Проблемы определения технического состояния зданий и сооружений

Влияние гидрогеологических условий и конструктивных особенностей зданий на их долговечность

Новопашина Е.И. Дмитрюков М.С.

 

Здания и сооружения в процессе эксплуатации подвергаются как внешним так и внутренним воздействиям – это радиация, температура, осадки, химические процессы, биологические воздействия, морозное пучение и др. Особо следует отметить влияние гидрогеологических воздействий грунтов на долговечность зданий и сооружений.

В 1985 году были проведены комплексные инженерно-геологические изыскания с целью изучения процесса подтопления территории г. Перми. Причинами подтопления являются: наличие плохо проводящих и плохо проницаемых слоев суглинков; слабая дренированность территории; наличие предприятий с повышенным (более 100м³ /в сутки на 1га) водопотреблением и высокой плотностью инженерных сетей; большие (нередко превышающие нормативные)утечки из водонесущих коммуникаций и аварии в них, порой не ликвидируемые длительное время; барражный эффект подземных частей зданий и сооружений; суффозия песчаных грунтов; повреждение отмостки вокруг зданий.

Таким образом, гидрогеологические условия грунтов в основании фундаментов зданий и сооружений существенно изменились в результате начавшегося в начале 70-х годов интенсивного подтопления территории города Перми.

Это не могло сказаться на физико-механических характеристиках грунтов, залегающих под подошвой фундаментов зданий [5,6,8].В ряде случаевтвердые грунты переходят в пластическое состояние, что приводит к снижению несущей способности грунтов оснований. В песчаных грунтах увеличение влажности способствует разрушению структурных связей между частицами грунта. Также установлено, что при повышении влажности грунта значительно повышается деформативность грунта [7].

Следует также отметить, что конструктивная особенность зданий в комплексе с вышеуказанными воздействиями также влияет на долговечность зданий.

В статье рассмотренопыт технического обследования сотрудниками фирмы ЗАО «Эрон» нескольких зданий школ, построенных в 50-х – 60-х годах прошлого столетия.Школы расположены в разных районах города Перми: МОУ «Гимназия №5»находится в Мотовилихинском районе, школа (МАОУ СОШ №102) – в Индустриальном районе, школа (МАОУСОШ №81) в Свердловском районе. Эти здания объединяют:возраст, конструктивное и объемно-планировочное решение,схожие условия эксплуатации,инженерно-геологические условия площадок.

В плане здания имеют П – образную форму. Конструктивная схема здания  — неполный каркас с несущими продольными и поперечными стенами.В подвальных помещениях всех зданий находятся бомбоубежища. Фундаменты стен подвала по главному и торцовому фасадам здания обвалованы землей (для погашения взрывной волны), а фундаменты наружных стен главного и торцевого фасадов расположены на расстоянии соответственно 3м и 6м от фундаментов подвала. Стены подвала выполнены из монолитного железобетона, толщиной 800мм, перекрытие над подвалом бомбоупорное, монолитное железобетонное, толщиной  500-700мм (рис.1).

                                                                                                                                а)                                                                                 б)

Рис.1. Типовой план подвала (а) и план первого этажа (б) зданий школ

На всех трех объектах несущие стены зданий выполнены из кирпича марки  М75-50 на цементно-известковом растворе марки М25-10 с добавлением глины в качестве пластификатора.

При инструментальном обследовании зданий школ были выявлены общие дефекты несущих стен в виде трещин, шириной раскрытия от 5 ммдо 40мм в наружных и внутренних стенах, разрушение водосточных труб, что привело к длительному замачиванию стен и образованию биокоррозии,выветриванию и вымываниюраствора из швов кладки.

Для выявления причин образования трещин в несущих стенах здания были выполнены инженерно-геологические изыскания, которые были сопоставлены с результатами изысканий, выполненных на момент проектирования зданий школ.

В геоморфологическом отношении площадки работ расположены в пределах IV левобережной надпойменной террасе р. Камы. Рельеф площадок ровный, в пределах территории школ резких уклонов не наблюдается, что говорит о затрудненном поверхностном стоке и большей инфильтрации поверхностных вод в грунт. Все здания имеют преклонный возраст постройки,а подведенные сети коммуникаций соответственно старые и изрядно изношены. На всех площадках за период эксплуатации зданий наблюдались разливы воды, связанные с авариями на трассах водонесущих коммуникаций.

В геологическом строении площадок изысканий принимают участие верхнепермские отложения, представленные песчаником и аргиллитом, перекрытые аллювиальными отложениями, представленные гравийным грунтом суглинистым заполнителем полутвердой консистенции и песчаным водонасыщенным, перекрыты суглинистыми грунтами отмягко пластичной до полутвердой консистенции. С поверхности залегает насыпной грунт благоустроенный почвенно-растительным слоем.

Гидрогеологические условия районов работ характеризуются развитием порово-пластовых  подземных вод, на глубине 7,2-8,0м в хорошо фильтрующихся песчаных грунтах, и возможностью формирования подземных вод типа «верховодка» в насыпных грунтах над слабо фильтрующимися суглинками, в результате техногенных аварий или весенее-осенние периоды.

По степени подтопляемостиучастки изысканий относится к потенциально подтопляемым территориям с уровнем подземных вод на глубине до 4,0-6,0 м.

Горизонты подземных вод залегают глубоко и не оказывают влияние на фундаменты здания. В большей степени оказывают влияние аварии на трассах коммуникаций с утечками, затопление подвалов, инфильтрация поверхностных вод вдоль наружных стен.

Фундаменты всех зданий ленточные монолитные железобетонные на естественном основании. Ширина подошвы фундамента изменяется в пределах 0,9-2,6м. Глубина заложения фундамента составляет 2,5-3,5м. от уровня земли. Ширина и глубина заложения изменяется в зависимости от назначения и размещения фундамента.

В качестве естественного основания фундаментов зданий служат суглинки от мягко пластичной до полутвердой консистенции. Необходимо отметить, что в основании фундамента залегают мягко- и тугопластичные грунты, обладающие макропористой структурой, но не являющиесяпросадочными, полутвердые грунты в основании имеют просадочные свойства, но при этом у грунтов без нагрузки эти свойства отсутствуют.

Отличительной особенностью основанияявляется то, что под подошвой фундаментов коэффициент пористости и естественная влажность грунта больше чем у грунтов находящихся без нагрузки. Грунты в основании обладают большим углом внутреннего трения и сцеплением, но при этом меньшим модулем деформации. По результатам наблюдений за креном и осадками зданийустановлено, что деформации фундамента выражаются как в подъеме так и в осадке. Наивысший подъем наблюдался с сентября по октябрь. С ноября начался процесс осадки фундамента, который продолжался до окончания наблюдений.

Анализируя данные лабораторных исследований грунтов под подошвой фундамента и вне зоны влияния нагрузки, можно предположить, что в основании фундамента под воздействием давления от сооружения возникает вторая фаза напряженного состояния грунта – фаза сдвига.

На основании обследования и результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных в 2010 – 2013 гг. и на момент проектирования зданий школ, был сделан расчет фундаментов под наружные и внутренние стены. Расчеты показали значительное снижение расчетного сопротивления грунтовоснования фундаментов под несущие и внутренние стены зданий.

Как было отмечено выше, конструктивные особенности зданий школ также существенно повлияли на их эксплуатационные качества. На одном из объектов —  школа«МАОУ СОШ №81» вышеописанные факторы привели к возникновению предаварийной ситуации – лавинообразном раскрытии вертикальной трещины шириной раскрытия до 40мм во внутренней стенепо всей высоте здания (на высоту 3-х этажей).

При предварительном осмотре здания в комиссионного осмотра была  обнаружена трещина в несущей внутренней стене по оси «Б» на всю высоту здания от угла дверного проема 1-го этажа до конструкции перекрытия над 3-м этажом. На первом этаже трещина сквозная шириной раскрытия до 20мм, на втором этаже – волосяная, на третьем этаже также сквозная – до 40мм.В местах расположения трещины на первом и третьем этажах проходит вентиляционный канал. Перевязка кирпичной кладки в месте расположения трещины отсутствовала. Толщина швов составляла 20 – 30мм, в растворе присутствовало большое количество глинистых включений.

В рамках проведения мероприятий по мониторингу технического состояния здания былаустановленасеть маяков для определения динамики раскрытия трещины (фото 1). К моменту завершения работ по обследованию здания (через 2 месяца) динамика развития трещины не обнаружена. Дополнительно были выполнены гидрогеологические изыскания площадки.

Фото 1. Трещина во внутренней стене в осях «1-2/Б» на третьем этаже

При анализе результатов гидрогеологических изысканий, а также вскрытий фундаментов было установлено, что ленточный фундамент стены по оси «Б» по своей длине частично находится в подвале (оси «1-2»), т.е. является стеной подвала, а частично в обвалованном грунте (оси «2-3»). Также было установлено, что фундамент имеет разную ширину подошвы. Таким образом, фундамент стены по оси «Б» по длине работаетна разные нагрузки и имеет разную ширину подошвы по своей длине.

По результатам расчета основания фундаментов по оси «Б» по второй группе предельных состояний было установлено, что перенапряжение в основании фундаментов составляет от 2,3% до 79%. Основной причиной перенапряжения являлось изменение консистенции грунтов в основании фундаментов из-за регулярного подтопления канализационными и атмосферными водами в течение длительного времени. Для уточнения наличия деформаций дополнительно были выполнены вскрытия конструкции фундамента в месте  расположения трещины в стене по оси «Б». По результатам вскрытий дефектов свидетельствующих о наличии деформаций конструкции фундаментов (трещины, изломы) не обнаружено.При дальнейшем подтоплении фундаментов здания канализационными водами возможно ускорение процесса изменения консистенции грунтов основания, что может привести к появлению прогрессирующих деформаций конструкций стен. Необходимо отметить, что здания также подвержены значительным сезонным деформациям, связанным с изменением температурно-влажностного режима и уровнем подземных вод типа «верховодка».

По результатам обследования было установлено, что основными причинами образования трещин в несущих стенахвышеуказанных зданий, являются:нарушение условий нормальной эксплуатации (протечки из инженерных сетей в подвальных помещениях, подтопление оснований фундаментов);низкая прочность материалов стен;низкое качество выполнения работ (отсутствие перевязки между рядами кладки, «пустошовка»); длительный период эксплуатации здания без проведения ремонтов в достаточном объеме.

Таким образом, для обеспечениясистемной надежности зданийи заданных эксплуатационных параметров при осуществлении их ремонта и реконструкции, необходим комплексный учет факторов влияющих на техническое состояние зданий. Для учета этих факторов рациональным представляется использование интеллектуальных технологий поддержки принятия решений с количественными параметрами, характеризующими надежностьзданий и сооружений.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
2. ГОСТ Р 54257-2010. Надежность строительных конструкций и оснований.
3. ФЗ №384. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений
4. .Жеребятьева Т.В. Механизм биокоррозии бетона и его защита // Мастер. !-я Всерос. Конф. по проблемам бетона и железобетона «Бетон на рубеже третьего тысячелетия». М., 2001.
5. НовопашинаЕ.И.,Янковский Л.В., Новопашин А.В. Аварийные ситуации кирпичных жилых домов и методы их устранения // Пермские строительные ведомости. 1998. № 6.
6. Новопашина Е.И.,Новопашин А.В. Влияние гидрогеологичческих условий грунтов на долговечность жилых зданий // Пермские строительные ведомости. 1998. № 9.
7. Улицкий В.М., Шишкин А.Г. Учет изменения свойств грунтов под подошвой фундаментов в процессе эксплуатации зданий. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М., 1999.
8. Экспертиза и инспектирование инвестиционного процесса и эксплуатации недвижимости Части 1,2. Под общей научной редакцией проф. П.Г. Грабовый (ГрабовыйП.Г, Егорычев О.О., Лукманова И. Г. Новопашина Е.И. и др.). М., 2012