших деформаций, существующее здание в продольном направлении разделилось на два деформационных блока: северный и южный. Северный блок, примыкающий к котловану, испытывает интенсивные деформации осадочного характера, сконцентрированные по наружной продольной стене. Образование сквозной горизонтальной трещины в наружной стене обусловлено присутствием растягивающих напряжений в кирпичной кладке стены подвала в месте расположения разуплотненной зоны, а размер трещины в пла-
не обусловлен особенностью конструктивной схемы здания: трещина расположена в осях 2-3, т.е. между арочными перемычками, передающими на наружную стену значительные сжимающие усилия.
Анализ выполненного экспресс обследования, включающего исследования фундаментов и надземных конструкций здания, инженерно-геологические оценки, а также геодезический мониторинг строительных конструкций позволяют сделать следующие выводы. Недопустимые деформации здания, вызвавшие его аварийное состояние, обусловлены строительными работами по возведению соседнего здания, по технологии не учитывающей наличие линз рыхлого водонасыщенного песка в основании.
Выполнение рекомендаций по усилению фундаментов аварийного здания со стороны котлована путем инъецирования цементного раствора под подошву фундамента, выявление и ликвидация источника техногенных вод привели к прекращению деформаций здания на данной стадии производства работ.
1/2006
Т к.
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО НАГРУЖЕННЫХ ГРУПП СВАЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗОК
В современных промышленных предприятиях на фундаменты наряду с постоянно действующими нагрузками передаются, как правило, и временно действующие повторные нагрузки. К повторным статическим нагрузкам принято относить крановые и ветровые, воздействие которых на фундаменты имеет сравнительно короткий срок.
В условиях, когда одной из основных тенденций развития машиностроительной промышленности является непрерывный рост мощностей технологических агрегатов и оборудования, что приводит к увеличению грузоподъемности транспортных средств цехов, т.е. к увеличению доли кратковременных нагрузок при уменьшении постоянных в связи с применением более эффективных и легких материалов для несущих и ограждающих конструкций, необходимость учета влияния кратковременных повторных нагрузок на несущую способность и осадки фундаментов, в том числе и свайных, возрастает.
В данной статье рассматриваются некоторые вопросы влияния кратковременных повторных нагрузок на работу свайных фундаментов и, в частности, на распределение осевых вертикальных нагрузок на сваи внецентренно нагруженных свайных групп. Экспериментальные и аналитические исследования по данному вопросу проводятся в рам-
Е.Б. Морозов
ках реализации Комплексной программы по изучению работы свайных фундаментов в различных грунтовых условиях, разработанной на кафедре Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ под руководством профессоров Н.М.Дорош-кевич и В.В.Знаменского.
Анализ технической литературы, связанной с исследованиями влияния повторных статических нагрузок на работу фундаментов, показал, что большинство работ посвящено изучению действия кратковременных нагрузок на дорожные покрытия и фундаменты мелкого заложения, и только небольшая часть работ связана с исследованием свайных фундаментов. Однако ряд установленных положений и закономерностей этого влияния характерны и для свайных фундаментов. Основными из них являются следующие.
1. Многократные приложения статической нагрузки вызывают большие по величине деформации грунтов по сравнению с деформациями, соответствующими однократному приложению нагрузки при одинаковом общем времени воздействия или, другими словами, приводят к накоплению в грунтах остаточных деформаций.
На рис. 1 показана кривая накопления упругой и остаточной деформаций при повторных нагруже-ниях штампа. Видно, что остаточные деформации от цикла к циклу
затухают и в пределе стремятся к нулю, а упругие остаются практически постоянными.
2. Значение остаточной деформации зависит от отношения кратковременной нагрузки к суммарной, выраженному коэффициентом изменчивости п
П = Ркр / (Ркр + Рп), (1)
где Ркр - кратковременная повторная нагрузка; Рп - постоянная нагрузка.
С увеличением коэффициента п деформации возрастают.
3. Накопление остаточных деформаций оценивается коэффициентом повторности Кп, равном:
Кп = ^ (2)
где - остаточная деформация после N циклов приложения одинаковой нагрузки; - то же после однократного приложения такой же нагрузки.
1 2 3 4 5 6 7 8 р кгс
Процесс накопления остаточных деформаций при повторных нагрузках, характеризуемый коэффициентом Кп, имеет в логарифмических координатах линейную зависимость от числа нагружений (см. рис. 2).
Исследований, посвященных изучению работы свайных фундаментов при действии кратковременных повторных нагрузок сравнительно мало, причем большая часть них проводилась при испытаниях одиночных модельных или натурных свай на горизонтальные нагрузки (А.М.Латышенков, 1939 г., В.В.Миронов, 1964 г., Б.Л.Фаянс, 1976 г., Б.В.Бахолдин и В.В.Стуров, 1979 г., Ястребов П.И., 1986 г.). Эти исследования показали, что и в случае свай повторные кратковременные нагрузки вызывают более интенсивные перемещения фундаментов по сравнению со статическими нагрузками независимо от свойств грунтов.
3,0
2,0
Кп
1,0
5 10
20
N 50 100
Рис. 2. График зависимости Кп от числа нагружений и коэффициента п
нагружение разгрузка
Рис. 1. Деформации грунтов при повторных приложениях нагрузки
Т к.
В рамках реализации Комплексной программы по изучению работы свайных фундаментов в различных грунтовых условиях, о чем указывалось выше, кафедрой МГрОиФ МГСУ совместно с проектным институтом «Сибгипросельхозмаш» (г. Барнаул) были проведены исследования влияния повторных кратковременных нагрузок, действующих на фоне постоянной, на работу вне-центренно нагруженных групп свай. Эти исследования позволили выявить ряд важных закономерностей взаимодействия внецентренно нагруженных групп свай с грунтом основания при повторных нагрузках на фундаменты, что подробно изложено в работах [1], [2].
Экспериментальные исследования проводились в песчаных грунтах различной плотности на фундаментах из натурных забивных свай различной длины, а также на модельных фундаментах с применением тензометрических свай. Опытные модельные группы содержали от трех до девяти свай при осевом расстоянии между ними Ъй, 4,5d и 6й. Размеры модельных тензомет-рических свай соответствовали натурным сваям длиной 4, 6 и 9 м, сечением Ъ0хЪ0 см.
Дополнительные эксперименты по изучению влияния повторных нагрузок на распределение вертикальных осевых усилий между сваями внецентренно нагруженных групп были проведены в аналогичных грунтовых условиях на тех же типоразмерах модельных свай в лотке Лаборатории оснований, фундаментов и инженерной геологии НИИ транспортного строительства (ЦНИИС).
В проведенных экспериментах режим нагружения устанавливался на основе анализа нагрузок, характерных для одноэтажных, многопро-
летных промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами, проведенный Б.В.Варнаковым [1].
Принятый режим нагружения характеризовался коэффициентом изменчивости п, при определении которого учитывалось, что даже при наименьшем периоде времени действия ветровой напор является фоновой нагрузкой для повторной крановой.
П = Лф / Рр + Ри + РЛ (Ъ)
где Ркр - крановая нагрузка; Ри - постоянная нагрузка от веса конструкций и снега; Рв - ветровая
нагрузка.
Для подавляющего большинства промзданий коэффициент изменчивости находится в пределах от 0,1 Ъ до 0,49 в зависимости от грузоподъемности кранов, объемно-планировочного решения здания и величины скоростного напора ветра. Количество свай в кусте не влияет на его значение. В проведенных испытаниях коэффициент п изменялся в пределах от 0,1 до 0,7.
Кроме того, исследования, включая и методические испытания одиночных свай, показали, что упругие и остаточные деформации при циклическом нагружении фундаментов в значительной степени зависят от того, при какой статической нагрузке прикладывается кратковременная. Из рис. Ъ видно, что чем ближе значение статической нагрузки к предельной, тем больше будут деформации при повторных нагрузках.
Соотношение расчетной и предельной нагрузок характеризуется коэффициентом уровня нагружения ¥
¥ = Р / Ф
Х 1 СВ ' ^ирч
(4)
где Рсв - нагрузка на сваю; Фир, -предельное сопротивление сваи.
Рис. 3. Влияние уровня нагружения сваи на интенсивность накопления остаточных деформаций
при п = 0,3 и N = 10 а) у1 = 0,8; б) у2 = 0,9; в) у2 = 1,0. 1- циклические испытания, 2- статические испытания
При проведении испытаний коэффициент у принимался изменяющимся от 0,4 до 1,0.
Результаты проведенных испытаний, показали следующее:
В зависимости от различных факторов неравномерность распределения нагрузки между сваями внецентренно нагруженных групп может увеличиваться или уменьшаться, но всегда остается меньше определенной по методике п. 3.11 СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты». Это является следствием того, что при расчете по методике СНиП не учитываются реактивные усилия, вызванные креном свайной группы и создающие момент, обратный приложенному, что приводит к снижению неравномерности распределения вертикальных осевых усилий между сваями.
К факторам, влияющим на распределение внецентренно приложенной нагрузки между сваями, относятся: длина свай, число свай в группе и их расположение в плане, расстояние между сваями, эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки и параметры повторных нагрузок п и у.
В исследованных пределах изменения указанных факторов получено, что при действии постоянных
нагрузок неравномерность распределения осевых вертикальных усилий между сваями внецентренно нагруженных групп уменьшается с увеличением числа свай в группе и расстояния между ними и увеличивается по мере увеличения длины свай и эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки.
Это говорит о том, что распределение нагрузки между сваями вне-центренно нагруженных групп зависит от характера деформирования фундамента: поворачивается без изгиба, поворачивается с изгибом, изгибается только в верхней части без горизонтального смещения нижних концов свай. В свою очередь, как это показано в работе [3], характер деформирования внецентренно нагруженного фундамента в грунте зависит от его относительной пространственной гибкости которая в значительной мере определяется податливостью грунтового основания
^ = 0,635 I [Е / (1 - у2)(Еб/)г]1/4, (5)
где I - длина сваи в грунте; (Еб1)г - жесткость свайной группы на изгиб относительно главной оси плана ростверка, определяемая по формуле (6); Е и V - соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта.
1/2006
Е.Б. Морозов
(E4 = (E6i1)i
(6)
где:
(Еб/г)св - изгибная жесткость /-ой
сваи относительно главной оси плана ростверка; Еб - модуль упругости
бетона; / - момент инерции /-ой
сваи относительноглавной оси фундамента; /св - собственный момент инерции поперечного сечения сваи.
Опыты показали, что с увеличением показателя F неравномерность распределения осевых вертикальных усилий между сваями, характеризуемая коэффициентом неравномерности Кн = Nmax / Nmin, где Nmax, Nmin - осевые усилия на крайние противоположно расположенные сваи внецентренно нагруженной группы, увеличиваются.
Рис. 4. Распределение нагрузок между сваями в песчаном грунте
Из изложенных выше результатов вытекает, что действие кратковременных переменных нагрузок, приводящее к увеличению податливости грунтового основания, т.е. к увеличению относительной пространственной жесткости внецент-ренно нагруженной группы, уменьшает неравномерность распределения вертикальной нагрузки между сваями.
Этот вывод подтверждается результатами испытаний моделей свайных групп в песчаном грунте, показанными на рис. 4.
Испытания модельных фундаментов кратковременными повторными нагрузками позволили установить качественные показатели, характеризующие особенности работы внецентренно нагруженных
групп свай при действии кратковременных повторных нагрузок, и установить основные закономерности влияния параметром повторных нагрузок (коэффициенты ¥ и п) на распределение осевых вертикальных нагрузок между сваями фундамента.
В настоящее время проводится математико-статистический анализ полученных результатов и получение основных установленных закономерностей в математическом виде.
Полученные результаты будут использованы для дальнейшего развития инженерного метода расчета несущей способности внецент-ренно нагруженных свайных групп с учетом действия кратковременных повторных нагрузок.
