ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

В сентябре 1988 г. в г. Чите был сдан в эксплуатацию 9-ти этажный 54-х квартирный жилой дом 97-й серии. На площадке строительства здания с поверхности залегают четвертичные аллювиально-делювиальные отложения, подстилаемые элювиальными породами юрско-мелового периода.

Аллювиальные отложения представлены песками различных видов (от пылеватых до гравелистых) с прослоями гравийных грунтов с песчаным заполнителем. Элювиальные отложения сложены продуктами глубокого выветривания алевролитов, выветрелых до состояния суглинков комковато-плитчатой структуры.

По данным изысканий, выполненных ОАО «Читагражданпроект» в 1985 г., на площадке обнаружены островные многолетнемерзлые грунты несливающегося типа. Юго-западная часть площадки сложена талыми грунтами. Верхняя граница мерзлой толщи расположена на глубине 5...9 м, нижняя - на 10...20 м. Криогенная текстура песчаных грунтов массивная и корковая (песок гравелистый), элювиальных суглинков - сетчатая и массивная. Характеристики физико-механических свойств грунтов приведены в табл. 1.

Температура многолетнемерзлых грунтов минус 0,1 °С. Гидрогеологические условия площадки обусловлены наличием подземных надмерзлотных вод порово-пластового типа, расположенных на глубине 5,6...6,5 м.

Водовмещающими породами являются песчаные и гравийные грунты. На глубине 17,0 м в период изысканий был вскрыт также горизонт подмерзлотных трещинных вод.

Дом возведен на свайных фундаментах из составных свай общей длиной 20,0 м, с поперечным сечением 0,35 ґ0,35 м. Соединение элементов составной сваи друг с другом осуществлялось путем сварки закладных деталей с использованием стальных накладок.

Таблица 1. Характеристики физико-механических свойств грунтов

Сваи опускались в предварительно пробуренные скважины глубиной 19,0 м, диаметром 0,5 м. Затем производилась добивка свай в грунт ниже забоя скважины на глубину до 0,3...0,7 м. Пазухи между сваей и стенками скважины заполнялись шламом. Отметка нижнего конца сваи была назначена из расчета полной прорезки многолетнемерзлых грунтов и опирания на немерзлый элювиальный суглинок твердой консистенции с модулем деформации Е = 19...25 МПа.

Здание было запроектировано с использованием многолетнемерзлых грунтов в основании по принципу ii (с допущением оттаивания грунтов в процессе эксплуатации здания). Расчет несущей способности оснований свай выполнялся в соответствии с требованиями действовавшего в то время СНиП ii-18-76 (1977). Свая рассчитывалась как свая-стойка с учетом действия на ее боковой поверхности сил негативного трения с удельным значением 0,01 МПа. Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю, равнялась 700 кН, фактическая нагрузка на сваи, погруженные с шагом 1,5 м, не превышала, согласно расчетам, 650 кН.

Ростверки свайных фундаментов - монолитные, ленточные, прерывистые, объединяющие головы нескольких свай (от 2-х до 12 свай). Поперечное сечение ростверков 0,6ґ0,5 м.

В феврале 1991 г. (через 2,5 года после сдачи дома в эксплуатацию) была зафиксирована просадка некоторых свайных фундаментов у торца жилого дома. Просадка фундаментов привела к образованию зазора между ростверком и цокольными панелями с величиной раскрытия до 140 мм. В течение пяти последующих лет в одном из сечений осадка ростверка привела к образованию зазора, равного 300 мм.

Сваи с ленточным ростверком (из-за невысокой жесткости последнего) в значительной степени следовали за неравномерными деформациями основания.

Наблюдался отрыв ростверков от цокольных панелей, обладающих более высо­кой жесткостью. Вследствие этого про­исхо­дило перераспределение усилий, передавае­мых коробкой здания, на смежные участки свайных фундаментов, где сохранялся контакт между ростверком и цокольными панелями. В итоге такого перераспределения усилий коробка здания в районе одного из его углов стала работать по консольной схеме.

Из-за неравномерной осадки отдельных свай произошло искривление, прогиб ростверков (относительный прогиб достиг 0,042), в теле железобетонного ростверка появились трещины толщиной до 5 мм. Наиболее типичные деформации ростверка про­исходили по трем схемам:перекос, коленообразное искривление, прогиб.

Участки ростверков, не воспринимающие нагрузку от вышележащих конструкций (из-за отрыва от них), продолжали деформироваться (дополнительный прогиб, искривле­ние со­ставили от 100 до 250 мм). Причиной продолжающихся деформаций ростверков явились силы негативного трения, получив­шие большое развитие на боковой поверхно­сти свай. Величина этих сил составила от 17,0 до 27,0 кПа.

При проведении обследования технического состояния оснований и фундаментов были пробурены инженерно-геологические скважины по периметру здания с отбором проб для лабораторных исследований. Полученные материалы были сопоставлены с результатами инженерно-геологических изысканий, проведенных на стадии проектирования жилого дома (ноябрь, 1985 г.).

Установлено, что за 2,5 года эксплуатации здания произошла значительная деградация многолетней мерзлоты. Кровля многолетнемерзлых грунтов опустилась на 3,7...6,4 м, а подошва - наоборот поднялась на 1,3...2,0 м. В итоге мощность многолетней мерзлоты уменьшилась на 5,0...8,4 м. Значительной неравномерности оттаивания мерзлых грунтов способствовала неоднородность грунтов в основании здания.

Наибольшее оттаивание грунтов произошло под деформирующейся блок-секцией здания. В основании этой секции залегает значительная толща (мощностью до 11 м) хорошо фильтрующих песчаных грунтов (с прослоями гравия), в силу этого обладающих более высокой скоростью оттаивания по сравнению с глинистыми грунтами, имеющими очень низкую фильтрационную способность и преобладающее распространение под остальной, недеформирующейся частью здания.

Следует сказать, что деградация многолетнемерзлых грунтов, отмеченная выше, установлена снаружи, по периметру, на расстоянии 2,0 м от здания. Можно предполагать, что оттаивание грунтов под зданием произошло на большую глубину за счет теплового влияния технического подвала и инфильтрации в грунт воды из инженерных коммуникаций, при аварийных сбросах.

В цокольных панелях также появились трещины шириной до 5,0 мм, и начал раскрываться горизонтальный шов между цокольными панелями и панелями первого этажа. Кроме того, было установлено, что поверхность грунта в техническом подполье опустилась на величину от 180 до 550 мм.Измерены отклонения углов здания от вер­тикали. Наибольшее отклонение (130 мм) выявлено у первой блок-секции.

Учитывая, что ни на стадии изысканий, ни в процессе строительства здания испытания свай статической нагрузкой не проводились, было принято решение оценить фактическую несущую способность свай, входящих в состав фундаментов деформирующейся части здания.

Было проведено две серии испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой. Первая серия - стандартная, вторая - с электрооттаиванием грунтов оснований. Опытные работы проводились совместно с Читинским научно-инженерным центром НИИОСП. Фрагмент плана свайных фундаментов представлен на рис. 1.

Вдавливающая нагрузка прикладывалась к сваям с помощью гидравлического домкрата марки ДГ-100, упирающегося в монолитный железобетонный ростверк. Измерение перемещений свай выполнялось индикаторами часового, прогибомерами конструкции Аистова. Нагрузка к сваям прикладывалась ступенями 300, 450, 600 кН.

Оттаивание грунтов выполнялось электрическим способом, на первом этапе в нагревательном режиме, затем - в электродном.

При проведении первой серии опытов (без оттаивания грунтов оснований) суммарная осадка свай под действием нагрузки до 600 кН колебалась от 0,91 до 56,32 мм. Средняя осадка свай составила 19,2 мм. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Во второй серии опытов (с электрооттаиванием грунтов) суммарная осадка свай под нагрузкой от 600 до 750 кН изменялась в широких пределах (от 3,28 до 242,03 мм). Средняя осадка свай составила 34,8 мм, что 1,81 раза превышает среднюю осадку свай в первой серии опытов и свидетельствует о значительном снижении прочности грунтов при их оттаивании в основании свай и о большой сжимаемости оттаивающих грунтов.

Таблица 2. Результаты контрольных испытаний многолетнемерзлых грунтов статической нагрузкой на сваю

Институтом НИИОСП методом эхолокации была произведена выборочная оценка глубины погружения свай, которая составила (от низа ростверка) 16,8±0,3...19,0±0,5 м.

Проведены работы по усилению оснований и фундаментов деформирующейся части здания. На первом этапе производилось электрооттаивание многолетнемерзлых грунтов и задавливание свай гидравличе­скими домкратами в оттаянный грунт. На втором этапе наиболее деформированная часть свайных фундаментов была усилена монолитным железобетонным ленточным фундаментом с шириной по­дошвы 2,0 м.

С июня 1992 года по июнь 1997 г проводились инструментальные наблюдения за осадкой фундаментов, раскрытием трещин в ростверках и цокольных панелях. Установ­лено, что осадка фундаментов, усиленных монолитной железобетонной лентой, пре­кратилась. Свайные фундаменты, не усиленные монолитной железобетонной лентой, продолжали подвергаться неравномерной осадке, хотя и с меньшей скоростью.

За время наблюдений суммарная осадка свайных фундаментов в различных сечениях изменялась в широких пределах - от 15,4 до297,75 мм. Надземная часть здания усилена стальными тяжами диаметром 28 мм, деформирующиеся цокольные панели - стальными фермами из швеллера № 20. В горизонтальные зазоры между ростверками и цокольными панелями, раскрывающиеся вследствие продолжающейся осадки некоторых фундаментов, периодически забивались стальные пластины.

Инструментальные наблюдения и обследование здания, проведенные в 1999 году, показали, что осадки оснований и фундаментов практически прекратились.

Выявлено несколько факторов, способствовавших большой неравномерной осадке свайных фундаментов:

а) бурение скважин в песчаных грунтах, а также глинистых грунтах, расположенных ниже уровня грунтовых вод, выполнялось без применения обсадных труб; отсутствие креплений стенок лидерных скважин обсадными трубами приводило к обрушению обводненного неустойчивого грунта на забой скважин, возникновению «пробок» из грунта нарушенной структуры, препятствующих погружению свай до проектных отметок, способствовало опиранию многих свай на грунт нарушенной структуры, не обладающий достаточной прочностью;

б) забивка тяжелых составных свай С 20-35 производилась трубчатым дизель-моло­том С-1047 масса ударной которого (2,5 т) не соответствовала массе погружаемой сваи;

использование маломощного молота и значительное недобуривание лидерных скважин, также обуславливали недопогружение многих свай до проектных отметок и как следствие - опирание свай на просадочные при оттаивании многолетнемерзлые грунты; о наличии таких грунтов под острием свай можно косвенно судить по результатам испытаний свай статической нагрузкой с оттаиванием грунтов;

Таблица 3. Результаты контрольных испытаний многолетнемерзлых грунтов статической нагрузкой на сваю с одновременным электрооттаиванием грунтов

* максимальная величина вертикальной вдавливающей нагрузки на сваю составила 750 кН.

в) некачественное заполнение пазух создало благоприятные условия для инфильтрации вод (в том числе техногенного происхождения) вдоль ствола свай к элювиальным глинистым грунтам опорного слоя под острие свай; вследствие этого произошло значительное снижение прочностных характеристик грунтов в уровне острия свай;

г) локальные утечки воды из инженерных коммуникаций способствовали быстрому неравномерному оттаиванию и замачиванию грунтов в основании свай, приводили к неравномерной осадке оттаивающего массива грунтов и свайных фундаментов, кснижению прочностных характеристик грунтов и увеличению их деформируемо­сти;

д) неравномерное оттаивание и осадка грунтов, окружающих сваи, привели к неравномерному развитию на боковой поверхности свай сил негативного трения, пригружающих сваи, обуславливающих их дополнительную неравномерную осадку.

При проектировании и устройстве свайных фундаментов на оттаивающих грунтах необходимо особое внимание обращать на следующие моменты:

а) при назначении глубины погружения свай необходимо исходить из условия их опирания на плотные талые или малосжимаемые при оттаивании и замачивании грунты с высоким сопротивлением сдвигу и нормальному давлению;

б) технология устройства свай должна обеспечивать погружение их на проектную глубину и установку концов свай на ненарушенные грунты с высокими показателями механических свойств;

в) при определении несущей способности оттаивающих грунтов в основании свай следует использовать данные натурных статических испытаний свай с оттаиванием грунтов и учетом фазы максимального развития сил негативного трения;

г) удельные значения сил негативного трения, используемые в расчетах несущей способности свай, следует определять опытным путем, так как табличные значения этих сил, приведенные в СНиП 2.02.03-85 (1986), в большинстве случаев существенно завышены.

Иллюстрация