К формам деформации зданий и сооружений при неравномерных осадках фундамента относят наклон, трещинообразование, искривление и волнообразные деформации стен. Эти изменения происходят из-за неравномерной нагрузки на фундамент и могут привести к разрушению конструкции.
Неравномерные осадки могут вызывать сдвиги в перекрытиях, деформации оконных и дверных проемов, а также нарушение целостности отделочных материалов. Важно учитывать данные факторы при проектировании и строительстве, чтобы избежать серьезных последствий.
Виды деформации и смещения зданий и сооружений
В статье рассмотрим виды деформаций зданий, их причины и конструктивные способы им противостоять. А также проведём обзор некоторых маркетинговых утверждений производителей строительных материалов. В качестве теоретической основы для статьи использовался учебник Б.И. Далматова.
Далматов выделяет следующие виды деформаций зданий и сооружений:
Рис. 1. Виды деформации зданий и сооружений.
Прогиб и выгиб (рис. а-б) возникают у зданий, не обладающих высокой изгибной жесткостью. Перекос (сдвиг, рис. в-г) происходит когда имеется резкая неравномерность осадки фундамента на относительно небольшом участке при низкой сдвиговой жесткости здания.
Крен (рис. д-е) Возникает при резкой неравномерности осадки фундамента, например при неравномерности нагрузки, но при этом здание обладает высокой сдвиговой и изгибной жесткостью и кренится, сохраняя свою форму, без образования трещин.
Скручивание (рис. ж) — это неравномерный крен относительно протяжённого здания, в результате чего возникают довольно сложные деформации.
Неравномерная осадка и вызванная ею деформация зданий складывается из следующих составляющих:
- Осадка дополнительного уплотнения грунта, вызванная нагрузкой от здания;
- Осадка разуплотнения — при снятии верхней части грунта уменьшается нагрузка на нижележащих слоях грунта, которые в силу упругих свойств немного релаксируют и разуплотняются. При последующем нагружении эти слои грунта снова сжимаются, а это сжатие приводит к небольшой осадке.
- Осадка выдавливания — свойственна грунтам, проявляющим текучие свойства, когда под нагрузкой часть грунта из под подошвы фундамента выдавливается по бокам.
- Осадка, связанная с нарушением структуры грунта. Например, у просадочных грунтов.
- Осадка эксплуатационная, например, вызванная прорывом трубопровода и подмыванием части грунта.
- Подъём и осадка грунта в следствии воздействия сил морозного пучения грунта.
Кроме этого, надо учитывать, что все грунты основания характеризуются неравномерностью распределения напряжения под фундаментом здания. Например, эпюры напряжений могут иметь вот такой вид:
Рис. 2. Эпюры напряжений в грунте основания под зданием.
Такая неравномерность приводит к возникновению дополнительных изгибающих усилий в конструкциях зданий, которые могут привести к образованию и развитию деформаций и трещин.
Более жесткие здания, имеющие конструкции или вставки повышенной жесткости, способны противостоять таким неравномерным осадкам, выравнивая их через уменьшение давления по подошве фундамента в местах, где основание испытывает значительные нагрузки, перераспределяя на менее нагруженные участки. Поскольку кладка стен зданий, возводимых из кирпича или блоков, плохо сопротивляется усилиям растяжения, изгиба и сдвига, то наиболее уместным технологическим решением увеличения такой жесткости становятся арматурные пояса:
Рис. 3. Виды арматурных поясов и варианты их размещения.
Конструктивно можно выделить два вида армопоясов — плоские (армошов, когда арматура закладывается в растворный кладочный шов между слоями кирпича или блоков) и объёмные, когда в нём имеются, как минимум, два уровня армирования и поперечная арматура в виде хомутов, воспринимающая усилия сдвига и среза.
При этом плоские пояса работают на изгибающие деформации — это а-б по рис.1, а объёмные пояса кроме изгибающих усилий способны воспринимать сдвиговые по в-г рис.1. В этом случае по отношению к армопоясу возникают нормальные усилия, которые воспринимаются бетоном и поперечным армированием пояса:
Рис. 4. Разрушение железобетонного пояса от нормально приложенной силы (при деформации сдвига) и восприятие этих усилий поперечной арматурой (хомутами).
В связи с этим рекомендуется в конструкции здания применять армопояса или железобетонные элементы, способные воспринимать как изгибные усилия, так и сдвиговые (см. рис. 3 ).
При этом, для восприятия деформаций прогиба армопояс должен находиться в нижней части здания, а выгиба — в верхней:
Рис. 5. Области расположения армопоясов (красная линия) для восприятия прогиба и выгиба.
Рассмотрим также рекомендации некоторых производителей керамических блоков, которые рекомендуют в достаточно жесткой форме не делать армопояса при использовании их продукции:
Рис. 6. Рекомендации производителя.
Такой комментарий размещён на официальном youtube-канале одного из производителя керамических блоков. Аналогичные указания содержатся в альбомах технических решений не только этого, но и иных производителей, где утверждается, что для опирания перекрытия нет необходимости в организации железобетонных армопоясов.
Обоснование, которое приводится в рекламном ролике, приводится такое, что прочности блоков достаточно для восприятия усилий, возникающих в опорной зоне кладки. Речь идёт про вот это:
Рис. 7. Схема расчёта напряжений в кладке в зоне опирания перекрытия.
Т.е. речь идёт только про прочность кладки в зоне опирания, без учёта конструктивных решений для восприятия неравномерных осадок, без учёта иных факторов (например, восприятия распорных усилий от стропильной системы).
Мягко говоря, производитель вводит в заблуждение потребителей своей продукции, позволяя себе такие категоричные утверждения, без акцента на то, что такое решение не является панацеей от всех негативных факторов, которые могут привести к повреждению или разрушению здания.
При этом сказать, что такие заявления производителей керамики не соответствуют действительности, нельзя, поскольку даются пояснения, что пояс не требуется потому, что прочности керамоблоков достаточно для восприятия нагрузки от перекрытия. А в остальном застройщику и проектировщику необходимо руководствоваться действующей нормативной документацией, где как раз и учитываются все остальные факторы. Скорее всего, это такой маркетинговый ход, чтобы дифференцироваться от остальных стеновых материалов, утверждая, что такой чудесный материал не нуждается в применении армопоясов.
Основания, фундаменты, подвальные помещения и придомовые территории
Основанием фундамента здания называется пространство грунта, расположенного под фундаментом и воспринимающего через него нагрузку от здания. Под воздействием нагрузки от здания грунты оснований деформируются, и такая деформация называется осадкой. Равномерная и незначительная осадка здания не нарушает его прочности н устойчивости.
Неравномерные же осадки грунтов оснований могут привести к значительным деформациям зданий (рис. 3.1). Из этого следует, что прочность и устойчивость здания в значительной степени зависят от несущей способности оснований фундаментов. Рис. 3.1. Типы просадки фундамента
- • для крупнопанельных н крупноблочных — 8;
- • для зданий с кирпичными стенами — 10;
- • для каркасных зданий — 10;
- • для зданий со сплошным железобетонным
В зависимости от характера развития неравномерных осадок основания здания различают следующие основные формы деформаций: крен, прогиб и выгиб, перекос, кручение (рис. 3.2).
Крен — поворот здания относительно горизонтальной оси (рис. 3.3). Наибольшую опасность такой вид деформаций представляет для узких зданий повышенной этажности. Предельное значение крена, установленное нормами, не должно превышать 0,004 высоты здания.
Рис. 3.2. Основные формы деформаций зданий и сооружений: а — прогиб; б — выгиб; в, г — перекос; д, е — крен; ж — кручение
Рис. 3.3. Крен здания
Прогиб и выгиб связаны с искривлением здания. Прогибы здания ограничиваются предельными значениями, не превышающими для крупнопанельных зданий 0,0007 длины участка, на котором проверяют прогиб, а для кирпичных и блочных — 0,00013. Деформация зданий в форме прогиба и выгиба показана на рис. 3.4 и 3.5 соответственно.
Кручение (рис. 3.2, ж) сооружения возникает при неодинаковом крене по длине здания, при котором в двух сечениях здания он развивается в разные стороны.
Перекос (см. рис. 3.2, в, г) возникает в конструкциях, когда резкая неравномерность осадок проявляется на участках небольшой протяженности при сохранении относительно вертикального положения несущих конструкций.
К деформациям приводят различные инженерно-геологические условия. Например, суффозные явления возникают за счет растворения и выноса горных пород, что приводит к образованию пустот, требующих постоянного контроля состояния оснований в процессе эксплуатации.
Структура грунтов может нарушиться вследствие метеорологических воздействий, воздействий грунтовых вод и газа, а также динамических воздействий. К метеорологическим воздействиям относятся промерзание и оттаивание, набухание и размягчение, высыхание грунтов. Очевидно, что все перечисленные явления могут происходить при нарушении проектных условий в процессе эксплуатации.
Рис. 3.5. Выгиб здания
Также к деформациям приводят неравномерная загрузка частей здания, сооружение зданий в непосредственной близости от существующего здания, а также невыполнение требований по исключению замачивания грунтов.
При нарушении структуры основания и потере в связи с этим несущей способности в процессе эксплуатации применяют различные методы его искусственного укрепления.
Уплотнение основания песчаными и грунтовыми сваями. Грунт уплотняется силой взрыва взрывчатых веществ, закладываемых в образованные бурением скважины, после чего скважины заполняют уплотненным грунтом или песком. Объемная масса скелета грунта достигает значения, при котором основание становится непросадочным, имеющим плотность от 1,55 до 1,65 т/м 3 .
Силикатизация грунтов заключается в том, что, например, в пески нагнетают водный раствор силиката натрия, который цементирует грунт и значительно повышает его прочность. Этот метод применяется для закрепления сухих и водонасыщенных песков, просадочных макропористых и насыпных грунтов.
Цементация грунтов заключается в нагнетании в грунт под давлением 0,3. 0,6 МПа цементного раствора, который, затвердевая в порах грунта, связывает между собой частицы, увеличивая прочность грунта и уменьшая 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 песчано-гравийные, галечниковые и гравийные отложения, а также крупнообломочные грунты в сухом и водонасыщенном состоянии.
Битумизацию грунтов применяют для увеличения водонепроницаемости грунтов, для чего разогретый битум нагнетают через инъекторы в поры грунта под давлением до 2,5 МПа.
Имеются и другие способы упрочнения грунтов, но все они связаны с дополнительными затратами. Поэтому при технической эксплуатации зданий необходимо принимать меры, исключающие увлажнение грунтов или нарушение их структуры по другим причинам (авария инженерных коммуникаций, неграмотная организация земляных работ при возведении новых зданий рядом с существующими и др.).
