CC BY
22УДК 624.151.5
ПРОБЛЕМЫ ОДНОСТОРОННЕГО УСИЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ЗДАНИЙ НЕБОЛЬШОЙ
ЭТАЖНОСТИ
И.М. Дьяков, А.И. Дьяков, Ю.И. Дьякова
ФГОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского». Академия строительства и архитектуры Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская 181 Karta3@mail.ru
Аннотация. Рассмотрены и проанализированы характерные деформации и повреждения зданий небольшой этажности в сложных инженерно-геологических условиях Крыма послевоенной постройки 20 века, выявленные в ходе обследования технического состояний зданий в Красногвардейском районе Крыма и г. Судак. Определены основные причины деформации и повреждения, связанные с условиями эксплуатации и процессами, происходящими в грунтовом основании и конструкциях здания. Установлено, что развитию характерных кренов наружных стен здания способствуют нарушение отмостки здания, более высокая степень влажности грунта под краевыми зонами фундамента, а также развитие процесса суффозии грунта и деградация кладки фундамента с наружной стороны стен. Рассмотрены проблемы выполнения работ по усилению, связанные с отсутствием доступа к фундаментам изнутри здания, низкой прочности материалов фундамента и кладки стен. Определены задачи усиления фундаментов и здания в целом. Авторами предложена методика одностороннего усиления фундаментов в комплексе с системой усиления стен. При ее реализации нагрузки на конструкцию усиления фундамента передаются с конструкции усиления стен. На основании проведенных расчетов зданий с усилением в программных комплексах подтверждена эффективность методики усиления. Рассмотрены подходы к расчету конструкции усиления инженерными методами.
Предмет исследования: проблемы и методы одностороннего усиления фундаментов зданий небольшой этажности в сложных инженерно-геологических условиях Крыма
Материалы и методы: в исследованиях использованы результаты обследования технического состояния более 15 зданий небольшой этажности послевоенной постройки 20 века в Крыму, выполнен анализ результатов исследований, разработана методика усиления и оценки несущей способности усиления.
Результаты: Выявлены характерные причины деформаций и повреждений зданий небольшой этажности, построенных из местных материалов в инженерно-геологических условиях Крыма. Предложены оптимальные методы реконструкции фундаментов зданий небольшой этажности, построенных из местных материалов в инженерно-геологических условиях Крыма и технические решения одностороннего усиления фундаментов.
Выводы: разработанный подход к одностороннему усилению фундаментов позволяет решать задачи усиления фундаментов зданий небольшой этажности, построенных из местных материалов в инженерно-геологических условиях Крыма без выведения здания из эксплуатации.
Ключевые слова: инженерно-геологические условия, фундаменты, реконструкция, усиление, основание, деформации, крен.
ВВКЯКНИК Цель исследований - на основании изучения
причин деформаций и повреждений зданий
Жилой фонд Крыма в значительной степени небольш°й этажшст в инжжрн^гемоти^сгах
представлен зданиями небольшой этажности, устоях Крьша, гоу^нм ^^ншстей тостоянм
возведенных во второй половине 20 века из местных конструкций и условий ^шмн™ работ,
материалов на ленточных фундаментах мелкого преддожита оттишльнга ^ти р^нструщии
заложения. В отдельных районах полуострова Фундаментов без виведенм зданий го
характерным являются существенные повреждения эксплуагации. таких зданий, связанные с неравномерной осадкой Задачи доздедодвдга:
фундаментов. Для приведения зданий в - на основании ршу^тата ^сдад^адм здадт
работоспособное техническое состояние необходим выявить характерные виды деформаций и
поиск оптимальных путей реконструкции повреждений зданий небольшой этажности, фундаментов, учитывающих как особенности построенных го месгаых ттериадм в и^шрш-
конструктивных схем и характеристики грунтового геологических условиях Крыма, основные причины
основания, требования современных норм в области их возникновения,
сейсмостойкости и безопасности эксплуатации, так - установить основные проблемы выполнения
и условия выполнения работ. р^отструщт (^вдш^шт рассматриваемых
здании в условиях отсутствия возможности выведения зданий из эксплуатации;
- предложить оптимальные методы реконструкции фундаментов зданий небольшой этажности, построенных из местных материалов в инженерно-геологических условиях Крыма и оптимальную конструкцию усиления.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Исследованиями в области реконструкции и усиления фундаментов занимались многие отечественные и зарубежные учение, среди которых А.Л. Готман, М.И. Баженов, С.Г. Богов, В.В. Далматов, А.И. Мальганов, В.С. Плевков, А.И. Полищук, П.А. Соколовский, Е.А.Сорочан, А.З. Хасанов, Н.А. Цытович, А.В. Черняков, В.Б. Швец и др. В трудах [1-3] предложены различные подходы к усилению фундаментов и конструктивные решения усиления. Вместе с тем, работы, посвященные разработке усиления фундаментов зданий из местных материалов в сложных инженерно-геологических условиях Крыма отсутствуют. Не решена задача выбора оптимальной конструкции усиления при выполнении работ в условиях эксплуатации зданий рассматриваемого типа.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для реализации поставленной цели были проанализированы результаты обследования технического состояния более 15 жилых зданий небольшой этажности, возведенных из местных материалов в послевоенный период в Красногвардейском районе Крыма и городе Судак, поселке Старый Крым. Изучались инженерно-геологические условия территории, характер повреждений и деформаций зданий, условия эксплуатации. В ходе анализа выявлялись типичные процессы, происходящие в грунте основания и
конструкциях зданий. Сооружения с конструкцией усиления моделировались в программных комплексах Лира и PLAXIS.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
В послевоенный период 20 века в Северном и Восточном Крыму бело построено значительное количество многоквартирных жилых домов, а так же общественных зданий этажностью 2-3 этажа стеновой конструктивной системы. Длина зданий, как правило, не превышала 40 м. Материал стен -известняк-ракушечник либо нуммулитовый известняк, уложенный на цементно-песчаном растворе. Толщина стен 500 мм и более. Фундаменты зданий - бутовые и бутобетонные. Перекрытия и покрытие - деревянное по деревянным несущим конструкциям.
Антисейсмические мероприятия отсутствуют.
В результате проведения обследования технического состояния более 15 зданий рассмотренной конструкции были выявлены характерные для них деформации и повреждения. Среди наиболее распространенных - следующие:
- крен наружных стен здания в наружном направлении;
- наличие в наружных стенах вертикальных и наклонных трещин с большой шириной раскрытия, связанных с неравномерной осадкой и креном фундаментов (рисунок 1).
В результате изучения инженерно-геологических условий выявлено, что основанием фундаментов большинства зданий является суглинок в твердом состоянии преимущественно непросадочный с включениями дресвы, щебня или гальки. Во всех случаях в грунте присутствуют карбонатные либо гипсовые включения (рисунок 2). На многих объектах отмечался более высокий уровень влажности грунта основания со стороны наружних граней стен по отношению с грунтом с внутренней стороны здания.
Рис. 1. Характерные трещины в стенах зданий Fig. 1. Characteristic cracks in the walls of buildings
Рис. 2. Карбонатные включения в грунте основания Fig. 2. Carbonate inclusions in basement soil
Для оценки уровня нагрузки от здания на основания были проведены расчеты нормальных контактных напряжений под подошвой фундамента. Установлено, что фактические нагрузки на основание фундаментов на 20.. .30% ниже несущей способности основания. Величина расчетной осадки и крена фундаментов не превышают нормативные значения. Расчетная оценка прочности каменной кладки стен и фундамента так же показала наличие запасов прочности при существующей нагрузке. Таким образом, исходя из расчетной оценки грунтового основания и каменной кладки, можно сделать вывод, что причины неравномерной осадки не связаны с недостаточной шириной фундамента или низкой прочностью каменной кладки фундамента.
В результате проведенных исследований было установлено, что основные причины неравномерных осадок фундаментов
обследованных зданий связаны с пространственной неоднородностью карбонатных глинистых грунтов, размоканием и потерей прочности карбонатных включений при увлажнении, развитии процесса суффозии. Увлажнение грунта в большей степени происходит под наружной частью фундамента, что приводит к повышению деформативности и снижению коэффициента постели грунта с данной стороны. В результате наружные стены зданий испытывают крен в наружном направлении, несмотря на наличие изгибающего момента в противоположном направлении. Развитию неравномерных осадок и крену стен способствовали: наличие повреждений в отмостке зданий, недостаточная ее ширина, отсутствие организованной системы водоотведения с кровли зданий, наличие локальных уклонов территории к зданию, а так же процесс деградации кладки фундаментов, преобладающий с наружной стороны.
Основными требованиями к обеспечению безопасности дальнейшей эксплуатации рассматриваемых зданий, реализуемых при их
капитальном ремонте или реконструкции, являются:
- восстановление целостности и работоспособности стен;
- выполнение требований норм по сейсмостойкости здания, в том числе обеспечение работы конструкции перекрытия и покрытия здания как единых дисков (в соответствии с СП 14.13330.2014 "СНиП 11-7-81* "Строительство в сейсмических районах");
- предотвращение дальнейшей деградации фундаментов здания;
- исключение условий дальнейшего развития неравномерных осадок фундаментов.
В рассматриваемых условиях, для предотвращения дальнейших неравномерных осадок фундаментов наружных несущих стен, трещинообразования в стенах и других конструкциях, целесообразно выполнение усиления фундамента с развитием площади подошвы в наружном направлении. Сложность выполнения работ по усилению связана со следующими факторами:
- отсутствие возможности выведения здания из эксплуатации, что исключает выполнение работ по усилению с внутренней стороны здания;
- необходимость обеспечения совместной работы существующего и дополнительного фундамента, передачи части нагрузки на дополнительный фундамент из-за низкой прочности кладки существующего фундамента и одностороннего доступа к его конструкции;
Предлагаемым подходом к решению вопроса реконструкции или усиления фундамента здания является одностороннее увеличение ширины подошвы фундамента с передачей нагрузки на дополнительный фундамент от стен через другие конструкции усиления, минуя существующий фундамент. При этом контакт дополнительного фундамента с существующим фундаментом должен выполнять лишь защитную роль предотвращения деградации кладки.
В качестве конструкции, передающей усилия от стен дополнительному фундаменту можно использовать кольцевые многоуровневые обоймы стен, объединенные вертикальными элементами (стойками). Для передачи вертикальных усилий от стен на конструкцию обоймы, она должна быть выполнена жесткой и располагаться в штрабах стен. На дополнительные металлические стойки (фундаментные анкера) передается только вертикальные усилия. Горизонтальные усилия от крена стен воспринимаются поясами обоймы стен.
На основании предложенного подхода разработана конструкция усиления зданий с реконструкцией фундамента в Красногвардейском районе (рис.3). Усиление состоит из кольцевых обойм стен, вертикальных элементов и дополнительного фундамента. Кольцевые обоймы
стен выполняются в уровнях перекрытия из металлопроката и располагаются в штрабах с обетонированием для надежной передачи усилий. Дополнительно обоймы выполняют функцию повышения сейсмостойкости здания. Вертикальные элементы в виде стоек предназначены для объединения обойм и частичной передачи усилий на дополнительный фундамент. Нижняя обойма имеет дополнительные вертикальные элементы, расположенные с определенным шагом и предназначенные для более равномерной передачи усилий с нижнего уровня стен на дополнительный фундамент. Предложенное усиление позволяет предотвратить развитие крена стен, а так же выполнить требования современных норм, в том числе и в области повышения сейсмостойкости здания.
Рис.3. Конструкция усиления здания в Красногвардейском районе Крыма
Fig. 3. The construction of the building gain in the Krasnogvardeysky district of Crimea
Особое внимание обеспечение совместной работы стен здания с конструкцией усиления и дополнительным фундаментом, для чего необходимо решение вопросов преднагружения дополнительного фундамента, рационального распределения нагрузок от существующего и дополнительного фундамента на основание.
Включение в работу конструкции усиления и дополнительного фундамента требует
использования устройств или методов создания предварительной нагрузки на дополнительный фундамент. В случае наличия силового контакта
между существующим и дополнительным фундаментами, пригруз новой конструкции, может привести к дополнительному крену стены либо отрыву стены от существующего фундамента. При отсутствии силового контакта существующего и дополнительного фундамента догружение основания так же может вызвать крен существующего фундамента и стены за счет увеличения наряжения в основании и его деформации.
Проведенные расчеты в программном комплексе PLAXIS и анализ их результатов показали, что
наиболее рациональным вариантом обеспечения совместной работы системы усиления с конструкцией здания является устройство дополнительного фундамента, изолированного с силовой точки здания от существующего фундамента. При этом создание начальной нагрузки на дополнительный фундамент необходимо выполнять посредствам временной установки домкратов между дополнительным фундаментом и обоймами стен с последующей фиксацией силового контакта. Такой способ начальной передачи усилий исключает дополнительный крен стены наружу при устройстве усиления.
При назначении величины начального нагружения дополнительного фундамента необходимо учитывать следующие факторы:
- наружные несущие стены испытывают внецентренную нагрузку с моментом, направленным в сторону внутреннего пространства здания а крен стены в наружном направлении связан не с ассиметричной эпюрой контактных напряжений, а с неоднородным распределением плотности грунта основания в поперечном направлении фундамента;
- предварительное нагружение дополнительного фундамента создаст в стенах внецентренную нагрузку с моментом в направлении внутреннего пространства здания, увеличивая существующий момент в обрезе фундамента;
- нецелесообразно допускать отрыв стены от подошвы фундамента при предварительном нагружении конструкции усиления, так как это может привести к разрушению конструкции существующего фундамента либо ускорению деградации кладки фундамента;
- основная цель предварительного нагружения дополнительного фундамента - включение
усиления в работу конструкции здания для предотвращения дальнейшего развития крена от суффозионных и других процессов в основании.
За критерий определения предельной величины предварительного нагружения дополнительного фундамента целесообразно принять снижение уровня минимальных контактных напряжений под подошвой существующего фундамента на величину не более 30.50%.
Учитывая, что передача нагрузки от стены на дополнительный фундамент передается под углом а к вертикали (рис.4), его значение можно определить из выражения:
Л ..N Мч N - N M + Ne + Qh
0,5(---) =-1--11 ^ (1)
b W b W
1b2
Подставив Q = Nfitga, W =- и проведя
6
преобразования, получим:
N +
N = 0,5-
6M
6
(2)
1—(e + hctga) b
где N и М - вертикальная сила и момент у обреза существующего фундамента до усиления, N1 и Ql -вертикальная и горизонтальная сила предварительного нагружения дополнительного фундамента, а - угол наклона силового элемента, передающего усилия от обоймы к дополнительному фундаменту относительно вертикали.
м
N. N
Ег
Q.
а
ш
р»
Существующий фундамент Дополнительный фундамент
Эпюра контактных давлений до усиления |3min
.11 [ЩИ* b
Рис.4. Схема к определению усилий начального нагружения дополнительного фундамента Fig. 4. Scheme for the determination of the efforts of the initial loading additional foundation
Минимальные размеры подошвы
дополнительного фундамента должны подбираться исходя из рассчитанных величин N1 и Ql с учетом веса дополнительного фундамента.
ВЫВОДЫ
Значительная часть жилого фонда Крыма в виде зданий небольшой этажности, возведенных во второй половине 20 века из местных материалов на ленточных фундаментах мелкого заложения имеет повреждения стен и других конструкций. Установлено, что повреждения вызваны неравномерной осадкой фундаментов, связанными с залеганием в основании пространственно неоднородных карбонатных глинистых грунтов, размоканием и потерей прочности карбонатных включений при увлажнении, развитии процесса суффозии. Увлажнение грунта в большей степени происходит под наружной частью фундамента, что приводит к повышению сжимаемости грунта с данной стороны.
Для предотвращения дальнейших
неравномерных осадок фундаментов наружных несущих стен В рассматриваемых условиях, целесообразно выполнение усиления фундамента с развитием площади подошвы в наружном направлении. Сложность выполнения работ по усилению связана со такими факторами, как отсутствие возможности выведения здания из эксплуатации, что исключает выполнение работ по усилению с внутренней стороны здания; проблематичность обеспечения совместной работы существующего и дополнительного фундамента, передачи части нагрузки на дополнительный фундамент из-за низкой прочности кладки существующего фундамента и одностороннего доступа к его конструкции.
Предлагаемым подходом к решению вопроса реконструкции или усиления фундамента здания является одностороннее увеличение ширины подошвы фундамента с передачей нагрузки на дополнительный фундамент от стен через другие конструкции усиления, минуя существующий фундамент. При этом контакт дополнительного фундамента с существующим фундаментом будет выполнять лишь защитную роль предотвращения деградации кладки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Швец Б.В., Феклин В.И., Гинзбург Л.К. Усиление и реконструкция фундаментов. М.: Стройиздат. 1985. 204 с.
2.Мальганов А.И., Плевков В.С., Полищук А.И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий. Томск.: РИО Томского МЦНТИ. 1990. 320 с.
3. Полищук А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий. Томск: Нортхемптон. 2004. 476 с.
REFERENCES
1. Shvets, V. B., Feklin, V. I., Ginzburg, L. K. Strengthening and reconstruction of foundations. M.: Stroizdat. 1985. 204 p.
2.Malganov A. I., Spit V. S., Polishchuk A. I. the Restoration and strengthening of building structures of emergency and reconstructed buildings. Tomsk.: RIO Tomsk CSTI. 1990. 320 PP.
3. Polishchuk A. I. Bases of design and the device of the bases of the reconstructed buildings. Northampton. 2004. 476 p.
PROBLEMS OF THE UNILATERAL STRENGTHENING OF FOUNDATIONS OF BUILDINGS
LOW RISE
Dyakov I.M., Dyakov A.I., Dyakova Y.I.
Summary The characteristic deformations and damages of buildings of small number of storeys in difficult engineering-geological conditions of the Crimea of post-war construction of the 20th century revealed during inspection of technical conditions of buildings in Krasnogvardeysky district of the Crimea and Sudak are considered and analyzed. The main causes of deformation and damage associated with the operating conditions and processes occurring in the soil base and structures of the building are determined. It is established that the development of the characteristic rolls of the outer walls of the building contribute to the violation of the blind area of the building, a higher degree of soil moisture under the boundary zones of the Foundation, as well as the development of the process of soil suffusion and degradation of the Foundation laying on the outside of the walls. The problems of performance of works on strengthening connected with lack of access to the bases from within the building, low durability of materials of the base and a laying of walls are considered. The tasks of strengthening the foundations and the building as a whole are defined. The authors propose a method of unilateral strengthening of foundations in conjunction with the system of strengthening the walls. When it is implemented, the loads on the Foundation reinforcement structure are transferred from the wall reinforcement structure. On the basis of the calculations of buildings with strengthening in software systems confirmed the effectiveness of the method of strengthening. The approaches to the calculation of the reinforcement structure by engineering methods are considered.
Subject: problems and methods of unilateral strengthening of the foundations of low-rise buildings in complex engineering-geological conditions of the Crimea.
Materials and methods: the research used the results of a survey of the technical condition of more than 15 buildings of small number of storeys of post-war buildings of the 20th century in the Crimea, the analysis of research results, developed a method of strengthening and evaluation of the load-bearing capacity of strengthening.
Results: the characteristic causes of deformation and damage of low-rise buildings constructed of local materials in the engineering-geological conditions of the Crimea are revealed. The optimal methods of reconstruction of the foundations of low-rise buildings built of local materials in the engineering-geological conditions of the Crimea and technical solutions of unilateral strengthening of the foundations are proposed.
Conclusions: the developed approach to the unilateral strengthening of foundations allows to solve the problem of strengthening the foundations of low-rise buildings built of local materials in the engineering-geological conditions of the Crimea without decommissioning the building.
Key words: engineering-geological conditions, foundations, reconstruction, strengthening, Foundation, deformation, roll.
