CC BY
101
Theoretical Foundations of Civil Engineering Polish - Ukrainian - Lithuanian. Transaction. № 15. Warsaw. May, -2007. - С. 479 - 488.
5. Маркова М. А. Особливосп стльно! роботи пальових фундаменпв та будiвель в умовах просадкових грунпв велико! товщк автореф. дис. на соис. уч. степени к. т. н.: спец. 05.23.02 / ПДАБА. - Д., 2002. - 16 с. - Бiблiогр.: с 13(8).
6. Свайные фундаменты. Нормы проектирования: СНиП 11.Б.5-67*. - М., 1971. - 20 с.
7. Отчет по испытанию свай на площадке строительства многофункционального комплекса (жилой дом с торгово-офисными помещениями и паркингом) в районе дома № 166 по ул. Рабочей в г. Днепропетровске, объект № 272.03. I этап. 39 с.; ООО «Гидростройпрект»; г. Днепропетровск; II этап. 2009. - 29 с.
8. Отчет по полевым испытаниям опытных свай статическими нагрузками на площадке жилой застройки по ул. Гродненской, 22.» ООО «Гидростройпроект» г. Днепропетровск; Объект № 122.03. 2005. - 26 с.
УДК 624.131.543:624.137.
РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И КРЕНОВ ЗДАНИЙ НА СКЛОНАХ. ОПЫТ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНОГО СОСТОЯНИЯ.
В .Л. Седин, д. т. н., проф., С. И. Головко, к. .т .н., доц,С. Н. Горлач к. т .н., доц., А .С. Головко, н .с., В. А. Бижко, студ.
Ключевые слова: откос, устойчивость склона, осадки и крены зданий, усиление фундаментов, устранение аварийного состояния.
Постановка проблемы: В середине 1980-х годов в Днепропетровске под жилищное строительство были использованы площадки со сложными инженерно-геологическими условиями на склонах балок. Достаточного опыта проектирования оснований и фундаментов в случае залегания наклонных слоев, обладающих в верхней зоне просадочными свойствами, не было, в связи с чем на ряде объектов были получены серьезные строительные отказы, проявившиеся в аварийных отклонениях и повреждениях зданий. Применение эффективных методов усиления в случае аварийных отказов является актуальной задачей современного фундаментостроения. В статье на конкретных примерах даны общие решения указанной проблемы.
Актуальность работы. В настоящий момент проблема учета специфических свойств грунтов и строительных площадок обусловлена развитием на территории Украины высотного строительства, использованием в качестве оснований считавшихся ранее малопригодными для строительства или проблемных территорий, а также необходимостью решения экологических задач. В этой связи анализ накопленного опыта строительства и эксплуатации зданий на склоновых территориях имеет большое практическое значение.
В настоящей статье рассмотрены результаты длительных наблюдений за зданиями, опыт их усиления и технической реабилитации. Полученные результаты имеют значение при анализе геологических условий, выборе оптимальных вариантов устройства оснований и фундаментов, решении проблем эксплуатации зданий и их восстановления при получении каких-либо повреждений и строительных отказов. Методы восстановления оснований и фундаментов в просадочных и водонасыщенных грунтах не получилт должного распространения в практике строительства. На наш вигляд, это обусловлено недостаточной информированностью строителей и проектировщиков-практиков об имеющемся опыте восстановительных работ.
Научная и практическая новизна. Выполненные длительные наблюдения за зданиями с различными типами фундаментов позволяют на стадии проектирования провести достаточно четкий анализ условий строительства и применить адекватные методы обеспечения надежности эксплуатации зданий и сооружений. Экспериментально опробованные технологические решения по усилению оснований зданий имеют высокую сходимость с теоретическими решениями и эффективность при усилении оснований инженерных сооружений в условиях реконструкции и ликвидации аварийных отказов оснований и фундаментов зданий и сооружений в различных инженерно-геологических условиях.
Основные результаты. Объект исследований - жилой 14 этажный дом возведен на склоне балки Рыбальская. Его основанием приняты висячие забивные сваи длиной 19 м, погруженные
до проектной отметки. Несущая способность одиночной сваи по результатам испытаний составила 900 кН (90тс) при расчетных 780 кН (78тс) все сваи в период строительства были погружены до проектной отметки. Особенностью здания оказалось то, что при наклонном залегании слоев в сторону тальвега острие сваи в верхней зоне было заглублено в 8 слой средне плотных мягко пластичных лессовых суглинков, в нижней зоне слоев 6.7. (см. рис.1). На момент строительства подземные воды находились на глубине 8 - 12 м от дневной поверхности и повторяли уклон рельефа.
В июне 1998 г., на здании заклинил лифт и первым замером установлено сверхнормативное отклонение от вертикали от 940 до 1140 мм. С этого момента кафедрой оснований и фундаментов проведены комплексные геодезические наблюдения по сети специально оборудованных знаков. Следует особо отметить, что измерения показали незатухающее развитие осадок и кренов, превышающих все нормативные значения в 10-12 раз, что вело к катастрофической ситуации. Так за год средняя осадка увеличилась на 600 мм при увеличении абсолютного отклонения дома до 1425 мм. Характер развития деформаций в этот период иллюстрируют графики на рисунке 2.
т |п
| Крен Ц= 1.42и
I I
Рис.1. Схема основания и фундаментов жилого дома на склоне 1 - 14 этажный дом; 2 - существующие сваи; 3 - удерживающая конструкция; 4 -заколъные трещины; 5 - контрфорсный пригруз склона.
а
Развитие осадок здания
700
600
| 500
ю 400 го
£ 300 го
8 200 100 0
июн 97 апр98 фев99 дек 99 окт 00
Г- — V. 2 --♦
\ 1
б
Рис.2. Графики развития осадок (а) и кренов (б) дома.
Следует отметить, что в начальный период наблюдений скорость развития деформаций (осадки и крена) имела прогрессирующий характер. В связи с этим наряду с систематическими наблюдениями и постоянным контролем конструкций были проведены проектные разработки, направленные на срочную стабилизацию состояния здания и склона.
Детальный анализ ситуации показал, что за период эксплуатации поднялся уровень подземных вод практически до подошвы ростверка, грунт в основании сваи и в особенности слоя 6,7 перешел в текучепластичное состояние. Удельный вес грунта возрос довольно значительно, что привело к увеличению давления на основание. Дополнительно за счет обводнения снизилось трение по боковой поверхности сваи и основания часть нагрузки начала восприниматься острием. Анализ исследований уплотнения лессовых грунтов свидетельствует о том, что при нагрузках более 250 - 300 кПа они способны к длительной ползучести под нагрузкой, причем по незатухающей зависимости. Неравномерность сложения основания в такой ситуации может рассматриваться как эксцентричность нагрузки, при дополнительном увеличении нагрузок на крайние сваи за счет общего крена сооружения и смещения центра тяжести. При среднем давлении в уровне острия сваи порядка 700 - 800 кПа и увеличении моментной нагрузки происходило выдавливание текучепластичных грунтов по склону с образованием на бортах характерных бугров выпирания. Поскольку давления значительно превышают порог ползучести, без усиления основания и значительного снижения нагрузок на острие свай невозможно стабилизировать процесс развития деформаций.
По расчету в случае увеличения отклонения свыше 1550 мм конструкции надземной части исчерпывают несущую способность, и может наступить разрушение здания с катастрофическими последствиями для окружающей плотной застройки. Дополнительно при больших абсолютных деформациях основания вокруг дома формировалась осадочная воронка с закольными трещинами в верхней зоне. Образование воронки провоцировало оползневые подвижки склона и возрастание активного давления на сваи, что дополнительно увеличивало эксцентриситет нагрузок относительно уровня острия, увеличиваются активные сдвигающие нагрузки.
Для стабилизации состояния в срочном порядке были рассчитаны, запроектированы и реализованы следующие мероприятия:
а) устройство контрбанкетного пригруза основания склона из грубодисперсного материала для стабилизации оползневых процессов в августе - октябре 1998 г. Контрбанкет создан в зоне выпора грунта на поверхности склона.
б) усиление здания буронабивными сваями первой очереди, выполняющими дополнительные функции удерживающей конструкции. Проектом предусмотрены 30 метровые сваи диаметром 800мм с двухрядным расположением и монолитным ростверком консольно подхватывающим здание. Сваи опираются на практически несжимаемые красно-бурые суглинки и анкерятся в них не менее 4,0 м. Свайные конструкции выполнены на здании в октябре январе 1998 - 99 г.г. в нижней части склона. Подводка ростверка и включение его в работу происходило в течении января - февраля 1999 г.
Анализ результатов наблюдений показал, что при устройстве контрфорсного пригруза скорость нарастания осадок и кренов снизилась, однако полной стабилизации не наступило. На некоторое время был достигнут прогнозируемый результат.
В период возведения свайной удерживающей конструкции было отмечено незначительное возрастание осадок, что связано с производством работ и локальным расслаблением основания при бурении скважины под глинистым раствором. После завершения бетонных работ и в период набора прочности осадки начали затухать достаточно интенсивно.
Расчетными исследованиями было установлено, что на период восприятия части нагрузки от здания и стабилизации кренов осадка новых свай может составить до 20 мм. Систематические наблюдения, выполненные в период проведения работ и после их завершения, подтвердили правильность расчетов, в частности начиная с января - февраля 1999 года происходит стабилизация деформаций и кренов (см. рис. 2.) Одностороннее усиление основания позволило в дальнейшем получить уменьшение общего крена за счет преобладающих осадок в верхней части склона. Значительного уменьшения крена не произошло в связи с тем, что сваи были подведены не в момент активного нарастания деформаций. В настоящий момент продолжаются наблюдения за зданием, что позволит накопить достаточный статистический материал для детального расчетного обоснования методов усиления аварийных зданий на склонах. Следует отметить, что данная проблема является весьма актуальной для города, в частности по комплексу жилых домов №№ 9, 23 на ж/м Тополь 1, где отклонения секций от вертикали составляют от 400 до 550 мм, крены продолжают интенсивно развиваться. жилым домам по ул. Нахимова 90, где отклонения превышают 600 мм, осадки более 1600 мм при давлении на основание выше 300 кПа. Усиления в сложных геологических условиях остается довольно сложной задачей, в связи с чем полученный опыт может быть использована для принятия обоснованного и надежного решения по технической реабилитации зданий.
Второй объект исследований - трех секционное здание жилого дома по ул. Нахимова, 90. По проекту ГПИ «ГИПРОГРАД» блоки здания выполнены по жесткой конструктивной схеме продольных несущих стен с дисками междуэтажных перекрытий и поясами в уровне 1, 3, 5, 7, 9 этажа. Для условий строительства на просадочных грунтах второго типа применены конструктивные мероприятия, включающие грунтовую подушку с частичным устранением просадочных свойств в верхней зоне основания. По надземной части во всех уровнях блоки соединены гибкими вставками.
Здание врезано в естественный природный склон крутизной 11-140 (см. рис 3,4). При выполнении данного мероприятия и планировке территории нижняя часть склона за зданием была догружена обратной засыпкой (планировочная насыпь) на 1,5 - 7,5 м, что привело к дополнительным нагрузкам на основание, увеличению просадочности и кренам.
Практически после ввода комплекса жилых домов в эксплуатацию начали наблюдаться деформации основания с развитием крена по направлению линии падения естественного склона. В начале 1983 года за зданием были организованы систематические наблюдения по системе настенных реперов. Наблюдения показали незатухающий характер развития осадок со стабильным увеличением крена. Положение ухудшалось в связи с общим подъемом уровня подземных вод. Очевидным стала неудачная посадка здания. Уплотнение грунтов под его весом значительно снизило фильтрационные свойства лессового основания, при общем направлении фильтрации подземных вод в сторону тальвега балки. В данный период времени специалистами академии были проведены расчеты и сделано предложение по стабилизации ситуации, которое заключалось в уменьшении давления на основание, путем демонтажа четырех этажей. В данном подходе давление по подошве фундаментов могло быть снижено с 2,5 до 1,5 кг/см2, что позволяло исключить нарастание деформаций. Однако владельцем зданий было принято решение о продолжении эксплуатации. На начало 1988 года (см. рис. 5) после пяти лет наблюдений в конструкциях здания появились аварийные трещины при ширине раскрытия 50 - 80 мм. В этот период было принято не достаточно обоснованное решение по снижению уровня подземных вод лучевым дренажем и усилению склона рядом забивных железобетонных свай. По мнению авторов проекта, шпунтовая стенка должна была удерживать склон, а лучевой дренаж стабилизировать положение уровня подземных вод. Однако в период выполнения работ (5 - 7 лет по рис. 5) резко возросла скорость осадок и нарастания крена, эффективность дренажа оказалась низкой с временным эффектом. Учитывая прогрессирующий характер деформаций, все секции жилого дома были отселены.
Для восстановления здания на секции №2 было проведено опытное выравнивание путем установки системы гидродомкратов и одностороннего поддомкрачивания. Усиление основания каким-либо методом не производилось, в связи с чем после выполнения работ по
выравниванию крены здания продолжают развиваться с практически постоянной скоростью. По результатам контрольных измерений осадки здания (блок 2/2) составили до 350 мм в нижней части и 40 - 150 мм в верхней части склона. С учетом подъема здания до 150 - 250 мм общая осадка оценивается величиной в 600 мм. Вполне очевидно, что без усиления основания работы по выравниванию здания являются не эффективными и не могут дать положительного результата.
В начале 2010 года здание начало представлять угрозу для эксплуатации прилегающих зданий школы и жилого сектора и комиссией МЧС принято решение по демонтажу всех секций.
Рис. 3. Схема расположения секций жилого дома на природном склоне.
1996
•Ц-1Э8Й
1971
Рис. 4. Схема грунтового основания жилого дома 1а-насыпные грунты, 3,5,7 - лессовые суглинки, 4,6 - лессовые супеси, 8 - красно-бурые суглинки ;---уровень подземных вод по годам наблюдений.
т,
0123456789 10 11 12 лет
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
мм/м
Рис.5. График развития кренов блоков №1-3 жилого дома.
т,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 лет
40 80 120 160 200 240 280 32 О
мм/м
Рис.6. График развития осадок угловых марок блока № 2/2.
30,35 -марки в нижней части дома, 9,10,14 - марки в верхней части.
Выводы. 1. Систематические геодезические наблюдения за зданиями позволяют оперативно оценивать их общую устойчивость и назначать мероприятия по стабилизации деформаций и ликвидации причин их возникновения.
2. Контрфорсный пригруз склонов, одностороннее усиление основания сваями, воспринимающими часть нагрузки от деформированных зданий, являются достаточно эффективным методом для предотвращения осадок и повышения устойчивости склонов.
3. При нагрузках на лессовое основание более 2,5 кг/см2 отмечаются длительные деформации основания, для их стабилизации необходимо применение комплекса мероприятий по усилению фундаментов и повышению устойчивости грунтов природных склонов.
4. Приведенные результаты длительных наблюдений за зданиями и анализ применяемых методов усиления может быть использован в практике проектирования зданий в сложных условиях г. Днепропетровска.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1 Ухов С. Б. Механика грунтов, основания и фундаменты: учеб. [для студ. высш. уч. завед] / С. Б Ухов и др. - М.: АСВ, 1994 - 527 с.
2. Методические указания по инженерно-техническому обследованию, оценке качества и надежности строительных конструкций зданий и сооружений. ВСН-22-84. МИНХИММАШ, М.; 1984 - 163с.
3.Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. М.; ЦНИИСК, 1988. - 57 с.
