Оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки

При оценке надежности реконструируемых зданий и сооружений, прежде всего, не-обходимо решение задачи по выявлению и описанию условий работы составляющих их конструкций из материалов, свойства которых могут существенно меняться под влиянием воздействия изменившейся внешней среды. Типичным материалом такого рода являются грунты оснований сооружений.

В широком смысле грунтовое основание является важнейшим конструктивным эле-ментом, так как его разрушение или чрезмерная деформация чаще всего приводит к выходу из строя всего сооружения. Кроме того, грунты представляют собой сложные многофазные дис-персные системы, поэтому общеизвестны трудности, связанные с созданием моделей, достаточ-но точно описывающих их напряженно-деформированное состояние и пригодных для практиче-ских инженерных расчетов.

Целью исследования является оценка надежности реконструируемого здания после его надстройки для изменившихся грунтовых условий основания после поднятии уровня грунтовых вод и увеличения нагрузки на фундаменты и основания.

В задачу исследования входило по материалам обследования грунтов основания оценить, как изменились прочностные и деформационные характеристики грунта по срав-нению с проектными, проверить их прочность и эксплуатационную пригодность для рекон-струируемого здания и сделать вывод о причинах и различии в изменении свойств при уве-личении влажности грунтов основания.

В течение многих веков методы проектирования и строительства основывались поч-ти целиком на практическом опыте и эмпирических правилах. В те времена все грунты обычно делились на два вида: "мало сжимаемые" или "плотные" и "сильно сжимаемые" или "слабые". У первых сопротивление нагрузке было достаточно высоким, чтобы соору-жения, стоящие на них, существовали благополучно, не испытывая сколько-нибудь за-метных деформаций. Ко вторым относили грунты, на которых уже под небольшими давле-ниями происходили опасные по величине и неравномерности перемещения фундаментов, приводившие к значительным деформациям сооружений и даже к их разрушению.

Самыми прочными грунтами являются скальные горные породы, и, естественно, древние строители выбирали для тяжелых сооружений такие участки, на которых эти поро-ды выступали на поверхность или залегали неглубоко под ней. Все сохранившиеся до на-шего времени крупные сооружения древности также были построены на прочных, в основ-ном скальных, грунтах.

Когда же приходилось строить на слабых грунтах, на последние укладывали сплошные слои маловлажного грунта, которые уплотняли по мере отсыпки ногами прогонявшихся вперед и назад стад скота, а поверх этой, так называемой, "подушки" устраивалось многослойное мо-щение из камня или высушенных на солнце обожженных кирпичей, связанных с помощью битума. Однако подобное усиление слабых оснований нередко оказывалось недостаточным, и тяжелые здания разрушались из-за больших неравномерных осадок.

Фундаменты мостов при неглубокой воде устраивались в виде опиравшихся прямо на дно отсыпок из крупного камня или корзин с мелким камнем. Естественно, что мосты на таких опорах существовали недолго - до первого сколько-нибудь серьезного паводка. Поэтому строители предпочитали устраивать временные плавучие мосты - переправы.

В лесистых районах издавна стали укреплять слабые основания деревянными столба-ми-сваями, которые забивали в грунт на близком расстоянии друг от друга. Особенно глубоко сваи забивать тогда не могли, и если они не доходили до прочного грунта, избежать осадок не удавалось. Римляне начали первыми опирать мосты на сваи, однако им не всегда удавалось за-бить их на глубину, надежно предохранявшую от подмыва. Параллельно со свайными фундамен-тами развивались и совершенствовались массивные конструкции фундаментов глубокого зало-жения и технологические методы их устройства. Так как эти фундаменты доводили до прочных мало сжимаемых грунтов, то проблема расчета осадок и устойчивости их оснований не возникала.

Частые случаи деформаций и повреждений зданий и сооружений, основанных на не-скальных грунтах, побуждали к поискам более эффективных методов обеспечения их долговеч-ности и надежности. Сначала строители пришли к выводу, что размеры фундаментов и нагрузки на них должны определяться в зависимости от прочности грунтов основания, полагая, что зна-чительные осадки, представляющие опасность для сооружения, являются результатом наруше-ния прочности грунтов. На основе опыта строительства и наблюдений за поведением сооруже-ний в большинстве стран были составлены таблицы так называемых "допускаемых давлений" на основания, сложенные различными грунтами.

Еще в конце XVIII в. прочность грунтов стали рассматривать как их сопротивление сдвигу. На этой основе Ш. Кулон в 1773 г. разработал способ расчета давления сползающего грунта на подпирающую его стенку. Затем основные положения расчета были использованы для определения сопротивления оснований разрушению при действии нагрузки от сооружения и для расчета устойчивости откосов и склонов.

Однако уже в первой половине XIX в. было установлено, что еще до наступления разру-шения основание испытывает осадки за счет уплотнения грунта под давлением сооружения. Во второй половине XIX в. была решена задача о распределении напряжений в основании, рас-сматриваемом как упругий сплошной массив. В первой четверти XX в. К. Терцаги предложил метод расчета осадок вследствие уплотнения грунта и скорости их протекания. На базе этих ис-следований в 30-х годах XX в. создана наука Механика грунтов, включающая в себя расчет-но-теоретические основы фундаментостроения.

Большое значение в формировании и развитии российской школы фундаментострое-ния имели выдающиеся работы Н.М. Герсеванова, Н.П. Пузыревского по совершенствованию конструкций фундаментов и оснований и методов их расчета; исследования Н.Н. Маслова по развитию инженерной геологии и механики грунтов в приложении к строительству крупных гидротехнических сооружений; исследования по строительству инженерных сооружений в сложных геологических условиях: на вечной мерзлоте (М.И. Сумгин, Н.А. Цытович), на просадочных грунтах (Ю.М. Абелев, Н.Я. Денисов, Н.Н.Фролов и др.), в сейсмических районах (К.С. Завриев, Е.Ф. Саваренский), на мощных толщах водонасыщенных слабых или-стых грунтов (Б.Д. Васильев, Н.Н. Маслов). Освоению российскими инженерами методов ме-ханики грунтов особенно содействовали монографии Н.М. Герсеванова "Основы динамики грунтовой массы" (1937 г.) и учебники по механике грунтов Н.А. Цытовича (1934 г.), Н.Н. Иванова, В.В. Охотина и др.

В 30-ые годы в СССР был организован единственный тогда в мире Научно-исследовательский институт оснований и фундаментов, которому присвоено имя его создателя - Н.М. Герсеванова, руководившего разработкой первой официальной инструкции по испыта-ниям грунтов (1933 г.) и первых отечественных норм и технических условий на проектирование оснований сооружений (1938г.). Научно-исследовательские грунтовые лаборатории, созданные тогда же практически во всех крупных научно-исследовательских и учебных институтах строи-тельного, гидротехнического и транспортного профилей, также внесли существенный вклад в развитие механики грунтов.

Грунты - это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонент-ные системы, изменяющиеся во времени, с целью познания их как объекта инженерной дея-тельности человека. Основным положением грунтоведения является положение о зависимости физико-механических свойств грунтов от их состава, структуры, текстуры и состояния (прежде всего от плотности - влажности). Прочные минеральные частицы, или агрегаты, и связанная с минералами вода образуют его основную часть - скелет. Свободная вода и газы заполняют по-ровое пространство. Связи между минеральными частицами скелета, процентное содержание частиц разных размеров, пористость и вещественный (минеральный) состав материала частиц являются классификационными характеристиками грунтов. В скальных и полускальных грунтах прочность связей соизмерима с прочностью минеральных зерен, а пористость чаще всего незна-чительна. В несвязных (сыпучих) грунтах, сложенных сравнительно крупными (различимыми невооруженным глазом) минеральными частицами, пористость значительна.

Наиболее сложными и изменчивыми свойствами обладают связные грунты, состоящие в основном из мельчайших частиц, соединенных в агрегаты, невидимые невооруженным глазом. Агрегаты соединены между собой эластичными водно-коллоидными или жесткими кристалли-зационными скелетными связями. Прочность их незначительна, несоизмерима с прочностью минеральных частиц скелета. Процентное содержание минеральных частиц разных размеров (гранулометрический состав) определяет классификацию отдельных грунтов, отнесенных к классам связных и несвязных (глины, суглинки, супеси, мелко- и крупнозернистые пески и т. д.).

Особенностью пористых, связных и сыпучих, грунтов является их способность изменять плотность при сжатии, что сближает их с газами. Однако в отличие от газов у грунтов объемная деформация лишь частично обратима.

Величина объемной деформации и ее необратимой составляющей зависит не только от нагрузки, но и от длительности воздействия. В зависимости от длительности действия нагрузки может иметь место одна из двух форм протекания уплотнения - консолидация или динамиче-ское сжатие. В обоих случаях необратимая объемная деформация происходит за счет уменьше-ния объема порового пространства и сопровождается переукладкой минеральных зерен скелета, разрушением структурных связей и образованием новых.

При консолидации уменьшение порового пространства сопровождается вытеснением из него воды и газов. Величина деформации и скорость процесса зависят не только от нагрузки и прочности скелетных связей, но и от водопроницаемости, определяемой гранулометрическим составом грунта. При этом влажность грунта уменьшается.

Прочность структурных связей в связных грунтах, от которых зависит протекание де-формации формоизменения и объемной деформации (обеих ее форм), может в десятки и даже сотни раз снижаться или возрастать с изменением влажности. Это определяется растворением солей, образующих жесткие кристаллизационные скелетные связи, и изменением толщины пле-нок водно-коллоидных связей.

Дискретность строения грунтов и физико-механические характеристики их составных частей (фаз) определяют закономерности проявления физико-механических свойств грунта в целом.

Под основанием сооружения понимается массив грунта, деформирующийся от уси-лий, передаваемых на него фундаментами. Отсюда следует, что надежность оснований со-оружений нельзя рассматривать в отрыве от находящихся на них фундаментов и надзем-ных конструкций сооружений. Основание предназначено для восприятия нагрузок и других воздействий через фундаменты от надземной части сооружения, и возведение его самого по себе без сооружения и фундаментов лишено практического смысла. Поэтому под надежно-стью основания сооружения следует понимать, в сущности, надежность одного из элемен-тов системы основание - фундамент - надземная часть сооружения. При отсутствии обес-печенной надежности основания вся система является также ненадежной. Более того, нена-дежность основания вызывает, как правило, появление таких деформаций и напряжений в фундаментах и надземных конструкциях сооружения, при которых они становятся нена-дежными даже в том случае, если их надежность сама по себе (без учета влияния основа-ния) и была обеспечена. В то же время ненадежность фундаментов и надземных конструк-ций сооружения не оказывает обычно прямого влияния на надежность основания, если по-следняя была обеспечена в процессе проектирования с учетом всей совокупности дейст-вующих на нее нагрузок и других факторов.

Таким образом, обеспечение надежности работы основания следует рассматривать как способ обеспечения надежной работы всей системы основание - фундамент - надзем-ная част