Новочеркасск, Ростовская область, Россия
с 01.01.2019 по настоящее время
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Общеинженерные дисциплины, профессор)
с 01.01.1980 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
В статье приведен анализ типовых дефектов и повреждений грунтовых оснований производственных зданий, причины появления повреждений, возможные последствия при развитии выявленных повреждений и методы устранения
строительные конструкции, основания и фундаменты, замачивание основания, осадка и просадка грунтов, выравнивание конструкций
При новом строительстве зданий и сооружений, как в мире, так и в России, все шире используются трехмерные информационные модели объектов (стадия 3D), а также появляются пилотные проекты, в которых реализовано прогнозирование и планирование процесса строительства (стадия 4D), а также наполнение информационных моделей информацией по стоимости материалов и оборудования для определения стоимости здания на любой стадии его возведения (стадия 5D). Постепенное накопление информации о здании в сочетании с проектом выводит использование ЦИМ на определение потребности в техническом обслуживании (стадия 6D). На уровне 6D - в моделях аккумулируются все изменения в соответствии с фактически принятыми на строительной площадке решениями, а также фиксируются отклонения от проекта. Эта модель, созданная на основании исполнительных схем, дает возможность накапливать данные с датчиков, размещенных на здании во время возведения и фиксировать их изменение и отклонения от допустимых значений для реализованных конструкций. ЦИМ стадии 6D используется в процессе эксплуатации производственного здания, и эксплуатирующая организация сможет своевременно принимать необходимые решения по ремонту и обслуживанию объекта. 6D-модель – это своеобразная система мониторинга и эксплуатации здания.
Следующая стадия 7D позволит осуществлять эксплуатационно-техническое обслуживание. Однако работ и принципов подхода к решению этого вопроса пока не выработано. Попробуем формализовать сбор данных и информации при проведении обследования строительных конструкций промышленных зданий.
Несомненно, что грунтовое основание и фундаменты выполняют главную функцию в обеспечении несущей способности всего производственного здания, поэтому дефекты и повреждения оснований и фундаментов имеют наиболее значительные и опасные последствия для зданий и сооружений. Очень часто техническое состояние фундаментов здания можно оценить по косвенным признакам, а именно – проседание отмостки на локальных участках вдоль здания, искривление линии цоколя и карниза, трещины в кирпичных стенах здания и другие признаки проседания фундаментов.
Специалистами ЮРГПУ (НПИ) в течение последних нескольких лет проведено обследование ряда промышленных объектов различного назначения в Южном Федеральном округе. Дефекты оснований и фундаментов повторяются на различных объектах, имеющих общие причины возникновения, что позволяет провести анализ и систематизацию дефектов при проведении обследований на новых объектах, а также обращать внимание на наиболее опасные.
Наиболее распространенными повреждением фундаментов является осадка и просадка грунтов основания. Просадочными свойствами обладают глины, суглинки, лессы и лессовидные супеси, пески, пепловые и зольные отложения, широко распространенные в Южном федеральном округе. Так же необходимо отметить, что просадочными свойствами обладают насыпные грунты, которые имеют неоднородный состав и могут неравномерно сжиматься под собственным весом или прилагаемой нагрузкой.
Проседание грунта происходит по следующим причинам:
- замачивание грунта, такая просадка характерна для лессов и лессовых грунтов, частицы которых представляют собой пористую массу, скрепленную мельчайшими кристаллами соли. Замачивание лессовых грунтов способствует растворению частиц соли и вымыванию её через пористую структуру. Замачивание песчаных грунтов способствует уплотнению частиц песка, что приводит к уменьшению его объема и повышению плотности. Такие грунты встречаются в Волгодонском районе Ростовской области;
- вибрационные нагрузки от установленного в здании оборудования, они так же приводят к уплотнению частиц, повышению плотности грунта и уменьшению его объема. Такие повреждения характерны для всех производственных зданий;
- повышение температуры и оттаивание вечномерзлых грунтов, но в Южном федеральном округе такие грунты не встречаются. При повышении температуры кристаллы льда, скрепляющие частицы грунта, тают, и грунт теряет свои прочностные свойства.
Устранить просадочные свойства грунта можно путем его уплотнения или специального замачивания. Например, уплотнение грунта выполняют с помощью различных транспортных средств, электрических или механических трамбовок, тяжелых катков или посредством вибрирования. Для достижения нужной плотности грунта возможно уплотнение вместе с искусственным замачиванием.
Эффективный и часто используемый способ устранения просадочных свойств – это устройство насыпного основания. Для этого грунт с просадочными свойствами извлекают из котлована и засыпают на его место другой, не поддающийся просадке. Обычно для этого используют щебень, засыпаемый с послойным трамбованием.
Причинами просадки грунта после возведения здания могут быть:
- Замачивание техническими водами в результате прорыва водопровода или канализации, особенно если коммуникации проложены под уровнем пола и процесс замачивания может длиться годами до обнаружения протечек.
- Замачивание водой атмосферных осадков в результате неисправной системы ливневого водостока. Внутренний водосток в большинстве промышленных зданий выполнен в форме водосточных труб, идущих вдоль колонн от кровли и до пола здания, под полом трубы объединяются в трубу большего диаметра и ливневые воды выводятся за пределы здания. На кровле возможны скопления листвы, веток и мусора, что может привести к засорению и разрыву ливневого водостока под полом здания.
- Подтопления в результате подъема уровня грунтовых вод. Уровень грунтовых вод на прилегающей к зданию территории регулярно меняется. Изменения уровня грунтовых вод могут носить сезонный характер. Обычно при проведении инженерно-геологических испытаний сезонное изменение учитывается и фундамент закладывают выше отметки. Гораздо труднее предугадать, на сколько поднимется уровень грунтовых вод в результате увеличения плотности застройки прилегающей территории или покрытия территории асфальтом или плиткой.
- Динамические нагрузки. При работе кранового оборудования, на грунтовое основание через колонны передаются знакопеременные динамические нагрузки, которые могут привести к его дополнительному уплотнению, если он недостаточно уплотнен.
- Недоуплотнения на локальных участках. Например, после уплотнения грунтового основания возникла необходимость выполнить ввод коммуникаций, в основании выкапывается траншея, прокладываются трубы водопровода и канализации, после чего, траншея закапывается и в лучшем случае трамбуется ручными трамбовками, чаще всего трамбование никак не выполняется. Под ленточным фундаментом образуется локальный участок с меньшей плотностью, что вызывает в последствие просадку.
Таким образом, можно выделить следующие зоны возможного появления осадок фундаментов:
Зона 1 – Локальные осадки отдельных колонн в области прохода коммуникаций в результате замачивания грунтов основания техническими водами.
Зона 2 – Локальные осадки группы колонн в районе установки вибрационного оборудования.
Зона 3 – Локальные осадки группы колонн по углам здания, в местах линз слабого грунта в основаниях, в местах засыпки естественных впадин рельефа и оврагов.
Зона 4 – Проседание рядов колонн вдоль пролета, вызванные интенсивной работой большегрузного кранового оборудования.
Зона 5 – Неравномерная осадка всех колонн производственного здания в результате повышения уровня грунтовых вод.
Устранить осадку фундамента или просадку грунта невозможно, если это произошло, то можно только устранять последствия (рис. 1).
Неравномерная осадка грунтов основания фундаментов может привести к нарушению эксплуатации здания, а в некоторых случаях и к аварийным последствиям. В кирпичных стенах здания при значительной осадке появляется множество мелких трещин или несколько крупных, способных привести к обрушению стены. Смещения колонн приводит к смещению подкрановых балок и соответственно крановых путей, что вызовет сбои в работе кранового оборудования. Смещение колонн вызывает разрывы в сварных швах закладных деталей стеновых панелей, что может привести к их обрушению. Так же смещение колонн может привести к нарушению работы технологического оборудования, установленного в цехе. Очень часто осадка колонн сопровождается проседанием полов, что приводит к сбою в работе оборудования или дискомфорту работающих сотрудников.
Рис. 1. Проседание грунтов основания под фундаментами лестничной клетки привело к образованию трещин между конструкциями до 150 мм.
В первую очередь, необходимо установить наблюдение за состоянием конструкций, например, один год. Если трещины в течение времени наблюдения продолжают расти и расширяться, то необходимо принимать меры по укреплению грунтов основания. Если раскрытия трещин не происходит, длина трещин не увеличивается, то можно говорить о том, что основание фундаментов находится в стабилизированном состоянии, а осадка грунтов основания происходила на начальной стадии эксплуатации здания. Если же здание новое (не более 5 лет с момента ввода здания в эксплуатацию), то необходимо сразу принимать меры по усилению грунтов основания и укреплению стен здания.
Укрепление основания можно выполнять двумя способами - инъектированием в грунт химических составов и укрепление путем вдавливания или закручивания свай. В первом случае выполняется введение в грунт растворов жидкого стекла или цементного раствора. Во втором случае выполняется вдавливание или закручивание под здание стальных свай. Чаще всего, это бывают наклонные сваи, которые задавливаются под обрез фундамента. В некоторых случаях, оголовки свай и существующий монолитный фундамент колонны могут быть объединены в новый свайный ростверк, и тогда уже получается свайный фундамент, передающий нагрузку на нижние слои грунта.
Укрепление грунта – это сложный процесс, который необходимо выполнять по специально разработанному проекту. Проект должен учитывать движение грунтовых вод, наличие полостей и инородных включений в грунтовом основании. В настоящее время существует множество организаций, которые выполняют инъектирование в грунт под высоким давлением специализированного геополимерного раствора. Это современные композиционные полимерные материалы, которые обладают высокой прочностью и способны расширяться в объеме. Основным сырьем для производства таких материалов являются минералы геологического происхождения, поэтому они и получили название геополимеров. Они химически устойчивы ко многим агрессивным средам, растворителям, способны выдерживать высокие температуры. В результате проведения работ по данной технологии обеспечивается укрепление, уплотнение и стабилизация грунта, заполнение полостей, укрепление и гидроизоляция фундаментов, подъем просевших плит, устранение трещин в стенах зданий.
После мероприятий по укреплению грунта, необходимо провести мероприятия по укреплению стен и несущих конструкций здания.
Здания, основания которых были укреплены, необходимо наблюдать в течение всего срока их дальнейшей эксплуатации. Мониторинг технического состояния зданий проводят для контроля их технического состояния и своевременного принятия мер по устранению возникающих негативных факторов, ведущих к ухудшению этого состояния, а так же для обеспечения безопасного функционирования оснований и фундаментов зданий. Установка на здание датчиков автоматизированной системы мониторинга состояния трещин и стыков зданий, позволит в реальном масштабе времени проводить измерения и автоматизировать процесс передачи данных посредством беспроводной связи. Информация, собранная и переданная системой мониторинга позволит сформировать 6D-модель здания и своевременно осуществлять эксплуатационно-техническое обслуживание (стадия 7D).
1. ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Введен в действие 2014-01-01. Принят Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (протокол N 39 от 8 декабря 2011).
2. Мониторинг технического состояния зданий и сооружений, как основа комплексной безопасности в строительстве / С. И. Евтушенко, Т.А. Крахмальный, А. С. Евтушенко, М. П. Крахмальная / Строительство и архитектура. - 2014. - Т. 2. - № 4(5). - С. 182-185.
3. Систематизация дефектов фасадов промышленных зданий / С.И. Евтушенко, Т.А. Крахмальный, М.П. Крахмальная, В.Е. Шапка, А.Б. Александров // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений : материалы XVI международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, 15 ноября 2016 г. / Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) имени М.И. Платова.- Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2016.- с. 132-136
4. Применение современных методов обследования кирпичных дымовых труб / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко, М. П. Крахмальная, А. В. Панфилов // Дефекты зданий и сооружений, усиление строительных конструкций: сб. науч. ст. XX науч.-метод. конф. ВИТУ, 29 марта 2016 г. / Военный ин-т (инженер.-техн.). - СПб., 2016. - С. 180-185
5. Использование информационных технологий при обследовании дефектов промышленных и гражданских зданий / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко, М. П. Крахмальная, И.А. Чутченко и др. // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф., 15 нояб. 2016 г., г. Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016. - С. 142-145
6. Особенности обследования технического состояния зданий котельных / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко, М. П. Крахмальная, М.А. Кучумов и др. // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений : материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф., 15 нояб. 2016 г., г. Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2016. - С. 146-148.
7. Результаты обследования производственного здания цеха сборки тракторов и проект реконструкции / Т. А. Крахмальный, С. И. Евтушенко, М. П. Крахмальная, Г. М. Скибин // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы XVII Междунар. науч.-практ. конф., 20 нояб. 2017 г., г. Новочеркасск / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2017. - С. 210-215.
