Осадочные деформации

Повреждения в конструкциях зданий, вызванные деформациями оснований, наиболее часто проявляются в виде трещин в фундаментах и стенах. Деформации бывают следующих видов:

• осадки-деформации, происходящие в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры;

• просадки-деформации, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием внешних нагрузок и дополнительных факторов, таких, как, например, замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек и т. п.;

• набухания и усадки-деформации, связанные с изменением объема некоторых видов глинистых грунтов, например морозным пучением;

• оседания-деформации земной поверхности, вызванные разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий и т. п.

В зависимости от причин возникновения различают деформации оснований, вызванные деформацией фунтов от нагрузок, передаваемых на основание зданием (осадки, просадки), а также деформациями, не связанными с нагрузкой от здания (оседания, набухания, усадки и т. п.).

Совместная деформация оснований и зданий может характеризоваться:

• абсолютной осадкой оснований отдельного фундамента Sj; о средней осадкой основания или здания ^ср; о относительной неравномерностью осадок As/l двух фундаментов, т. е. разностью их вертикальных перемещений, отнесенных к расстоянию между ними;

• креном фундамента или здания в целом i, т. е. отношением разности осадок крайних точек фундамента к ширине (или длине);

• относительным прогибом (выгибом) f/L, т. е. отношением стрелы прогиба (выгиба) кдлине однозначно изгибаемого участка здания; о кривизной изгибаемого участка или здания в целом К; о относительным углом закручивания xi о горизонтальным перемещением и.

Деформации возникают и наиболее активно развиваются в период строительства и продолжаются в разной степени в период эксплуатации.

При анализе надежности системы «здание — основание» рассматривают надежность обеих составляющих:

Р=РнРф,

где Рн — начальная потенциальная надежность к моменту завершения строительства; — надежность функционирования.

Отказ оснований фундаментов как системы, состоящей из отдельных элементов, вызывается отказом одного или нескольких элементов.

Для оснований фундаментов наиболее опасны факторы, вызывающие внезапные отказы. Наиболее важные факторы, взаимодействие которых может привести к отказу фундамента, можно выделить в отдельные группы:

1) воздействие окружающей среды (агрессия, вибрация, морозное пучение, землетрясение, увлажнение, набухание грунта и др.);

2) отклонения от СНиПа и ТУ по изготовлению, перевозке конструкций, монтажу, забивке свай, хранению, эксплуатации, контролю качества и несущей способности и др.;

3) неправильные исходные данные (неточность расчета, неправильное определение характеристик грунта и др.);

4) функциональные воздействия (расположение рядом с существующим зданием новых свай или фундаментов, ограниченность площадки строительства и др.).

При расчете надежности наиболее важным является описание процесса возникновения отказов и обоснование функций наработки на отказ. На рис. 7.12 показаны полученные А.Н. Тетиором зависимости роста параметра потока отказов и расходов на ремонт для панельных и отдельно стоящих фундаментов на фунтах, подверженных пучению.

Осадочные трещины в конструкциях зданий, как правило, возникают лишь при неравномерных осадках. Установлена определенная связь средних и неравномерных осадок (рис. 7.13).

Неравномерность осадки здания можно характеризовать показателем

m=f/s,

где s = s(s₁ + 2s₂)/3 (рис. 7.14).

Величина т зависит от сжимаемости оснований, формы и размеров подошвы фундаментов, общей жесткости здания и его фундамента. Эти условия для кирпичного здания обобщены в показатель гибкости

где Е0 — модуль деформации основания; — коэффициент бокового расширения основания; а — половина длины стены; b — половина ширины стены; EI — жесткость стены и ее фундамента.

Различают следующие виды неравномерных деформаций (рис. 7.15): прогиб, выгиб, кручение коробки здания, перекос. Причинами этих деформаций могут быть:

• неравномерность удельного давления на грунты оснований под подошвой фундаментов;

• неоднородность и разнопрочность грунтов оснований;

• неоднородность сжимаемости из-за различных факторов (например, наличие жестких включений, карстовых или других пустот, местное замачивание лессовых грунтов или оттаивание вечномерз-лых грунтов и т. д.);

• влияние горных выработок (подработок) или отрывки открытых котлованов и траншей вблизи от здания;

• влияние вибрации (например, забивки свай в непосредственной близости от здания).

При обследовании деформированных зданий составляют чертежи и фото, характеризующие расположение трещин и других деформаций, их величину и развитие, характер раскрытия трещин (кверху или книзу), расположение поперечных стен, расчленение здания трещинами на блоки и условия устойчивости отдельных блоков. Деформации прогиба, выгиба и перекоса часто вызываются различными модулями деформаций грунтов под разными участками зданий. При прогибе трещины концентрируются у фундамента и расширяются книзу. Они угасают к подоконникам первого этажа (реже второго). При выгибе трещины образуются в карнизе. Их количество и раскрытие уменьшается книзу. Обычно прогиб здания менее опасен, чем выгиб. При прогибе здание почти никогда не теряет общей связи и не разламывается, не появляется опасности отдельно стоящих блоков. Вместе с тем в практике эксплуатации зданий (особенно старых кирпичных) наиболее часто наблюдается выгиб. Это объясняется перегрузкой

продольных стен наиболее тяжелыми торцовыми (часто глухими) стенами. Устройство в зданиях арочных проездов у торцов зданий еще более способствует этому явлению.

Наклонные трещины в стенах, цоколе, фундаменте с одинаковыми направлением и раскрытием являются действием поперечных

Рис. 7.17. Деформация зданий при пристройках к ним новых зданий:
а — схема трещин; б — сечение фундаментов; 7 — существующее здание; 2 — пристраиваемое здание; 3 — зона наложения дополнительной нагрузки на основания существующих фундаментов

сил, а не изгибающих. При изгибе трещины имеют форму параболы (рис. 7.16), причем при внезапных сильных осадках парабола имеет значительную величину оси по сравнению с хордой. По наклону трещин нетрудно судить, какая часть здания оседает.

Наиболее характерные осадочные деформации зданий в случае пристроек к ним вплотную новых зданий при необеспечении специальных конструктивных мер приведены на рис. 7.17.

В табл. 7.13. приведены предельно допустимые осадочные деформации, полученные в ходе эксплуатации зданий.

Таблица 7.13. Предельно допустимые осадочные деформации

На рис. 7.18 представлены зависимости относительного прогиба стены f_отн от размеров стен (а) и максимального угла поворота q> от этажности (б), определяющие условия и возможности появления трещин в кирпичных зданиях при неравномерных осадках.

Осадочные деформации можно классифицировать и по степени последствий (табл. 7.14).

Факторы, определяющие надежность оснований эксплуатируемых зданий, возможность увеличения нагрузок и условия ремонта, можно разделить на две группы:

1) факторы конструктивного порядка, характеризующие жесткость коробки, способы передачи нагрузок;

2) факторы, связанные со свойствами грунтов (оснований).

Учет этих факторов позволяет в каждом конкретном случае более точно определить причины повреждения зданий.

Учет этих факторов позволяет в каждом конкретном случае более точно определить причины повреждения зданий.
Принципиальные схемы устройства фундаментов влияют на их надежность как при одинаковом, так и при разном количестве элементов. При одинаковом количестве элементов принципиальная схе

ма фундаментов может увеличивать или уменьшать их надежность. Например, сваи-стойки более надежны, чем висячие сваи, так как их несущая способность незначительно связана с характеристиками грунта у боковой поверхности.

Для современного расчета конструкций характерны системный подход, вызывающий необходимость рассматривать конструктивную систему здания в целом, и вероятностный анализ, который требует учитывать изменчивость различных факторов, влияющих на прочность и деформации конструкций. В практических расчетах принимаются детерминированные нагрузки, а также детерминированные характеристики прочности конструкций, соответствующие определенной вероятности их достижения. Учитывая многократную статическую неопределимость систем жилых зданий, их расчеты принципиально могут быть только проверочными. В связи с этим после выяснения схемы и конструкций зданий целесообразна такая последовательность проверочных расчетов: определение жесткостных характеристик и обобщающих усилий, уточнение усилий в элементах и повторная проверка на них прочности и деформации отдельных элементов.

При определении жесткостных характеристик реального эксплуатируемого сооружения возникает много вопросов: как оценить податливость связей всех панелей, как учесть влияние поперечных стен на общую изгибную жесткость, каким образом выявить влияние на прочность различной степени обжатия раствора в разных швах по высоте сооружения, как учесть пространственную работу сооружения, как правильно оценить депланацию коробки, каким образом отразить в расчете изменение во времени модуля деформации бетона, как оценить работу перекрытий, как учесть трещинообразование в бетоне панелей и т. д. Естественно, что учесть все эти факторы в одном расчете невозможно, поэтому становится понятным стремление различных исследователей выделить ту или иную особенность в поведении конструкций.

Следует отметить, что в зависимости от вида деформации основания методику определения изгибной жесткости здания необходимо корректировать. Укажем для примера степень учета плит перекрытий, не скрепленных между собой горизонтальными связями, при прогибе и выгибе здания. При прогибе системы верхняя часть здания оказывается сжатой. Перекрытия, кроме самого верхнего, не нагруженные вышележащими конструкциями, работают на сжатие. Перекрытия нижней растянутой зоны нагружены верхними этажами, силы нормального давления q на них велики и оказывают значительное сопротивление различным подвижкам плит. Возникающие по

опорным поверхностям плит силы трения играют роль связей, поэтому при прогибе здания нужно учитывать в работе все плиты перекрытия совместно с продольными стенами (рис. 7.19). При выгибе системы перекрытия верхних этажей, находящихся в растянутой зоне, не придавлены вышележащими конструкциями в той степени, чтобы существенно воспрепятствовать их возможным подвижкам. В нижней зоне панели перекрытий, защемленные вышележащими конструкциями, к тому же работают на сжатие, поэтому при определении жесткости системы их нужно учитывать полностью (см. рис. 7.19). Если при прогибе системы нейтральная ось проходит по середине высоты здания, то при выгибе она будет сильно смещена вниз.

Особенностью поведения конструкций на податливом основании является то, что система «здание — основание» за время возведения и эксплуатации может претерпевать различные стадии деформирования. Если исходить из единой расчетной схемы, как это принято в настоящее время, то трудно учесть многообразие условий работы конструкций, характерные для той или иной степени деформирования. Одним линейным дифференциальным уравнением или их системой с неизменными жесткостными характеристиками нельзя описать все многообразие форм сооружений, учесть различные условия сопряжения элементов между собой, в том числе и однородных.

Стремление полнее осветить работу здания за все время его существования приводит к необходимости решать задачу либо в нелинейной постановке от начала и до конца (учитывая нелинейность деформирования здания и основания и используя нелинейные дифференциальные уравнения), либо в несколько приближений. В последнем случае на каждом этапе приближения используются свои линейные 

дифференциальные уравнения, а жесткостные характеристики здания соответствуют стадиям деформирования системы «здание — основание». На первом этапе при расчете на изгиб здание рассматривается как призматическая оболочка с изгибной Е1о и вертикальной сдвиговой GF жесткостями, лежащая на податливом основании (рис. 7.20).

Если бы здание не обладало никакой изгибной жесткостью, то его прогиб соответствовал бы потенциально возможным деформациям основания: I0(z) = /огрСг)> £o(z) = т. е. в здании не возникало бы никакого напряженного состояния. С другой стороны, если бы здание было бесконечно жестким, Io(z) = 0, go(z) = СЬ/ф(г) = max, то условия были бы максимальными. В действительности здание обладает конечной жесткостью, поэтому на его напряженное состояние влияет разность возможных и реализующихся в натуре деформаций основания. В этих формулах может быть использована любая модель грунтового основания. При этом коэффициент пропорциональности Go должен учитывать жесткость основания, соответствующую принятой грунтовой модели и отвечающую уравновешенному состоянию системы.

На втором этапе расчета здание рассматривается как составной стержень, лежащий на податливом основании. В качестве стержней (стрингеров), воспринимающих сжимающие и растягивающие напряжения, принимают перемычные участки продольных стен здания, а в качестве связей, препятствующих сдвиговым деформациям, — простенки. Напряженно-деформированное состояние такого составного стержня описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка. Составление и решение этой системы для нерегулярных стержней (имеющих различные площади поперечного сечения, неодинаковые расстояния друг от друга, разные жесткостные характеристики и т. п.) затруднено и тем сложнее, чем выше этажность здания. Однако эту сложную задачу можно упростить, если отделить верхнюю надфундаментную часть от фундаментной, определить приведенную жесткость верхней части и при решении контактной задачи рассматривать систему только из двух брусьев.