Мониторинг несущих строительных конструкций жилых зданий, построенных на подрабатываемых территориях без конструктивных мер защиты

В.В. Ермаков, А.Н. Патраков

МОНИТОРИНГ НЕСУЩИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ, ПОСТРОЕННЫХ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ БЕЗ КОНСТРУКТИВНЫХ МЕР ЗАЩИТЫ

Представлены результаты мониторинга конкретных зданий, расположенных на подработанной территории. Дана оценка технического состояния зданий на основании детального обследования. Изложен алгоритм проведения мониторинга зданий на подработанной территории.

Значительная часть территории г. Березники подработана подземными горными выработками, которые образовались при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей. Подработка территории города велась с 30-50-х гг. прошлого столетия вплоть до начала затопления рудника в результате техногенной аварии в 2006 г. На сегодняшний день подработанная территория находится в активной стадии процесса сдвижения земной поверхности.

При разработке полезных ископаемых подземными горными выработками на подработанных территориях образуются мульды сдвижения земной поверхности, характеризующиеся оседанием, горизонтальным сдвижением и наклоном интервалов поверхности.

Деформации земной поверхности при определенных условиях приводят к развитию существенных воздействий на здания (сооружения), при этом, как следствие, они претерпевают значительные деформации, приводящие к существенным повреждениям их несущих строительных конструкций и в ряде случаев к невозможности продолжения эксплуатации.

Прочность, устойчивость и эксплуатационная пригодность зданий, возводимых на подрабатываемой территории, обеспечивается рациональным расположением зданий относительно мульды сдвижения, уменьшением деформаций земной поверхности с помощью горнотехнических мероприятий, применением в зданиях специальных конструктивных мер защиты. При этом применение указанных мер защиты не исключает появления в несущих и ограждающих конструкциях зданий деформаций и повреждений, допускаемых по условиям эксплуатации и устраняемых ремонтом.

ТСН 22-301-98 «Здания на подрабатываемых территориях Верхнекамского месторождения калийных солей. Назначение строительных мер защиты» определяют, что на период активной стадии процесса сдвижения следует предусматривать выполнение работ, связанных с инструментальными наблюдениями за деформациями земной поверхности и зданий.

В настоящее время ООО «Научно-производственный центр «Строй-диагностика» проводит инженерный мониторинг ряда жилых зданий в г. Березники, которые испытывают существенные деформации.

Наблюдению подвергаются здания, расположенные по улицам Юбилейная и Свердлова. Рассматриваемые здания пятиэтажные, количество подъездов от 3 до 8, длина зданий в осях 53, 60 и 120 м (2 блок-секции по 60 м). Здания построены по типовым сериям 1-439 и 1-468 в 60-х гг. прошлого века, конструктивно представлены внутренними поперечными несущими стенами из железобетонных панелей, наружными самонесущими панелями из легкого бетона, перекрытиями из сборных железобетонных плит. Лестничные марши и площадки сборные железобетонные. Жесткость и геометрическая неизменяемость зданий обеспечивается продольными вертикальными диафрагмами жесткости, жесткостью поперечных стен и дисков перекрытий.

Мониторингу предшествовало детальное обследование зданий. Обследованием установлено, что одной из основных причин получения несущими строительными конструкциями зданий существенных повреждений явилось отсутствие у зданий конструктивных мер защиты.

Современными нормами определены следующие меры защиты строящихся зданий на подрабатываемых территориях. К ним относятся, в частности, ограниченная длина блок-секций здания, разделение его деформационными швами определенной ширины, наличие поясов жесткости, специальная конструкция фундаментов. Это позволяет существенно снизить величины горизонтальных усилий (сжимающих или растягивающих), воспринимаемых несущими строительными конструкциями зданий.

Кроме отсутствия конструктивных мер защиты, на существенные деформации зданий оказало влияние неблагоприятное их расположение относительно мульды сдвижения, наличие в основании фундаментов зданий скальных грунтов (мергелей), конструктивное выполнение самих зданий, качество строительно-монтажных работ. Так, например, при обследовании зданий были выявлены деформационные швы со сваренными между собой закладными деталями конструктивных элементов смежных блок-секций. Деформационные швы имеют недостаточную ширину. У зданий отсутствует надежная связь лестничных площадок со стенами лестничных клеток (рис. 1). Ленточные фундаменты на естественном основании в пределах блок-секции

устроены только под поперечные стены, тем самым фундаменты не связаны в единую конструкцию посредством устройства фундаментов и под продольные стены.

Рассматриваемые здания испытывают существенные деформации растяжения. В результате конструктивных недостатков строительные конструкции зданий оказались не способными воспринимать горизонтальные усилия при образовании мульд сдвижения, что и привело к появлению и развитию их значительных повреждений.

Рис. 1. Общий вид узла примыкания лестничного марша к несущей стене лестничной клетки

Возникли горизонтальные смещения конструкций по всей длине зданий (плит перекрытий, панелей наружных стен), образовались зазоры между ними, узлы сопряжения получили расстройства (рис. 2). При этом произошли «разрывы» зданий как по поперечным сечениям по всей высоте («линии разрыва»), сконцентрированным в основном по лестничным клеткам, так и хаотично на отдельных этажах.

Сосредоточение «линий разрывов» по лестничным клеткам обусловлено конструктивной особенностью зданий, а именно наименьшим количеством или полным отсутствием связей в конструкциях лестничных клеток в продольном направлении зданий.

Рис. 2. Смещение плит перекрытия с несущей стены

Причина разрывов зданий на отдельных этажах - низкое качество монтажа строительных конструкций на этапе их возведения, в результате чего здания имеют многочисленные ослабленные узлы сопряжения конструкций. В ряде платформенных опорных стыков опирание плит перекрытий на несущие стеновые панели составляет 20 мм и менее, анкеровка конструкций выполнена не полностью.

Здания на других участках подработанной территории получают существенные повреждения в результате развития горизонтальных деформаций сжатия. Из-за того, что имеющиеся деформационные швы имели недостаточную ширину, произошло их закрытие, конструкции смежных блок-секций пришли в соприкосновение.

Сжимающие усилия от дисков перекрытий и продольных стен при этом передаются на конструкции смежных поперечных стен, образующих деформационные швы, и простенки в наружных стенах, непосредственно примыкающие к деформационным швам. Конструкции испытывают деформации сдвига в плоскости, образуются косые «трещины среза» в продольных стенах и перегородках, возникают перекосы проемов (рис. 3-5).

У смежных блок-секций, находящихся на склоне с разницей отметок в пол-этажа, из-за горизонтальных сжимающих усилий произошло искривление из плоскости поперечных стен, их разрывы горизонтальными и вертикальными трещинами, выгибы в плоскости простенков и сколы их материала. Выявлены разрывы лент фундамента с образованием трещин (ширина раскрытия до 40 мм) в стенах подвала. В подвале имеются диагональные сколы на блоках вентканалов, крены поперечных несущих стен.

Рис. 3. Фрагмент внутренней поперечной несущей стены на 5-м этаже здания. Трещины в стене с раскрытием до 10 мм. Выгиб стены из плоскости

Рис. 4. Фрагмент цокольной части стены. Горизонтальная и наклонные трещины в цоколе по слою гидроизоляции в результате горизонтального смещения стены на величину до 30 мм

Рис. 5. Фрагмент узла сопряжения продольной наружной стены с поперечной внутренней несущей стеной на 4-м этаже здания.

Наклонные трещины в наружной стене с раскрытием до 3 мм, переходящие в горизонтальную трещину в стене по оси 32 с максимальным раскрытием до 3 мм

На основании результатов обследования были определены цели и задачи мониторинга за деформациями здания, разработана его методика.

Проводимый мониторинг позволяет определить характер и динамику развития деформаций здания, в режиме реального времени определить наличие и величину прогрессирующих повреждений, в частности, расстройств узлов сопряжения конструкций на участках наибольшего развития деформаций, оценить развитие повреждений по их опасности для своевременного информирования по принятию соответствующих мер и проведению срочных противоаварийных мероприятий.

Методика мониторинга включает в себя следующие действия: определение мест, узлов, которые требуют наблюдения и развитие деформаций в которых может привести к неблагоприятным последствиям, определение параметров и их предельных значений, по которым будет проводиться наблюдение и оценка, определение приборной базы - комплекса, который

позволит фиксировать значения параметров с необходимой точностью и дискретностью во времени с накоплением и передачей данных на удаленный компьютер для последующей оценки и принятия вышеперечисленных решений.

Помимо электронного приборного комплекса устанавливаются датчики визуального контроля, который проводят специалисты Центра, периодически осматривая конструкции и снимая показания с датчиков, позволяя тем самым выявить возникающие повреждения в новых узлах, охватив мониторингом участки здания, подверженные деформациям в меньшей степени. Эта работа позволяет корректировать положение датчиков в здании в процессе мониторинга, контролируя наиболее деформируемые участки.

Мониторинг зданий проводится с использованием электронных приборных комплексов на базе универсального многоканального регистратора «Терем-4.0».

Для проведения мониторинга за состоянием зданий для оценки характера и динамики их деформаций, для оценки опасности взаимного смещения конструкций в узлах установлены датчики перемещений. Датчики установлены в зонах, имеющих наибольшие повреждения, характеризующие влияние общих деформаций зданий на узлы сопряжения конструкций.

Все измерения датчиками перемещений производятся относительно нуля, на который они были выставлены в начале цикла наблюдений. Точность измерений перемещений 0,01 мм. Датчики опрашиваются с заданной периодичностью, необходимой для своевременного получения данных.

Все данные измерений записываются центральными регистрирующими устройствами и передаются на удаленные компьютеры специалистов. Проводится последующая расшифровка и анализ получаемых данных, определяется характер и динамика деформирования зданий, оценивается возможная опасность фиксируемых перемещений строительных конструкций в узлах в режиме реального времени.

В процессе мониторинга датчиками перемещений были зафиксированы знакопеременные горизонтальные подвижки (смещения) конструкций наблюдаемых объектов. Нарастание смещений происходит ступенчато с общей тенденцией к увеличению.

Отмечаются также существенные перемещения конструкций в узлах, которые происходят за короткие промежутки времени с максимальной скоростью до 0,5 мм/сут. Такие подвижки выявлены по основным «линиям разрыва» зданий. При этом смещение конструкций в отдельных узлах с начала наблюдений (ноябрь 2009 г.) уже достигли максимальной величины 3,0 мм (рис. 6).

ноя лек лек лек лек лек лек лек ям в янв янв янв янв янв янв фев фев фев фев фев фев фев мар мар мар мар мар мар мар аир

Время пап. тисни и

Рис. 6. График мониторинга за деформациями жилого дома по ул. Свердлова, 43

в г. Березники

При проведении мониторинга зданий отмечается общая динамика деформациями наблюдаемых объектов, расположенных на одной площадке. Зафиксированы периоды, когда здания имели одинаковый характер деформаций, выраженный в одновременных резких горизонтальных смещениях конструкций в узлах. Дальнейшее наблюдение также показывает периоды схожих во времени деформаций разных зданий с параллельным изменением линий на графике мониторинга.

Данные наблюдения схожих деформаций указывают на то, что находящиеся в приблизительно одинаковых условиях здания деформируются совместно с общими деформациями земной поверхности участка подработанной территории, на котором они расположены.

При залегании в основании грунтов с повышенными жесткостными свойствами процесс деформирования земной поверхности во времени может протекать неравномерно, при этом скорости деформаций в зданиях могут быть существенны. Резкое нарастание деформаций в наблюдаемых зданиях со значительной скоростью смещений конструкций в узлах (0,5-1,0 мм/сут) за короткий промежуток времени и последующий период их стабилизации характеризует накапливание общих напряжений в зданиях, которые при достижении их критической величины приводят к резким деформациям в узлах и подвижкам конструкций.

За рассматриваемый период мониторинга была сформирована и доведена до соответствующих служб города информация о выходе контролируемых параметров за предельные значения для принятия срочных противоава-рийных мер.

Анализ прогноза деформаций земной поверхности показывает, что период активной стадии процесса сдвижения земной поверхности может продолжаться еще не менее 20 лет.

Практика обследования и мониторинга зданий и сооружений без конструктивных мер защиты на подработанных территориях показывает, что строительные конструкции этих зданий получают значительные повреждения, развивающиеся в течение относительно коротких промежутков времени и, если не принять своевременных мер, они могут привести к возникновению аварийных ситуаций.

Проводимый мониторинг охватывает незначительное количество зданий, получивших существенные деформации и повреждения. Сложившаяся ситуация позволяет ставить вопрос о безотлагательном увеличении количества зданий и сооружений, подлежащих обследованию и мониторингу, включая здания и сооружения, находящиеся на всех участках с интенсивным развитием процесса сдвижения земной поверхности.

Получено 30.08.2010