природа образования кренов и способы их выравнивания
Крен – наиболее опасная деформация здания, т.к. в большинстве случаев она является прогрессирующей, т.е. нарастающей за отчетный период вследствие увеличения эксцентриситета нагрузки из-за наклона здания, нарастания краевых напряжений под подошвой плиты и развития пластических деформаций под плитой. В определенный момент времени, когда зона пластических деформаций охватывает значительную область основания, особенно при эксцентрической нагрузке, основание может потерять несущую способность и в этом случае опрокидывание здание (сооружения ) неизбежно.
Примеры таких классических аварий в механике грунтов хорошо известны.
Примеры таких классических аварий в механике грунтов хорошо известны.
Результаты обследования
Это Трансконский элеватор в Канаде. Построенный в 1911-1913 гг. он имел размеры в плане 23,5×50,5 м и ёмкость 35000 м3. Он был установлен на ж/б плите толщиной 60 см при заглублении 3,6 м. Основание состояло из ледниковых озерных отложений глины толщиной 9,0 м (глина слоистая с линзами ила, похожая на петербургские ленточные глины). В октябре 1913 г, когда элеватор ещё не был полностью загружен произошла вертикальная осадка фундамента на 35 см за период не более 1 часа. Элеватор стал крениться, а через несколько часов этот крен составил 260 к вертикали, одна сторона опустилась на 7,3 м, а другая поднялась на 1,5 м. Только благодаря высокой жесткости элеватор не разрушился.
Причиной этой аварии явилась перегрузка слабого основания с формированием классического выпора. Этот пример должен быть всегда перед глазами проектировщиков, которые проектируют на слабых грунтах плитные фундаменты для здания повышенной этажности.
Тем более, что в последнее время нашей организации всё чаще приходится сталкиваться с похожими аварийными ситуациями в Санкт-Петербурге, мы решаем вопросы не только остановки крена, но и возврата здания в исходное положение и стабилизации основания. Так в 2012 г. в июне месяце была закончена работа по стабилизации основания и выравниванию крена 12-ти этажного корпуса жилого дома №3 (корпус 1А) по ул. Киевской, и 2-х лестничных клеток многоэтажного паркинга по ул. Парашютной.
В первом случае здание – недострой простояло без консервации 4 года. Что представляло собой здание зимой 2011 г.?
Размер в плане 48×18м, высота 48,5м, фундамент в виде плиты толщиной 600 мм на естественном основании. Грунты в основании плиты – пески пылеватые средней плотности, насыщенные водой, Е=130 кг/см3, мощностью до 2,5 м, под песками залегает слабый грунт – суглинок тяжелый, пылеватый, серый, неяснослоистый текучепластической консистенции, выклиниваясь в сторону Киевской улицы от 2,3 до 0,7 метров.
Результаты измерения осадок плитного фундамента показали разность осадок 3,8 см на расстоянии 15,4 м (в поперечине), крен в сторону двора достиг величины i=3,8/1540=0,0025. Анализ данных наблюдения за предыдущие годы по построенным графикам позволил дать прогноз развития крена на 2011 и 2012 г., так в конце 2011 г. величина крена могла достичь значения i=4,5/1540=0,003, а к концу 2012 г. величины i=5,3/1540=0,0034 и быть близкой к предельному значению -0,004, который будет ощутим зрительно и поэтому недопустим.
Для установления причин развития деформаций крена были проанализированы графики развития осадок, выполнена проверка слабого подстилающего слоя грунта, оценка конструктивной схемы здания и обследовано основание здания под плитой в зимних условиях.
Причиной этой аварии явилась перегрузка слабого основания с формированием классического выпора. Этот пример должен быть всегда перед глазами проектировщиков, которые проектируют на слабых грунтах плитные фундаменты для здания повышенной этажности.
Тем более, что в последнее время нашей организации всё чаще приходится сталкиваться с похожими аварийными ситуациями в Санкт-Петербурге, мы решаем вопросы не только остановки крена, но и возврата здания в исходное положение и стабилизации основания. Так в 2012 г. в июне месяце была закончена работа по стабилизации основания и выравниванию крена 12-ти этажного корпуса жилого дома №3 (корпус 1А) по ул. Киевской, и 2-х лестничных клеток многоэтажного паркинга по ул. Парашютной.
В первом случае здание – недострой простояло без консервации 4 года. Что представляло собой здание зимой 2011 г.?
Размер в плане 48×18м, высота 48,5м, фундамент в виде плиты толщиной 600 мм на естественном основании. Грунты в основании плиты – пески пылеватые средней плотности, насыщенные водой, Е=130 кг/см3, мощностью до 2,5 м, под песками залегает слабый грунт – суглинок тяжелый, пылеватый, серый, неяснослоистый текучепластической консистенции, выклиниваясь в сторону Киевской улицы от 2,3 до 0,7 метров.
Результаты измерения осадок плитного фундамента показали разность осадок 3,8 см на расстоянии 15,4 м (в поперечине), крен в сторону двора достиг величины i=3,8/1540=0,0025. Анализ данных наблюдения за предыдущие годы по построенным графикам позволил дать прогноз развития крена на 2011 и 2012 г., так в конце 2011 г. величина крена могла достичь значения i=4,5/1540=0,003, а к концу 2012 г. величины i=5,3/1540=0,0034 и быть близкой к предельному значению -0,004, который будет ощутим зрительно и поэтому недопустим.
Для установления причин развития деформаций крена были проанализированы графики развития осадок, выполнена проверка слабого подстилающего слоя грунта, оценка конструктивной схемы здания и обследовано основание здания под плитой в зимних условиях.
- Пол подвала корпуса 1А покрыт льдом толщиной до 60 см;
- В результате вскрытия льда и бурения скважин через плиту Ø 300 мм установлено, что основание под плитой промерзло на глубину 1,2 метра;
- Таким образом основание регулярно в течение 4-х лет промораживалось и расструктуривалось;
- Анализ графиков развития деформаций показал, что 50% деформаций приходится на июль месяц, когда оттаивает основание под плитой;
- Центр тяжести здания смещен относительно геометрического центра плиты на 3,9 м в сторону двора, что вызывает момент, пригружающий основание в размере: М=8716 тсм;
- Средние напряжения по подошве фундамента составили р=19,5 тс/м2;
- Расчетное сопротивление грунта основания R=24,7 тс/м2 п. 2.41 СНиП 2.02.01-83* выполняется p<R (при условии нерасстуктуренного грунта);
- С учетом эксцентриситета приложения нагрузки краевые напряжения составили σмах=23,56тс/м2, что меньше 1,2R=28,32 тс/м2 (при условии нерасстуктуренного грунта);
- Проверка по слабому подстилающему слою:
σZp+ σZq=19,2+0,97×2=21,14 тс/м2
RZ=11,43 тс/м2
σZp+ σZq < RZ , таким образом условие СНиП 2.02.01-83* не выполняется с значительным перегрузом.
Причины образования крена
- Расструктуривание основания под плитой вследствие промораживания – 4 сезона.
- Перегрузка слабого подстилающего слоя грунта.
- Выклинивание слабого подстилающего слоя в сторону двора.
- Эксцентриситет центра тяжести здания относительно геометрического центра плиты.
Таким образом комплекс причин привел к незатухающим осадочным деформациям основания с развитием крена в сторону двора.
Расчет осадочных деформаций основания при глубине сжимающей толщи Нс.т.=18,0 м методом послойного суммирования показал, что конечная осадка плиты по дворовой стороне составит – 18,4 см, по уличной – 9,94 см, крен в сторону двора составит i=0,0046, превысит допустимую величину [i]=0,004.
Разработка проекта усиления фундаментов по нашим рекомендациям была поручена ООО «Петер-Гиб», проектной фирме под руководством профессора Сотникова С.Н., ГИП Сняткова М.М. при нашей консультации по разработке конструктивно технологических решений.
Проф. Сотников С.Н. хорошо знаком с нашей технологией вдавливания свай, включения свай в работу по временной и постоянной схеме динамикой изменения несущей способности во времени, что позволило подойти к разработке проекта с необходимой тщательностью и экономической целесообразностью. В результате была предложена концепция плитно-свайного фундамента, при которой 166 свай? берущих на себя 57 % нагрузки от веса здания , т.е. 11024 тс из 19369 тс. При этом расчетная нагрузка на сваю принималась 66 тс при финишном сопротивлении 70 тс.
Это решение было принято с некоторой долей риска т.к. п.7.4.10. СП 50-102-2003 (с.45) рекомендует на плиту передавать всего 15% от общей нагрузки.
Обоснованность принятого решения заключается в том, что сваи вдавливания увеличивают свое сопротивление по грунту в течение месяца ~ на 40%, т.е. если сопротивление вдавливанию на финише было 70 тс, то по истечении 1 месяца оно достигает 98 тс. Кроме этого в результате медленного, статического вдавливания происходит уплотнение массива грунта под подошвой плиты , т.е. улучшение свойств, в т.ч. и увеличение доли воспринимаемой основанием нагрузки, тем более, что на долю основания остаётся всего 16 % нагрузки от здания.
Как показали результаты испытания 4-х свай вдавливания т.о. ПКТИ №8022 от 28.11.11. несущая способность свай вдавливания по истечении 5 месяцев после изготовления составила 100 тс. Таким образом сваи взяли на себя 16600 тс из 19369 тс. То есть на плиту осталось 2769 тс, что составило 14,3 %, т.е. рекомендации СП 50-102-2003 оказались выполненными.
При выработке технологического регламента усиления основания была принята методология этапного производства работ с учетом накопленного нашей организацией опыта.
На первом этапе предполагалось вдавить сваи со стороны крена и включить их в работу по временной схеме и остановить развитие осадочных деформаций и крен здания. То есть 76 свай из 166 (см. план свайного поля рис. 1). При этом сваи выполнялись порядно в 3 ряда параллельно 4-мя комплексами. Сваи распределялись равномерно по длине здания (площади плиты). Сразу после вдавливания, т. е. после достижения финишного сопротивления 70 тс. (см. график вдавливания свай рис. 2) свая включалась в работу на временное сопротивление – 30 тс.
Мониторинг за поведением здания показал (см. график развития крена при вдавливании и включении свай в работу со стороны двора рис.3), что на первом этапе в период с 01.05 по 31.05 наблюдался процесс прогрессирования крена, что объясняется критическим состоянием основания, т.к. внедрение первых 60-ти свай в столь короткий срок привели к расструктуриванию основания и эффект воздействия на основание от расструктуривания оказался более чувствительным для здания, чем дополнительное сопротивление за счет вдавливания свай в размере ~ 1800 тс. Только после дальнейшего вдавливания нарастание крена прекратилось и пошел медленный возврат здания к вертикали, т.е. процесс выравнивания крена.
К 30.06 сваи первого этапа 76 шт. были вдавлены и включены в работу. Но с 30.06. до 31.08. процесс выравнивания крена затормозился. Это объясняется зависанием здания на средних рядах свай, поэтому для ускорения процесса выравнивания крена два средних ряда свай были разгружены и оставлен под нагрузкой только один ряд свай вдоль оси А-А. Благодаря этому мероприятию процесс выравнивания крена ускорился и к 30.11 завершился, т.е. был застопорен, т.к. перекрытия здания заняли горизонтальное положение (что являлось критерием выравнивания здания).
Выводы
- Таким образом проведенная работа позволила остановить и выровнять крен здания на 70мм.
- Здание пересажено на сваи – 166 шт., все сваи включены в работу по постоянной схеме.
- Мониторинг здания показал, что осадочные деформации в основном стабилизировались, в период с 14.05.12. по 24.12.12., среднее приращение равномерной осадки составило 3 мм, что с учетом нарастания нагрузки (здание достраивалось) составляет допустимое значение.
- В строительной практике Санкт-Петербурга этот случай является пионерным, т.к. выравнивание крена было обеспечено путем изменения жесткости основания.
- Примененный метод усиления позволил путем включения и выключения свай в работу регулировать скорость выравнивания крена и при достижении требуемой величины возврата (отклонения) остановить здание и оставить его в стабилизированном состоянии.
Стринанов Ю.П.