Строительство в особых условиях - основные положения

1. Цели и задачи темы, её актуальность. Основные положения.

Цели и задачи темы и её актуальность.

Проблема строительства промышленных и гражданских сооружений в сложных грунтовых условиях весьма актуальна, поскольку более 80% территории России сложено просадочными, лессовыми, слабыми водонасыщенными, насыпными, набухающими и вечно-мерзлыми грунтами. Значительные территории России относятся к сейсмическим районам, где возможны землетрясения интенсивностью 7 баллов и более.

При строительстве новых сооружений и реконструкции действующих часто возникает необходимость передать на грунты осно­вания значительные нагрузки. В сложных грунтовых условиях эти нагрузки (статические, многократно приложенные, динамичес­кие) вызывают большие и зачастую неравномерные осадки фунда­ментов сооружений. И хотя в этих условиях построены и успешно эксплуатируются сотни тысяч построек, известны и случаи ава­рий.

В традиционных курсах по изучению оснований и строительных конструкций рассматривают, как правило, "обычные" условия строительства и эксплуатации. В действительности, на конструкции зданий и сооружений действует комплекс неблагоприятных факторов. Отдельные из них оказывают решающее влияние на несущую способность и долговечность зданий и сооружений. Преждевременное исчерпание их эксплуатационных качеств и нарушение технологического процесса приводит к значительным материальным затратам. Вследствие ошибок, допущенных на этапах изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации, срок службы зданий и сооружений в ряде случаев значительно короче проектного. Наличие трещин, локальных разрушений нарушает нормальную эксплуатацию предприятий. Затраты на восстановительные работы часто соизмеримы со стоимостью нового строительства. Все это требует более обоснованного подхода к учету особых условий при проектировании и строительстве.

Чрезвычайно сложно обеспечить безаварийную работу зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Здесь требуется более полный учет совместной работы основания, фундаментов и подземной части здания; внедрение последних достижений науки и техники в восстановление эксплуатационных качеств конструкций, в обеспечении их безаварийной работы, в прогнозировании развитий процессов в грунтах и конструкциях.

В ряде случаев на конструкцию действуют повышенные или высокие технологические или аварийные температуры, вызывающие снижение прочности и деформативных свойств материалов. В последнее время возросла интенсивность динамических нагрузок и воздействий.

К числу особых относятся условия строительства вблизи существующих зданий и сооружений. Участились случаи аварий и аварийных ситуаций вследствие неучета взаимного влияния рядом расположенных зданий.

Известнейший учёныё занимавшийся проблемой строительства в сложных условиях П. А. Коновалов считает, что под строительством в таких условиях следует понимать комплекс работ, связанных с исследованием, проектированием и устройством оснований и фундаментов на слабых водонасыщенных, глинистых и заторфованных грунтах, торфах и илах, просадочных и вечномерзлых, набухающих и засолёных, пучинистых и неравномерно сжимаемых грунтах, рыхлых песках и плывунах, закарстованных и подрабатываемых территориях, с учетом сейсмических и динамических воздействий и т.п.

На основания, конструкции, здания и сооружения действует комплекс неблагоприятных факторов, снижающих прочность и долговечность. Так, на бетон и железобетон оказывают влияние многочисленные физические и механические воздействия. К числу физических воздействий относятся: замораживание и оттаивание наружных поверхностей; термический удар; истирание бетона сыпучими материалами (в бункерах) или транспортом (в полах и дорогах); повреждения от бысторотекущей воды; термический удар, вызванный внезапным и резким падением температуры бетона (при расплескивании сжиженных газов).

К числу аварий, вызванных деятельностью человека, относятся: взрывы газа, пожары, теракты, наезды транспорта, дефекты строительства и эксплуатации, неквалифицированная их реконструкция с надстройкой, пристройкой, перепланировкой, иногда сопровождающая ослабление или перегрузку несущих элементов; природные явления (землетрясения, ураганы, оползни, неравномерные деформации оснований).

Особые условия строительства и эксплуатации значительно ускоряют процесс разрушения и развития дефектов. Повысить срок службы зданий и сооружений и предотвратить аварийные ситуации является важнейшей задачей проектировщиков и строителей.

Виды грунтов

Дадим характеристику нескольким основным видам грунтов. Особое внимание уделим их поведению в зимнее время - свойству вспучиваться.

Скалистые

Скалистые грунты - наиболее надежные. Они прочны, не проседают, не размываются и не вспучиваются. Фундамент можно возводить непосредственно на поверхности такого грунта, без какого-либо вскрытия или заглубления.

Хрящеватые

Этот вид грунта содержит прожилины гравия, обломков камней. Не сжимается и не размывается. Рекомендуется закладка фундамента с заглублением не менее полуметра.

Песчаные

Песчаные грунты имеют свойство сильно уплотняться под нагрузкой - проседать. Эти грунты не задерживают воду и при промерзании не пучятся. Рекомендуется закладка фундамента на глубине от 40 до 70 см.

Супеси и Суглинки

Супеси и Суглинки - это грунты, занимающие промежуточное положение между песчаными и глинистыми грунтами.  Они содержат от 3 до 30% включений глины. При содержании глины от 10 до 30% грунт относят к суглинкам, а при более низком содержании грунт имеет название - супесь.

Глинистые

Глинистые грунты могут сжиматься, размываться и при замерзании вспучиваются. Это самый неприятный грунт для возведения фундамента, который в этом случае должен быть заложен на всю глубину промерзания.

Силы, действующие на фундаменты

Рассмотрим силы, действующие на фундамент в летнее и зимнее время года и в наиболее тяжелых условиях эксплуатации - на учиниВ летний период года (левый рисунок) на фундамент действуют всего две силы:

- нагрузка строения на фундамент А;

- сила сопротивления грунта Б.

Рисунок в центре - схема сил, действующих на фундамент в зимнее время для случая, когда его нижняя опорная поверхность - подошва - расположена выше уровня промерзания грунта.

Такое устройство фундамента следует отнести к неправильным. В зимний период в результате промерзания грунта под его подошвой появляются силы вспучивания В. 

Кроме того, промерзший грунт сжимает фундамент и старается выдернуть его из фундаментной ямы. Действие этих касательных сил обозначено Г.

Совместное действие сил В и Г приводит к подъему фундамента на величину "а". Как уже отмечалось выше, величина подъема фундамента "а" и возврат фундамента на место после оттаивания грунта не одинаковы для всех участков фундамента.

На рисунке справа - схема сил для фундамента, подошва которого находится ниже уровня промерзания грунта. 

При таком решении подошва фундамента не испытывает давления мерзлого грунта снизу. А если нет сил вспучивания, то нет и зимнего подъема фундамента силами вспучивания на величину "а". Недостаток этого решения - резкое увеличение действия сил типа Г. Величина этих сил также значительна. Для нейтрализации действия этих сил рекомендуется:

- изготавливать фундамент только из армированного бетона;

- основание фундамента делают уширенным, в виде опорной площадки;

- вертикальные стенки делают сужающимися к верхней части фундамента;

- боковые поверхности фундамента покрывают скользящим слоем (полиэтилен, отработанное машинное масло, песчаные засыпки и т.д.).

Причины деформирования зданий и сооружений, построенных в сложных грунтовых условиях.

Фундамент должен обеспечивать устойчивость и надёжность работы здания. Но в любом случае осадка сооружения неизбежна. Строительные правила учитывают это, нормируя ее допустимую величину.

Опасна не столько сама осадка, сколько ее неравномерность. Поэтому перед строителями-проектировщиками всегда стоит задача: предусмотреть такие конструкции, для которых неравномерное оседание основания не привело бы к недопустимым деформациям здания или сооружения.

Исходя из прочностных расчетов, можно иногда получить площадь фундаментной плиты настолько большой, что она превысит площадь пятна здания и помешает строительству соседних зданий. Может также случиться, что при определении размеров основания надо иметь в виду не тот грунт, на котором будет покоиться сооружение, а слой, залегающий намного глубже. И если этот слой окажется сильно сжимаемым и достаточно мощным, то осадка будет настолько значительной, что предотвратить ее не удастся. Например, известная Пизанская башня стоит на надежном песке, а кренится уже много веков потому, что под ним находятся слабые глины. Существенное влияние на оседание земной поверхности вызывает дренирование грунтов. Так, городская территория столицы Мексики Мехико от дренирования грунтов осела за несколько десятилетий на 8-9 м, столицы Таиланда Бангкока — на 4 м.

Деформации зданий и сооружений (наклон, прогиб, выгиб, перекос, трещинообразование), расположенных в сложных грунтовых условиях, являются следствием неравномерных осадок (рис.1.). Природа их происхождения различна, проявляются они по-разному, однако во всех случаях действие их на здания и сооружения идентично.

Рис. 1. Виды деформаций сооружения: а) наклон; б) прогиб; в) выгиб; г) перекос; д) трещинообразование

Неравномерные деформации основания являются следствием силовых воздействий на фундамент вследствие неоднородной структуры грунта, различной мощности слоев грунта или же деформационных воздействий: сложного деформирования земной поверхности вследствие замачивания лессовых просадочных, засоленных и набухающих грунтов, подработки угольных, калийных и рудных месторождений, карстовых и тектонических явлений (рис.2.).

Рис. 2. Деформирование основания: а) искривление; б) уступ; в) провал; г) впадина

Примеры деформаций зданий и сооружений, вызванных недооценкой сложных грунтовых условий строительства, приведены в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных авторов.

При анализе этих примеров обнаруживается соответствие форм деформаций зданий и сооружений, построенных в разнообразных условиях. Независимо от причин, приводящих к деформации грунтов, все виды воздействий со стороны оснований на здание сводятся к неравномерным вертикальным и горизонтальным перемещениям оснований.

Следствием неравномерных вертикальных перемещений основания являются наблюдаемые крены сооружений, различные формы деформаций изгиба, сдвига и кручения. Деформации эти проявляются как в чистом виде, так и в различных сочетаниях: кручение с изгибом, крен с изгибом, сжатие с кручением и т.п. Неравномерные горизонтальные перемещения основания оказывают воздействие на подземные части сооружений в виде сдвигающих сил по боковым поверхностям и по подошве фундамента, а также в результате нормального давления сдвигающего грунта на лобовые поверхности фундаментов.

По ул. Вокзальная, 5б из-за увлажнения грунтов основания и вибрационных нагрузок происходит неравномерное оседание здания поста электрической централизации станции Могилев-1, о чем свидетельствуют трещины с шириной раскрытия 3 мм и более на его фасаде (рис.4.).

Рис. 4. Трещины на фасадах здания ПЭЦ Могилев-1

В центре Владивостока у дома обрушилась стена, при этом никто не пострадал.

Наиболее вероятной причиной трагедии работники МЧС называют подмыв грунтовыми водами опорной стены. Кроме того, отмечается, что дом был построен с нарушением строительных норм.

В Стамбуле обрушился небольшой отель. Под развалинами оказались более 50 человек. Под обрушившимся отелем шло строительство новой линии метрополитена.

В Екатеринбурге обрушилась стена двухэтажного дома барачного типа. Стена обвалилась во внешнюю сторону на площади 60 м². Жертв и пострадавших нет. По предварительным данным, обрушение произошло из-за того, что стена ветхого строения была подмыта водой.

В последние годы на территории некоторых районов Москвы были отмечены случаи оседания и провалов поверхности земли, имеющих карстово-суффозионное происхождение, которые вызвали разрушение зданий.

В г. Стаханове (Украина, регион Донбасса) произошло обрушение секции 9-этажного жилого дома вследствие деформации земной поверхности на подрабатываемой территории с круто падающими угольными пластами. Дом не был заселен. Жертв нет.

Наиболее опасным для сооружения является нарушение устойчивости основания, сопровождаемое выпором из-под фундамента массива грунта, значительными осадками и кренами сооружения, приводящими, как правило, к его полному разрушению. По этой причине известны многие случаи аварий.

Так, в результате одностороннего выпирания грунтов произошло нарушение устойчивости основания Трансконского элеватора (Канада, 1913 г.) и его обрушение. Из-за несимметричного загружения зерном элеватор получил значительные осадки и крен почти в 27°; один край его фундаментной плиты опустился на 8,7 м, а с противоположной стороны плита поднялась на 1,5 м.