Эксплуатация зданий на набухающих грунтах и методы их восстановления
Обеспечение нормальной эксплуатации зданий обеспечивается комплексом мероприятий, предусмотренных проектом. В случаях когда применяются методы, исключающие возможность проявления набухания грунта, здания эксплуатируются, как на обычных грунтах. Во всех остальных случаях необходимо организовать наблюдения за состоянием конструкций сооружений и трубопроводов.
Эксплуатация и восстановление зданий
Наблюдения за состоянием сооружений осуществляются путем систематических визуальных наблюдений за конструкциями, а также путем нивелировки специальных марок. Нивелирные наблюдения за движениями зданий устанавливаются за всеми ответственными сооружениями с мокрым технологическим процессом, дымовыми трубами и другими сооружениями. С этой целью на здания устанавливают специальные марки, позволяющие фиксированно устанавливать нивелирную рейку.
Наблюдения следует производить прецизионным нивелиром с использованием инварной рейки относительно неподвижных реперов. Последние должны прорезать набухающую зону и анкериться в слоях грунта, набухание которых исключается. Как правило, длина репера не превышает 15 — 20 м. Число и расположение реперов в плане зависят от числа наблюдаемых объектов и расстояния между ними. При этом во всех случаях должно быть не менее двух реперов. Конструкция реперов принимается такой же, как и на обычных грунтах. Число циклов наблюдений определяется характером и интенсивность развития подъемов, но составляет не менее двух в год.
Следует отметить, что еще существует неправильное отношение к наблюдениям за движениями зданий и во многих случаях их не проводят. Однако именно отсутствие таких данных не позволяет обоснованно назначать в деформирующих зданиях необходимые мероприятия, связанные с восстановлением конструкций. Поэтому такие наблюдения должны обязательно производиться, начиная с возведения фундаментов или по крайней мере после окончания строительства здания.
Деформации конструкций проявляются в виде трещин в стенах и панелях, оползания балок и плит перекрытий и покрытий, а также кренов высоких сооружений. Для наблюдения за величиной раскрытия трещин используются маяки в виде двух пластинок, устанавливаемых с каждой стороны трещины. Эти пластинки перекрывают друг друга. По величине перемещения пластинок судят о величине раскрытия трещин. Наблюдения за раскрытием трещин должны производиться одновременно с нивелированием марок.
Кроме инструментальных наблюдений, должны производиться тщательные осмотры состояния трубопроводов. Возможные утечки воды должны непременно устраняться. Элементы ливневой канализации должны своевременно очищаться от мусора и грязи. Все контрольные колодцы следует систематически проверять, при обнаружении в них воды следует устанавливать и ликвидировать источники утечек.
В процессе эксплуатации зданий, возведенных на набухающих грунтах, должна вестись документация, отражающая характер деформаций конструкций, данные о движении марок, состояние водоводов и т. д.
В случаях когда деформации отдельных конструкций достигли недопустимых величин, следует принять меры, направленные на обеспечение устойчивости сооружений. При использовании плит или балок необходимо увеличить размеры опорных площадок. Прй этом колонны должны быть усилены металлическими или железобетонными рубашками. При опирании плит на несущие стены должны быть устроены дополнительные пилястры, по которым в продольном направлении устанавливаются балки под плитами.
В жилых зданиях, как правило, устраиваются металлические бандажи. Институт Укргорстройпроект применил для восстановления деформированных зданий в Керчи укрепление стен напряженными металлическими поясами. Этот метод заключается в том, что стены здания крепятся только поясами с последующим механическим и тепловым напряжением. При этом напряженное состояние стены изменяется. В ней образуются сжимающие усилия, которые устраняют растягивающие усилия от внешних нагрузок и подъема грунта, в результате чего частично уменьшается неравенство сжимающих и растягивающих напряжений.
Возможные неравномерные подъемы и осадки в усиленных зданиях не вызывают деформаций в стенах, так как увеличиваюся пространственная жесткость и прочность здания. Усиление выполняется как на стенах, имеющих трещины, так и на стенах, у которых трещины не обнаружены. Если стены зданий имеют большую величину раскрытия трещин, то необходимо произвести ремонт и перекладку стены либо качественную зачеканку трещин. Одновременно должны быть выполнены весь комплекс работ по защите грунтов основания от замачивания, а также общестроительные работы по ремонту здания.
Усиление зданий
Для усиления деформированных зданий устанавливаются металлические конструкции после строительных и ремонтных работ (кладка дополнительных стен, расчистка трещин и т. п.). Сначала устраивают металлические уголки по углам здания, затем навешивают на стены тяжи из полосовой стали, устанавливают вертикальные стойки из швеллеров и тяжи, соединяющие их. Наружные металлические пояса крепят к стойке с помощью сварки. К другой стойке этот пояс крепят с помощью круглого тяжа, пропущенного через отверстие в стойке, и затягивают гайкой.
Предварительное натяжение поясов производится путем натяжения гайки, установленной на тяже. Натяжение поясов следует начинать с нижнего пояса, расположенного на уровне цоколя. Все металлические части поясов и тяжи, а также сварные швы должны быть покрыты антикоррозионным составом.
Работы по электротермическому натяжению производятся в следующем порядке. Один конец пояса приваривают к стойке, другой оставляют свободным. На пояс приваривают контакты и подают ток, в результате чего стержень нагревается и удлиняется. Время нагревания стержня 5—15 мин.
Устройство металлических поясов позволяет устраивать возможность нарушения статической устойчивости, но не ликвидирует причины появления деформаций. Так, при изменении влажностно-температурного режима на поверхности под воздействием климатических факторов процессы набухания — усадки грунта будут вызывать подъем и осадку фундаментов, что может вновь привести к нарушению конструкций. Поэтому в этом случае необходимо предусматривать другие мероприятия.
В качестве одного из таких мероприятий может быть увеличение давления по подошве фундамента путем надстройки здании. Экспериментальная проверка этого метода была осуществлена в Керчи при надстройке одним этажом двухэтажного жилого дома. Инженерно-геологические условия площадки, где расположен экспериментальный дом, следующие: под растительным слоем залегают серовато-бурые глины твердой и полутвердой консистенции слоем толщиной 5,5 — 6,5 м. Эти глины обладают способностью к набуханию. Давления набухания составляют около ОД МПа. Глины подстилаются слоем 2 — 3-метровым рыхлого песчаника, ниже которого расположен слой плотной глины.
Фундаменты экспериментального дома бутобетонные, ленточные, шириной 50 см и глубиной 1,1 м. Наружные фундаменты находятся в зоне цикличных восходящих и нисходящих движений, связанных с сезонными изменениями влажности. В результате этих движений в стенах зданий появились многочисленные трещины, которые периодически в течение года раскрывались и закрывались.
До начала надстройки здания деформированные участки стен были частично разработаны и вновь заделаны кладкой. В процессе надстройки здания на уровне перекрытия второго этажа был устроен непрерывный железобетонный пояс по всем стенам. Аналогичный пояс был выполнен и на уровне надстроенно¬го третьего этажа. После надстройки здания давление по подошве фундаментов составило около 0,2 МПа.
С целью изучения влияния увеличения давления на основание при набухании грунтов было проведено их искусственное замачивание. С этой целью в средней части здания, а также в центральной части дворовой стены были пробурены дренажные скважины. На экспериментальном доме устанавливались стеновые марки, а для замера движения грунта поверхностные и глубинные марки.
После начала замачивания через скважины начался подъем поверхности грунта, но при этом подъема здания не было обнаружено. После этого возле стены дворового фасада были устроены шурфы, через которые продолжали увлажнение грунта. Это дополнительное замачивание привело к подъему стены дворового фасада до 8 мм.
Наблюдения за глубинными марками показало, что до глубины 6 м произошло набухание грунта. Несколько по-иному вели себя поверхностные марки. Часть этих марок, расположенная в зоне обводнения грунта, имела подъем. В то же время другая часть поверхностных марок, расположенная на значительном удалении от зданий, имела знакопеременные движения — подъем и опускание. Это вызвано тем, что на этом расстоянии не сказывалось увлажнение, и движение марок определяли сезонные изменения влажности под воздействием климатических факторов.
Профилактика деформаций и восстановление
Незначительный подъем надстроенного здания объясняется тем, что давление по подошве фундамента равно давлению набухания и поэтому возможны деформации только нижних слоев грунта. Однако следует отметить, что в дальнейшем возможна осадка здания в результате осадки грунта, которая происходит в летнее время. В то же время последующего подъема здания ожидать не придется, так как грунт в основании находится в таком напряженном состоянии, при котором разуплотнения не происходит. Следовательно, в этом случае будет устранена цикличность движения здания и прекратятся деформации конструкций.
Избежать цикличного изменения влажности можно также путем систематического увлажнения грунтов в основании зданий. Проверка этого метода была осуществлена на одном из деформированных двухэтажных жилых домов в Краснодарском крае. Инженерно-геологические условия площадки однообразны: повсеместно залегают делювиальные желто-бурые глины.
Эти глины были вскрыты до глубины 15 м. По данным минералогического анализа в глинистой фракции преобладают монтмориллонит и гидрослюды. Свободное набухание равно 6 %, а давление набухания — около 0,2 МПа.
Наблюдения за движениями ряда зданий показали, что в течение года происходят их периодические подъемы и осадки. Подъем зданий начинается, как правило, в октябре — ноябре и достигает в отдельных случаях 60 мм. Подъем прекращается в марте — мае, после чего наблюдаются осадки, которые протекают до сентября — октября. Затем начинается подъем и годовой цикл повторяется.
Вследствие неравномерности движения конструкции отдельных частей здания имеют существенные деформации: в стенах появляются трещины, происходит сползание перекрытая с опор. После проведенных капитальных ремонтов вновь возникают повреждения конструкций. При этом следует отметить, что наибольшие повреждения имеют стены, ориентированные на юг, а северная сторона здания повреждена меньше.
С целью ликвидации процессов набухания — усадки грунта в основании вокруг одного из домов на расстоянии около 1,5 м была разработана траншея глубиной на 20 см ниже подошвы фундамента. На высоту 0,5 м эта траншея была засыпана щебнем, а затем произведена обратная засыпка грунтом. По внешней стороне и по дну траншеи располагался слой рубероида с тем, чтобы устранить фильтрацию воды из траншеи в сторону, противоположную от дома. По углам траншеи выполнены кирпичные смотровые колодцы для наблюдения за уровнем воды. На уровне до цоколя здания устанавливались стеновые марки из металлических уголков.
Для наблюдения за движениями поверхности грунта между траншеей и стеной здания устанавливались поверхностные марки. Кроме того, в этом промежутке были устроены глубинные марки для регистрации движения слоев грунта с глубиной 0,5 — 2,5 м. Для наблюдения за перемещением грунта за пределами траншеи были установлены через 1 м друг от друга четыре глубинные марки длиной 1,25 м.
Замачивание грунта было начато в сентябре, т. е. после сухого периода, когда произошла осадка грунта. Сразу после замачивания начался подъем здания.
При этом наибольший подъем имели марки, установленные на южной стороне здания. За 1,5 года замачивания подъем марок составил 17 и 20 мм. Стена здания, ориентированная на север, за тот же период поднялась всего лишь на 2 м. Это объясняется тем, что наибольшее высыхание грунта наблюдается в основании стен, ориентированных на юг, в то время как с северной стороны влажность грунта изменяется незначительно.
Подъем поверхностных марок протекал более интенсивно, чем стеновых марок. Это объясняется тем, что набухание грунта в массиве происходит под действием напряжений от собственного веса, в то время как в основании фундаментов действуют напряжения от внешней нагрузки. При этом поверхностные марки, расположенные с северной стороны здания, поднялись значительно меньше чем те, которые расположены с южной стороны. Глубинные марки, расположенные на различной глубине между траншеей и зданием, при замачивании непрерывно поднимались. Это показывает, что грунт замачивался по глубине, при этом на глубине около 5 м подъем слоев не происходил.
Глубинные марки, расположенные за пределами траншеи, имели иной характер движения. В период с октября по апрель происходил их подъем, после чего марки начали спускаться. При этом марка, расположенная в непосредственной близости от траншеи, опустилась на меньшую величину, чем расположенная на расстоянии 4 м. Это объясняется частичным прониканием влаги из траншей. В целом эти марки имели восходящие и нисходящие движения, обусловленные сезонным изменением влажности под действием климатических факторов.
Эксперимент показал, что систематическое замачивание привело к подъему здания, при этом стабилизация его наступила через 1,5 года. Циклические движения здания отсутствовали. Таким образом, увлажнение грунта основания позволяет избежать проявления восходящих и нисходящих движении здания и устранить причины, приводящие к деформациям конструкции. Следует отметить, что этот метод не требует постоянного увлажнения грунта. После завершения набухания грунта замачивание его можно производить далее через год и только в летний период.
И, наконец, для уменьшения величины и неравномерности циклических движений зданий необходимо применять отмостки шириной 5 — 7 м, что существенно уменьшает движения наружных стен. Однако устройство отмостки не ликвидирует полностью сезонных движений фундаментов. Этот метод целесообразно применять в сочетании с замачиванием грунта основания.
