Техническая эксплуатация зданий

Предельные разности осадок оснований фундаментов колонн  или стен гражданских зданий не должны превышать 0,002 L (L—расстояние между точками, по которым проверяют разность просадок оснований).

В зависимости от характера развития неравномерных осадок основания и жесткости сооружения различают пять форм деформаций: крен, прогиб, выгиб (перегиб), перекос, кручение.

Крен — поворот относительно горизонтальной оси (рис. 71, а). Наибольшую опасность крен представляет для узких зданий повышенной этажности. Прогиб и выгиб (рис. 71,6 я в) связаны с искривлением сооружения. Перекос возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадок развивается на коротком участке здания (рис. 71,г).

Кручение сооружения наблюдается при неодинаковом крене по длине сооружения, при котором в двух сечениях здания он развивается в разные стороны.

Предельное значение крена, установленное нормами, не должно превышать 0,004 высоты   здания.   Прогибы зданий ограничиваются предельными значениями, не превышающими для крупнопанельных зданий 0,0007 L, а для кирпичных и крупноблочных—0,0013 L (L—длина изгибаемого участка). В общем случае осадка каждого фундамента может рассматриваться как сумма четырех слагаемых осадок, каждое из которых может принимать различные значения, в том числе может быть равно нулю:

S=Sупл+Sвып+Sрасстр

где Sупл — осадка в результате уменьшения пористости грунтов под воздействием нагрузки от фундамента или уплотнение, вызванные работой соседних зданий и сооружений; Sупл — осадка фундамента в связи с разуплотнением верхних слоев грунта; Sвып — осадка вследствие выдавливания грунта из-под подошвы фундамента; Sрасстр — осадка при нарушении структуры грунта.

Основные причины деформации грунтовых оснований

Разнообразие причин развития неравномерных  осадок уплотнения (различные инженерно-геологические  условия, неравномерная загрузка частей сооружения или изменение нагрузок, сооружение зданий в непосредственной близости от существующих и др.) требует  внимательного изучения состояния здания в период эксплуатации, а также строгого выполнения проектных условий работы оснований.

Осадки разуплотнения  развиваются  под действием веса сооружения, когда  он меньше массы вынутого грунта. Осадки выпирания SBUU связаны с развитием пластических деформаций грунта основания Причины развития неравномерных выпираний те же, что и при развитии неравномерных осадок уплотнения. От воздействия различных факторов могут развиваться осадки, вызванные изменением структуры грунтов.

Структура грунтов может нарушиться вследствие метеорологических воздействий, воздействий грунтовых вод и газа, динамических воздействий. К метеорологическим воздействиям относятся промерзание и оттаивание, набухание и, размягчение, высыхание грунтов. Очевидно, что все перечисленные факторы могут происходить при нарушении проектных условий во время эксплуатации.

При нарушении структуры основания  и потере в связи с этим несущей  способности применяют различные  методы искусственного его укрепления.

Уплотнение основания песчаными и грунтовыми сваями. Для этого в грунте делают скважины либо при помощи стальной трубы (сердечника) с башмаком большего диаметра для облегчения извлечения трубы, либо путем пробивки скважины-шпура буровой штангой диаметром 42... 48 мм с наконечником диаметром 60... 80 мм. Уплотнение грунта производится силой взрыва взрывчатых веществ (ВВ), закладываемых в образованные бурением скважины. Скважины заполняют уплотненным грунтом или песком. Объемная масса скелета грунта достигает значения, при котором основание становится непросадочным (1,55 ...1,65 т/м3).

Силикатизация грунтов  применяется для закрепления  сухих и водонасыщенных песков, просадочных  макропористых и насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в пески и лессы нагнетают  водный раствор силиката натрия, который цементирует грунт и значительно повышает его прочность. Сухие и водонасыщенные пески с коэффициентами фильтрации от 2 до 80 м/сут закрепляют путем введения поочередно жидкого стекла (силиката натрия) Na₂O-nSiO₂ и хлористого кальция CaCis, который является катализатором. Растворы взаимодействуют следующим образом:

Na_2-nOSiO₂ + СаС₁₂ + m Н2О = n SiO₂ (m — 1) Н₂О + Ca(OH)₂ + 2NaCl. При этом образуется нерастворимый в воде гель кремниевой кислоты, который цементирует частицы песка. Грунты, пропитанные нефтепродуктами, смолами при наличии грунтовых вод, имеющих р>9, силикатизации не поддаются.

  Пески с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 5 м/сут (плывуны) закрепляют одним раствором, состоящим из жидкого стекла и фосфорной кислоты Н₃РО₄ или из серной кислоты и сернокислого алюминия (в качестве более дешевого заменителя). Для закрепления лёссов и лёссовидных суглинков, макропористых просадочных грунтов выше уровня грунтовых вод с коэффициентом фильтрации 0,1...2 м/сут применяют однорастворный метод силикатизации жидким стеклом плотности 1,13 г/см³, которое, соединяясь с сернокислым калием, содержащимся в лёссах и лёссовидных суглинках (вместо хлористого кальция), образует нерастворимый гель и цементирует частицы грунта.

Силикатизация производится следующим образом. В грунт на глубину до 15 м погружают перфорированные  трубы диаметром 19... 38 мм, по которым  нагнетают растворы под давлением 15-105 Па. При двухрастворном способе  силикатизации инъекторы (перфорированные  трубы) погружают попарно на расстоянии 15... 20 см один от другого. Оба раствора можно нагнетать по одной трубе поочередно.

Закрепленные жидким стеклом мелкие пески с коэффициентом  фильтрации 2 ... 80 м/сут обладают прочностью 15... 35-10 Па, прочность плывунов доходит до 5-10 Па; лёссовых и просадочных суглинков — до 6... 8-10 Па; при этом просадочные свойства исчезают.

Иногда для закрепления  грунтов применяют электроосмос — явление передвижения воды под  действием электрического тока. При  таком движении вода захватывает с собой частицы грунта. Если процесс электроосмоса протекает длительное время и при этом вода, собирающаяся у катодов, откачивается, то грунт будет обезвоживаться и уплотняться.

  В глинистых грунтах повышение эффекта откачки воды создается путем сочетания работы иглофильтров с электроосушением.

Метод электроосмоса  может применяться также в  сочетании с химическим методом. Длительная работа электродов под действием  постоянного тока приводит к их разрушению, при этом продукты разрушения электродов, соединяясь с частицами глинистого грунта, увеличивают его прочность. Иногда через трубу (анод) в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы, цементируют их между собой гелями солей железа и алюминия.

Способ цементации грунтов  заключается в нагнетании в грунт  под давлением 3... 6 • 10⁵ Па цементного раствора, который, затвердевая в порах грунта, связывает между собой его частицы, увеличивает прочность грунта и уменьшает фильтрацию воды. Цементацию можно применять для грунтов с крупными порами, так как частицы цемента могут проникать в щели размером не менее 0,1 мм. К таким грунтам относятся песчаногравийные, галечниковые и гравийные отложения, а также крупнообломочные грунты сухие и в водонасыщенном состоянии с коэффициентами фильтрации 80...200 м/сут.

  Для увеличения водонепроницаемости и уменьшения фильтрации применяют также битумизацию грунтов. Разогретый битум нагнетают через инъекторы в поры грунта под давлением до 25—105 Па.

Для получения особо  высоких прочностных показателей  песчаных грунтов (10...30 ^. 10⁵Па) используют карбамидные смолы. Закрепление песчаных грунтов карбамидными смолами производится так же, как закрепление грунтов методом силикатизации. Однако следует иметь в виду, что закрепление грунтов смолами очень дорогой способ и его можно применять в исключительных случаях.

Имеются и другие способы  укрепления грунтов, но все они связаны  с дополнительными затратами. Поэтому  при технической эксплуатации зданий необходимо принимать меры, исключающие увлажнение грунтов или расстройство их структуры по другим причинам (авария инженерных коммуникаций, неграмотная организация земляных работ при возведении зданий рядом с существующими, нарушение правил эксплуатации зданий, вызывающее структурное расстройство грунтов, и т. д.).

Фундаменты относятся  к основным конструктивным элементам  сооружений, .воспринимающих нагрузку от надземных частей и передающих ее основанию. Для прочности и  устойчивости здания необходимо, чтобы фундаменты удовлетворяли следующим    требованиям:

- площадь подошвы фундамента  принималась из расчета допустимого  напряжения на грунт основания,  при этом нагрузка на единицу  площади поверхности основания  была бы одинаковой для однородных  грунтов

- фундаменты обладали требуемой жесткостью и массивностью;

- конструкция фундаментов  передавала вертикальные нагрузки  основанию;

- глубина заложения  фундаментов исключала промерзание  грунтов ниже отметки их заложения,  не прокладывались какие-либо  инженерные коммуникации ниже заложения фундаментов;

- фундаменты устраивают  из бетона, железобетона, бутобетона, кирпичной или бутовой кладки. Материал фундаментов выбирают  в зависимости от группы капитальности  здания, его назначения, а также  с учетом географических, геологических и гидрогеологических условий.

По способу возведения фундаменты подразделяются на монолитные и сборные. При заложении ниже 1,5 м фундаменты можно выполнять  одиночными с рандбалками, несущими нагрузку от вышележащих стен.

Ленточные фундаменты равномерно распределяют одинаковую нагрузку на однородные основания. При различных нагрузках в здании делают местные уширения фундаментов, а также выполняют осадочные швы на расстоянии около 70 м друг от друга, в просадочных грунтах эти расстояния уменьшаются. Ленточные фундаменты при незначительных нагрузках можно устраивать под столбы и колонны.

В конструкциях крупнопанельных  жилых домов в связи с большой  жесткостью при неравномерных деформациях  основания возникают значительные дополнительные усилия. Поэтому фундаменты этих зданий должны исключать значительные или неравномерные осадки. Предельные допустимые деформации оснований для этих зданий примерно в 1,5 раза меньше, чем для кирпичных.

При эксплуатации зданий необходимо иметь в виду, что наличие  подвалов в здании определяет глубину заложения фундаментов той части здания, где эти подвалы находятся.

При приемке зданий надо обращать внимание на качество гидроизоляции  фундаментов и подвальных частей здания.

Ремонт и усиление фундаментов сопровождается, как  правило, земляными работами по вскрытию фундаментов. При этом должны приниматься меры по предотвращению переувлажнения грунтов и нарушения их структуры. Отрываемые траншеи должны иметь глубину, не достигающую подошвы фундамента на 50 см. Затем (в соответствии с проектом) углубляют траншею отдельными колодцами, расположенными на расстоянии 2... 2,5 м друг от друга и имеющими по длине вдоль фундамента 1,5 м, после чего усиляют фундамент. После окончания работ на усиляемом участке тщательно послойно засыпают место работ песком и плотно утрамбовывают.

Прочность фундаментов  можно восстановить методом цементации, для чего в поры фундаментов нагнетают  цементный раствор. Работы должны производиться  по проекту с определением числа  просверливаемых отверстий в  фундаменте для инъекторов, нагнетаемого раствора и других параметров.

Основной причиной физического  износа и снижения несущей способности  фундаментов (как и оснований) является воздействие на них грунтовых  и поверхностных вод. Поэтому  важное значение в технической эксплуатации здания имеют отвод поверхностных вод и понижение уровня грунтовых вод.

При увлажнении материала  фундаментов влага по капиллярам будет подниматься вверх. При  этом влажность в разных сечениях будет различной, так как высота подъема влаги будет зависеть от размеров сечения капилляров: чем меньше сечение, тем больше высота подъема влаги.

Попеременное увлажнение и высыхание материала как  при положительных, так и при  отрицательных температурах вызывает дополнительные напряжения, которые  в ряде случаев могут оказаться разрушающими. Наибольших значений эти напряжения достигают в поверхностных слоях материала, что приводит к постепенному разрушению этих слоев. Попеременное увлажнение и высыхание может быть также причиной частичной потери прочности материала. Трещины, являющиеся результатом снижения прочности материала, во многих случаях увеличивают влаго- и воздухопроницаемость материала, что еще больше ускоряет процесс разрушения.

Источником увлажнения может быть грунтовая влага или  метеорологическая влага. Грунтовую влагу могут создавать все источники грунтовых вод. Грунтовая влага, проникая в материал фундаментов, может подниматься вверх по стене на высоту более 2,5 м от уровня земли. Наиболее энергично всасывают грунтовую влагу фундаменты и стены подвалов, сложенные на известковом растворе из различных мелкозернистых материалов — кирпича, песчаника и т. п.