Деформации зданий и сооружений и порядок их выявления



В данной статье рассматриваются виды деформаций зданий и сооружений. Приведены распространенные методы и порядки выявления зданий и сооружений, рассмотрены характеристики деформаций фундамента и основные причины их появления.

Ключевые слова: строительство, здания и сооружения, деформации

Значительное место в современной практике инженерных работ занимает наблюдение за деформациями зданий и сооружений, ведь ни одно строительство не обходится без измерений деформаций, а в процессе стройки более крупных сооружений наблюдения могут продолжаться весь период эксплуатации, ведь о величины происходящих деформаций зависит их устойчивость и нормальный режим технологического процесса. Но при этом сложность и объем наблюдений, требования к точности их производства возрастают ежегодно. [1]

Деформации оснований сооружений происходят за счет перемещения частиц грунта, их сжимаемости. Основные факторы, которые влияют на сжимаемость грунта:

1) Величина сжимаемой толщи и пористость;

2) Размер, форма, вес фундамента;

3) Распределение давления по подошве фундаментов, конструктивная жесткость;

4) Материал, тип надфундаментных конструкций;

5) Природные факторы(просадка, пучение, изменение влажности пород, грунтовых вод) и др.

Выделяют следующие виды деформаций: осадка, набухание и усадка, оседание, подъем (или выпучивание), перемещение в сторону.

Вертикальные деформации оснований зданий и сооружений делятся на осадки и просадки.

Просадка — это сложный процесс, описывающий сильное изменение структуры грунта, его подвижки.

Осадка — медленная, сравнительно небольшая деформация, которая происходит в результате уплотнения грунта под действием силы тяжести здания или сооружения. Математическая характеристика осадок выражается величинами перпендикуляров, которые опущены с начальной горизонтальной плоскости (образованой подошвой фундамента) до пересечения с деформированной поверхностью. Если отрезки этих перпендикуляров равны — осадки равномерны, если не равны — осадки неравномерны.

Рис. 1. а) равномерные осадки;б) неравномерные осадки

Равномерные осадки происходят в тех случаях, когда давление веса сооружения и сжимаемость грунтов во всех случаях основания под фундаментом одинаковы.Неравномерные осадки происходят в результате различного давления частей сооружения и неодинаковой сжимаемости грунтов под фундаментом, что, в свою очередь, вызывает разного рода перемещения и деформации в надфундаментальных конструкциях. В реальности равномерных осадок почти не бывает, т. к. геологическое строение основания и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях даже на незначительных площадях неоднородно. Равномерные осадки не снижают прочности и устойчивости сооружений, но большие по величине равномерные осадки могут вызвать при эксплуатации сооружения осложнения, способствовать появлению новых нежелательных деформаций. Неравномерные осадки являются более опасными для сооружений. Например, даже незначительный наклон высокого сооружения может вызвать нарушения при эксплуатации лифта, привести к перенапряжениям в несущих конструкциях. Опасность больше, если значительнее разность осадок частей сооружений, чувствительнее к осадкам конструкции частей. В случае, когда сжимаемость грунтов под фундаментом неодинакова или нагрузка, которая приходится на грунт — различна, возникают деформации — смещения, кручения, которые внешне могут проявляться в виде трещин, разломов. [2, 3, 4]

Характеристика деформаций фундамента:

1) Полная осадка (S) отдельных точек фундамента, которая определяется измерениями: , где Hо — отметка начального цикла измерений; Hi — отметка текущего цикла измерений (отметки определены относительно отметки исходной точки, которая принимается за неподвижную). [5, 13]

2) Средняя осадка сооружения Sср, которая определяется вычислениями по данным фактических осадок не менее, чем 3х отдельных фундаментов, которые расположены в пределах здания (сооружения).

, где n — количество точек.

Для полноты общей характеристики вместе со средней осадкой указывают Smax и Smin — наибольшая и наименьшая осадки точек здания (сооружения).

3) Разности осадок двух точек i и j или двух (m-го и n-го) циклов наблюдений вычисляются соответственно по формулам: [8, 11]

4) Послойная деформацияZ грунтов оснований/толщи тела здания мощностью z определяется: (для точек, которые закреплены в кровле и подошве слоя грунта здания).

5) Перекос конструкции (только для относительно жестких зданий и сооружений), измеряемый максимальной разностью неравномерных осадок двух соседних опор, отнесенных к расстоянию между ними. [9, 10]

6) Крен (только для абсолютно жестких зданий (сооружений)) — представляет собой наклон/поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок без нарушения его цельности и геометрических форм.

В строительной практике различают:

− крен здания(сооружения), характеризующийся отклонением его вертикальной оси от отвесной линии, выражающийся в угловой, линейной, относительной мере;

− крен фундамента, который представляет собой отклонение плоскости подошвы от горизонта. Выражается в линейной (или относительной) мере. [7]

Для оценки устойчивости сооружений более наглядной является характеристика крена, которая отнесена к расстояниюL между точками i иj. Относительный крен K (завал и перекос соответственно)

.

7) Относительный прогиб (перегиб) фундамента Симметричный относительный прогиб f отдельных частей сооружения вычисляется:

где Si и Sj -осадки точек i и j, которые фиксированы на краях прямолинейного участка сооружения длиной L; Sk — осадка точки K, расположенной в середине между точками i и j

8) Кручение здания, которое представляет собой сложную деформацию — поворот параллельных сечений здания (сооружения) вокруг продольной оси в разные стороны и на разные углы.

9) Горизонтальное смещениеQ отдельной точки сооружения, характеризующееся разностью координат Xn, Yn, Xm, Ymсоотв. в n-ном и m-ом циклах наблюдений. Вычисляют смещения в общем случае:

10) Трещины, которые представляют собой разрывы в отдельных конструкциях здания (сооружения) и возникающие вследствие неравномерных осадок и дополнительных напряжений.

Способы наблюдения за деформациями в зданиях и сооружениях

Наблюдения за осадками зданий и сооружений выполняют различными способами: гидронивелирование, геометрическое нивелирование, тригонометрическое нивелирование, нивелирование стереофотограмметрическим и фотограмметрическим способами. [12]

Наблюдения за деформациями ввысотных зданиях исооружениях.

Возводимые высотные здания и сооружения различаются по значению и конструкции. По конструктивным признакам различают высотные сооружения ступенчатого, коробчатого и башенного типа. К первым относятся высотные дома. Вторые — это телевизионные башни, дымовые трубы, градирни ТЭЦ, радиорелейные мачты и т. д.

Для высотных зданий характерна большая нагрузка, распределенная на небольшой площади. Естественно, основная часть нагрузки приходится на основание и фундамент. Это и вызывает осадку сооружений, которая, в свою очередь, нарушает вертикальность здания и трещинам. Нагрузки возрастают в период возведения здания и становится устойчивым во время его эксплуатации.

Имеют место быть динамические деформации, появляющиеся из-за изменений температуры, ветра и колебаний здания. Они встречаются среди зданий ступенчатого и башенного типа. Наблюдения за осадками производят в основном методом высокоточного геометрического нивелирования по осадочным маркам, закрепленным непосредственно на исследуемой части сооружений. Высокоточный геометрический метод нивелирования позволяет определить осадки сооружения по осадочным маркам, которые размещены на стенах здания по обе стороны осадочных швов и линийили фундаменте. Марки должны быть расположены так, чтобы было комфортно работать с инструментами. Осадки высотных зданий способны вызывать осадки соседних сооружений и поэтому некоторые марки располагают на этих зданиях. Для измерения осадок применяют также переносные и стационарные гидростатические системы. В этом случае абсолютные величины осадок определяются путем периодической привязки нескольких точек гидростатической системы к исходным фундаментальным реперам. После измерений вычисляется абсолютная величина и скорость осадки каждой марки, средняя осадка для всего сооружения, крены и прогибы его отдельных частей. [14, 15]

Из выше сказанного следует, что современное и систематическое наблюдение за деформациями зданиями и сооружениями повышает уровень безопасности строительных объектов, снижает риск возникновения аварийных ситуаций.

Литература:

1. Астахова И. А. Геодезия // учебно-методическое пособие, Федеральное агентство по образованию, ГОУ ВПО «Майкопский гос. технологический ун-т», Фак. аграрных технологий, Каф. землеустройства. Майкоп, 2009.
2. [http://1igp.ru/info/rol-geodezii.php], (дата обращения 21.11.2016)
3. Гура Д. А., Доценко А. Е. О необходимости выполнения геодезической съемки // Сборник трудов конференции: Актуальные вопросы науки. Материалы IX Международной научно-практической конференции. 2013. С. 204–205.
4. Zheltko Ch. N., Gura D. A., Shevchenko G. G., Berdzenishvili S. G. Experimental investigations of the errors of measurements of horizontal angles by means of electronic tacheometers // Measurement Techniques. 2014. Т. 57. № 3. С. 277–279.
5. Востриков Н. Г. Просадочные процессы и их формы рельефа на территории Прикубанской равнины: особенности и распространение.
6. Гура Д. А., Рыжкова А. А., Болобан Т. И., Болгова А. С., Черепанов А. С., Кашаев Б. Р. Основные геодезические работы в строительстве // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2016. № 2. С. 133–137.
7. Кузнецова А. А., Гура Д. А., Алкачев Т. Э. Анализ полученных данных методом лазерного сканирования для выполнения периодического мониторинга на примере здания расположенного в г. Краснодаре // Статья в журнале: Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2014. № 4. С. 77–83.
8. Шевченко Г. Г., Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Пастухов М. А. Определение смещений и осадок сооружений с использованием поискового метода уравнивания // Новый университет. Серия: Технические науки. 2013. № 7 (17). С. 37–40.
9. Желтко Ч. Н., Шевченко Г. Г., Гура Д. А., Кузнецова А. А. Алгоритм определения координат при мониторинге сооружений с использованием поискового метода уравнивания // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2013. № 3. С. 60–64.
10. Хорцев В. Л., Проскура Д. В., Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Горизонтальные и вертикальные смещения сооружений и причины их возникновения // Сборник трудов конференции: Науки о Земле на современном этапе. VI Международная научно-практическая конференция. 2012. С. 116–119.
11. Шевченко Г. Г., Желтко Ч. Н., Гура Д. А., Пастухов М. А. Метод определения смещений и осадок сооружений с учетом особенностей работ на строительной площадке // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 11. С. 23–24.
12. Гура Д. А., Шевченко Г. Г. Экологический мониторинг деформации сооружений с использованием наземного лазерного сканирования // В сборнике: Строительство — 2010. Материалы Международной научно-практической конференции. Дорожно-транспортный институт. 2010. С. 152–153.
13. Денисенко В. В., Ляшенко П. А. Анализ методов компрессионных испытаний грунтов // Научные труды Кубанского государственного технологического университета, 2015, № 2. — С. 104–125. — URL: http://ntk.kubstu.ru/file/337.
14. Гура Т. А., Ерешко П. С. Требования к точности выполнения геодезических измерений при определении осадок зданий// В сборнике: Европейские научные исследования сборник статей Международной научно-практической конференции. под общей редакцией Г. Ю. Гуляева. 2016. С. 190–194.
15. Гура Т. А., Вовк С. Г., Чернова Н. В., Шишкина В. А. Анализ причин и последствий возникновения осадок и смещений зданий// В сборнике: International innovation research сборник статей победителей V Международной научно-практической конференции. Пенза, 2016. С. 176–181.