CC BY
86Причины деформации зданий и методы решения
Селезнев Константин Александрович
технический директор, ООО "РМС", ska.upravlenie@gmail.com
В данной научной статье исследованы причины деформации зданий и представлены методы их обнаружения и решения. Обсуждаемые методы включают геодезические измерения, визуальный осмотр, использование лазерных сканеров, инженерные геологические исследования, мониторинг нагрузок, использование геоинформационных систем и другие технические инструменты. Подробно рассмотрены основные характеристики осадки, такие как полная осадка, средняя осадка, разности осадок и перекосы конструкций. Также представлены методы измерения и вычисления осадок через формулы. Важным аспектом обсуждения является значимость предотвращения осадки зданий в процессе строительства. Уделено внимание правилам и методам, которые помогают избежать осадки, таким как уплотнение грунта, использование непросадочного грунта и утрамбовка основания. Исследование подчеркивает, что состав грунта играет важную роль в осадке фундамента здания. Представлены различные методы создания фундамента, такие как свайный фундамент и укрепление земли различными материалами. Также в данной научной статье отмечается, что применение свайного фундамента значительно снижает возможность осадки даже на дисперсных грунтах. Сделан вывод о важности систематического наблюдения за осадками и принятии соответствующих мер для предотвращения проблем просадки зданий. Это способствует повышению безопасности и надежности строительных объектов, а также минимизации риска аварийных ситуаций. Ключевые слова; осадка зданий, методы обнаружения, методы решения, фундамент, геодезические измерения, визуальный осмотр, лазерные сканеры, инженерные геологические исследования, мониторинг нагрузок, геоинформационные системы, уплотнение грунта, непросадочный грунт, свайный фундамент, состав грунта.
Введение
Изучение деформации зданий и сооружений представляет собой важную область современной инженерной практики. Наблюдение за деформациями является неотъемлемой частью строительного процесса, поскольку они могут существенно влиять на устойчивость и работоспособность сооружений. Более того, отслеживание деформаций может продолжаться на протяжении всего периода эксплуатации, чтобы обеспечить нормальный режим функционирования и безопасность конструкций [1].
Изучение деформаций включает в себя анализ физического поведения зданий и сооружений, когда фундамент и нижние части сооружения подвергаются вертикальному смещению. Это смещение может проявляться в виде осадок, проседания или наклона. Оседание относится к постепенному и медленному перемещению сооружения из-за относительно незначительного сжатия грунта под весом здания. Во время заселения не происходит существенных изменений в структуре почвы, и процесс происходит только в проектных пределах. С другой стороны, просадка и наклон - это сложные явления, которые влекут за собой интенсивные изменения структуры почвы и ее подвижности.
Типы деформаций
I
ОСАДКА - равномерное оседание до проектных значений
КРЕН - неравномерное оседание здания без деформации самого здания
ПРОСАДКА - неравномерное оседание здания с деформацией самого здания
Рисунок 1 - Типы деформаций
При изучении деформаций необходимо учитывать различные факторы, которые влияют на их возникновение. Одним из таких факторов являются геологические условия, характеризующиеся различными типами грунтов с разной несущей способностью. Например, глинистые грунты подвержены усадке и вспучиванию, что может приводить к деформации зданий и сооружений. Кроме того, важное значение имеют такие факторы, как водные процессы, включая сезонные изменения уровня грунтовых вод и проблемы дренажа, а также сжатие торфа под нагрузкой сооружения [6].
В дополнение к этим факторам на деформации также могут влиять характеристики самого сооружения, включая размер, форму и вес фундамента, а также материалы и типы надстроек. Важно отметить, что природные факторы, такие как оседание почвы, набухание грунта и изменения влажности почвы и грунтовых вод, также могут оказывать значительное влияние на деформацию зданий и сооружений (рис. 2) [2].
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
Сл>
со сч
0 сч
«э
01
0 ш Ш
1
<
ш
0
1 I
Рисунок 2 - Пример неравномерной осадки грунтового основания
Для полноценного изучения деформаций зданий и сооружений необходим комплексный научный подход, включающий в себя систематическое наблюдение, измерение и анализ данных. В процессе наблюдения за деформациями применяются различные методы и инструменты, такие как геодезические измерения, лазерные сканеры, инклинометры и другие приборы, позволяющие получить точные и надежные данные о вертикальных смещениях и наклонах сооружений.
Оценка деформаций в фундаментах зданий и сооружений включает анализ различных типов деформаций, таких как осадки, разбухание и усадка, просадка, поднятие (пучение) и горизонтальное смещение. Особое внимание уделяется классификации деформаций и их математическим характеристикам. Например, осадки оцениваются путем измерения перпендикуляров, отклоненных от исходной горизонтальной плоскости (основания фундамента) к точкам пересечения с деформированной поверхностью. Однородные населенные пункты характеризуются равной длиной перпендикуляров, в то время как неоднородные населенные пункты имеют различную длину (рис. 2) [4].
циент сжимаемости и модуль деформации. Расчет осадки может быть выполнен для отдельных свай, нескольких свай или всего фундамента здания [3].
Другим методом является метод эквивалентного слоя, который используется, когда поперечное растекание неосуществимо. Основным преимуществом этого метода является возможность определения коэффициента эквивалентного слоя для каждого типа почвы, в отличие от метода постепенного суммирования. На рисунке 4 показана схема метода эквивалентного слоя.
(ухояит
а "• со")
осалке-
У77777777777Л
Осадка (глубина ухолит е ' + "5")
Рисунок 4 - Метод эквивалентного слоя
Характеристика деформаций фундамента
Характеристика деформаций фундамента имеет важное значение при изучении зданий и сооружений. Для определения осадок и других параметров деформации используются специальные методы измерений и вычислений. Вот некоторые основные характеристики и формулы, используемые для анализа деформаций фундамента:
1. Полная осадка отдельных точек фундамента определяется с помощью измерений и рассчитывается по формуле:
Б=НО - НК|
где Но - эталон начального цикла измерений, И\ - эталон текущего цикла измерений относительно контрольной точки.
2. Средняя осадка сооружения ^ср) определяется на основе фактических осадок по крайней мере трех отдельных фундаментов внутри здания или сооружения и рассчитывается по формуле:
Псасшва фмавмжп
К *
Дефзрикрт-энтд лгирлссгь
Рисунок 3 - а) равномерные осадки;б) неравномерные осадки
Методы определения осадок фундамента
Инженеры, участвующие в проектировании и расчете фундамента, тщательно изучают площадку, анализируют характеристики здания и учитывают ключевые факторы для выполнения расчетов осадки, используя два основных метода: метод инкрементного суммирования и метод эквивалентного слоя.
Расчет осадки является важнейшим компонентом при строительстве здания, поскольку фундамент служит его основанием, влияющим на надежность и безопасность эксплуатации. Один из методов расчета осадок в свайных фундаментах известен как метод инкрементного суммирования. Этот подход требует определения характеристик грунта, включая коэффи-
<? =_>_•
^СР 5
п
где п - количество баллов. В дополнение к среднему расчетному значению также определяются максимальное ^тах) и минимальное ^тт) расчетное значение здания или сооружения.
3. Различия в расчетах между двумя точками (или циклами наблюдений) рассчитываются по формулам:
Л^, = - ,
Л5Г„, и = " 5» -
тгп п т
где Б] - расчетные значения точек \ и Бт, Бп - расчетные значения в т-м и п-м циклах наблюдений.
4. Послойная деформация грунтов основания определяется для точек, закрепленных в верхней и нижней частях слоя грунта здания. Он рассчитывается по формуле:
=5 - 5
г кр под
где Нк - ориентир точки К, г - толщина корпуса здания.
5. Наклон конструкции измеряется по максимальной разнице в неравномерных осадках между двумя соседними опорами, нормализованной по расстоянию между ними.
6. Крен здания и фундамента
В строительной практике различают два типа наклонов: наклон здания и наклон фундамента. Они представляют собой отклонение вертикальной оси сооружения и плоскости подошвы фундамента от линии отвеса или горизонта соответственно. Наклон может быть измерен и выражен в различных единицах измерения, таких как угловые, линейные или относительные меры.
Оценка устойчивости конструкций может быть более наглядной, используя наклон в качестве характеристики, относящейся к расстоянию L между точками i и j. Относительный наклон (К) указывает на наклон конструкции и рассчитывается следующим образом:
К= --
Ь
где и Б] - координаты точек \ и а I - расстояние между ними.
7. Относительная осадка отдельных частей конструкции рассчитывается по следующей формуле:
25', - (5,. + 5,)
/ = -
21
где Si и Sj - координаты точек i и j, закрепленных по краям прямого участка конструкции длиной L; Sk - координаты точки К, расположенной посередине между точками i и j.
8. Кручение здания относится к вращению параллельных секций конструкции вокруг ее продольной оси.
9. Горизонтальное смещение отдельной точки в структуре вычисляется как разница в координатах Хп, Yn, Хт, Ym между п-м и т-м циклами наблюдений. Перемещения рассчитываются в общем случае:
<2* = Х„-
О =У -У .
^у п т
10. Трещины в строительных конструкциях возникают из-за неравномерных осадок и дополнительных напряжений. Их наличие и характеристики также учитываются при наблюдении за деформациями.
Различные методы нивелирования, такие как гидровыравнивание, геометрическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, стереофотограмметрическое нивелирование и фотограмметрическое нивелирование, используются для измерения осадок и других деформаций в зданиях и сооружениях [5]. Эти методы предоставляют точные данные о деформациях и помогают определить состояние и устойчивость конструкций.
Методы обнаружения осадки зданий:
1. Геодезические методы: Включают использование специальных геодезических инструментов, таких как нивелиры и геодезические приборы, для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений здания. Это позволяет выявить даже незначительные изменения уровня здания и определить характер просадки.
2. Визуальные методы: Основаны на визуальном осмотре здания для обнаружения видимых признаков просадки, таких как трещины, наклонные стены или расхождение стыков. Этот метод является простым, но эффективным способом первичной оценки проблемы осадки.
3. Инженерные геологические исследования: Включают анализ грунтовых условий вокруг здания для выявления потенциальных проблемных зон. С помощью методов, таких как зондирование грунта, извлечение образцов и гидрогеологические измерения, можно определить наличие грунтовых движений, подземных вод и других факторов, которые могут быть связаны с просадкой здания [3].
Предотвращение урегулирования фонда является предпочтительным подходом по сравнению с решением этой проблемы в будущем. При возведении фундамента дома важно соблюдать несколько правил.
Для решения проблем с осадкой здания перед установкой фундамента существует несколько возможных вариантов уплотнения:
1. Уплотнение грунта с использованием тяжелого уплот-нительного оборудования: Перед началом работ важно добиться оптимальной влажности грунта, чтобы должным образом подготовить место установки фундамента.
2. Уплотнение не оседающим грунтом: Этот метод дополняет предыдущий вариант уплотнения. Если уплотнение не дает желаемого результата, на подготовленное основание наносят не оседающую грунтовую подушку.
3. Уплотнение с помощью контролируемой взрывной обработки: Другим вариантом является уплотнение фундамента с помощью серии направленных взрывов. Однако этот подход является дорогостоящим и трудоемким, поэтому применяется редко.
Что касается второго метода уплотнения, то он предполагает более радикальные подходы. Для решения проблем уплотнения могут быть использованы следующие подходы:
• Свайные фундаменты и свайно-плотовые фундаменты.
• Укрепление грунта с использованием таких материалов, как битум, цемент и другие добавки.
• Уплотнение основания с помощью грунтовых свай.
• Установка забивных свай в качестве фундамента.
Следуя этим методам, можно свести к минимуму риск оседания фундамента в будущем, обеспечив стабильную и долговечную конструкцию.
Мониторинг деформаций в высотных зданиях и сооружениях
Мониторинг деформаций в высотных зданиях и сооружениях играет решающую роль в практике строительства. Высокие сооружения, такие как высотные здания, телевизионные башни, дымовые трубы и радиомачты, обладают уникальными конструктивными характеристиками и подвергаются значительным нагрузкам, распределенным на относительно небольшой площади. Это приводит к осадкам зданий, которые могут нарушить их вертикальность и привести к образованию трещин.
Населенные пункты увеличиваются на этапе строительства и стабилизируются в процессе эксплуатации. Кроме того, в высотных зданиях могут возникать динамические деформации из-за колебаний температуры, воздействия ветра и вибрации здания. Эти деформации особенно заметны в конструкциях ступенчатой формы и башенного типа.
Высокоточное геометрическое нивелирование широко используется для мониторинга застройки населенных пунктов. Отметки осадки устанавливаются вдоль стыков и линий осадки, а также на стенах фундамента, что позволяет точно измерять осадки зданий. Кроме того, маркеры населенных пунктов устанавливаются на высотных зданиях и также могут использоваться для измерения населенных пунктов в соседних зданиях.
Для расчетных измерений используются портативные и стационарные гидростатические системы. Абсолютные расчетные значения определяются путем периодического подключения нескольких точек гидростатической системы к контрольным точкам. Это позволяет рассчитать абсолютные значения осадки, нормы осадки, а также среднюю осадку для всей конструкции, наклоны и прогибы ее отдельных частей [5].
X X
о
го А
с.
X
го т
о
2 О
м
Сл>
fO CS
о
CS <0
Современный и систематический мониторинг деформаций зданий играет решающую роль в повышении безопасности строительных проектов и снижении риска возникновения чрезвычайных ситуаций.
Заключение
В заключение следует отметить, что состав грунта является критическим фактором, влияющим на степень оседания фундамента в любом сооружении. При использовании свайного фундамента вероятность оседания минимальна, даже при строительстве на связных грунтах (неуплотненных грунтах).
Изучение деформаций зданий и сооружений является сложной и ответственной задачей, поскольку от точности и своевременности определения деформаций зависит их долговечность и безопасность. Поэтому постоянное развитие методов и технологий в области мониторинга деформаций является актуальным направлением научных исследований. Внедрение современных технических средств и разработка новых методов анализа позволяют совершенствовать процесс наблюдения за деформациями и обеспечивать более эффективное управление строительными проектами.
Литература
1. Долженков Д.Ю., Черныш А.С. Повышение несущей способности фундамента мелкого заложения на обводненных глинисто-песчаных основаниях пойменных отложений. Сб. докл. «Наукоемкие технологии, инновации» XXI научные чтения/ Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. Ч.2. С.145-151.
2. СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83 [электронный ресурс] / Электронный фонд правовой и нормативнотехнической документации. — Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/456054206
3. Кулачкин Б.И., Митькин А.А., Магомедов С.С. Состояние и перспективы геотехники и механики грунта // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. -2017. - Т. 8, № 1. - С. 32-52. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.03
4. Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура Т. 8, № 1, 2017 PNRPU Bulletin. Construction and architecture http://vestnik.pstu.ru/arhit/about/inf/ DOI: 10.15593/22249826/2017.1.03 УДК 624.131
5. Гура, Т. А. Деформации зданий и сооружений и порядок их выявления / Т. А. Гура, А. О. Бирюкова, Е. А. Овсиенко. // Молодой ученый. — 2016. — № 30 (134). — С. 59-62.
6. Georesin. Техноблог - Виды просадки фундаментов зданий. Причины осадки сооружений, 2019. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://georesin.ru/prosadka-fundamentov/
Causes of Building Deformations and Methods of Resolution. Seleznev K.A.
LLC "RMS"
JEL classification: L61, L74, R53
This scientific article explores the causes of building deformation and presents methods for their detection and resolution. The discussed methods include geodetic measurements, visual inspection, the use of laser scanners, engineering geological surveys, load monitoring, the use of geographic information systems, and other technical tools. The main characteristics of settlement, such as total settlement, average settlement, settlement differentials, and structural tilts, are thoroughly examined. Methods for measuring and calculating settlements through formulas are also presented. An important aspect of the discussion is the significance of preventing building settlement during the construction process. Attention is devoted to rules and methods that help avoid settlement, such as soil compaction, the use of non-settling soil, and base compaction. The study highlights the crucial role of soil composition in building foundation settlement. Various methods for creating foundations are presented, including pile foundations and soil reinforcement with different materials. Additionally, the scientific article notes that the use of pile foundations significantly reduces the possibility of settlement even in dispersive soils. It is concluded that systematic monitoring of settlements and the implementation of appropriate measures to prevent settlement issues are essential. This contributes to enhancing the safety and reliability of construction projects, as well as minimizing the risk of accidents. Keywords: building settlement, detection methods, resolution methods, foundation, geodetic measurements, visual inspection, laser scanners, engineering geological surveys, load monitoring, geographic information systems, soil compaction, non-settling soil, pile foundation, soil composition. References
1. Dolzhenkov D.Yu., Chernysh A.S. Increasing the load-bearing capacity of the
foundation of shallow laying on watered clay-sand foundations of floodplain deposits. Sat. dokl. "High-tech technologies, innovations" XXI scientific readings/ Belgorod: Publishing House of BSTU, 2014. Part 2. pp.145-151.
2. SP 22.13330.2016 Foundations of buildings and structures. Updated version of
SNiP 2.02.01-83 [electronic resource] / Electronic Fund of legal and regulatory technical documentation. — Access mode:
http://docs.cntd.ru/document/456054206
3. Kulachkin B.I., Mitkin A.A., Magomedov S.S. State and prospects of geotechnics
and soil mechanics // Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Construction and architecture. -2017. - Vol. 8, No. 1. - pp. 32-52. DOI: 10.15593/2224-9826/2017 .1.03
4. Bulletin of PNRPU. Construction and architecture Vol. 8, NO. 1, 2017
http://vestnik.pstu.ru/arhit/about/inf/ DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.03 UDC 624.131
5. Gura, T. A. Deformations of buildings and structures and the procedure for their
detection / T. A. Gura, A. O. Biryukova, E. A. Ovsienko. // Young scientist. — 2016. — № 30 (134). — Pp. 59-62.
6. Georesin. Technoblog - Types of subsidence of foundations of buildings. Causes
of precipitation of structures, 2019. [Electronic resource] Access mode: https://georesin.ru/prosadka-fundamentov/
О Ш
m x
<
m о x
X
