О надежности оснований зданий и сооружений

Обеспечение безотказной работы конструкций зданий и сооружений — одна из важнейших проблем строительной науки. Две причины обуславливают эту проблему: в состав современных зданий и сооружений входит множество элементов со сложным характером взаимодействия как между собой, так и с окружающей средой; многие здания и сооружения имеют национальную и общечеловеческую ценность.

Нарушение безотказности работы таких зданий и сооружений может привести к большим материальным и моральным затратам. Поиск рациональных решений, обеспечивающих повышение надежности и качества объектов строительства при минимальном использовании ресурсов на их устройство, является концептуальной стратегией современного строительства в Республике Беларусь, ближнем и дальнем зарубежье. Реализация этой стратегии находится в прямой зависимости не только от правильного учета данных о конструктивных особенностях сооружения, но и адекватного отражения особенностей поведения грунтового основания, воспринимающего нагрузку и работающего совместно со строительным сооружением.
Неравномерные деформации основания, возникающие при возведении и эксплуатации зданий в сложных грунтовых условиях, следует считать одним из основных факторов, влияющих на их несущую способность, деформативность и долговечность. Обычно строительство в сложных грунтовых условиях велось на так называемых "плавающих фундаментах", образованных либо сплошной монолитной плитой достаточной толщины, либо плитой с пустотами. Последние могут использоваться для различного рода встроенных помещений. Это весьма существенно при строительстве зданий повышенной этажности, когда все более актуальным становится вопрос о рациональном использовании фундаментно-подвальной части здания.

Здания должны стоять на фундаменте твердо и надежно. Но в любом случае осадка сооружения неизбежна. Строительные правила учитывают это, нормируя ее допустимую величину.
Опасна не столько сама осадка, сколько ее неравномерность. Поэтому перед строителями-проектировщиками всегда стоит задача: предусмотреть такие конструкции, для которых неравномерное оседание основания не привело бы к недопустимым деформациям здания или сооружения.
Исходя из прочностных расчетов, можно иногда получить площадь фундаментной плиты настолько большой, что она превысит площадь пятна здания и помешает строительству соседних зданий. Может также случиться, что при определении размеров основания надо иметь в виду не тот грунт, на котором будет покоиться сооружение, а слой, залегающий намного глубже. И если этот слой окажется сильно сжимаемым и достаточно мощным, то осадка будет настолько значительной, что предотвратить ее не удастся. Например, известная Пизанская башня стоит на надежном песке, а кренится уже много веков потому, что под ним находятся слабые глины. Существенное влияние на оседание земной поверхности вызывает дренирование грунтов. Так, городская территория столицы Мексики Мехико от дренирования грунтов осела за несколько десятилетий на 8-9 м, столицы Таиланда Бангкока — на 4 м.

Причины деформирования зданий и сооружений
Деформации зданий и сооружений (наклон, прогиб, выгиб, перекос, трещинообразование), расположенных в сложных грунтовых условиях, являются следствием неравномерных осадок (рис.1.). Природа их происхождения различна, проявляются они по-разному, однако во всех случаях действие их на здания и сооружения идентично.

Рис. 1. Виды деформаций сооружения: а) наклон; б) прогиб; в) выгиб; г) перекос; д) трещинообразование

Неравномерные деформации основания являются следствием силовых воздействий на фундамент вследствие неоднородной структуры грунта, различной мощности слоев грунта или же деформационных воздействий: сложного деформирования земной поверхности вследствие замачивания лессовых просадочных, засоленных и набухающих грунтов, подработки угольных, калийных и рудных месторождений, карстовых и тектонических явлений (рис.2.).

Рис. 2. Деформирование основания: а) искривление; б) уступ; в) провал; г) впадина

Примеры деформаций зданий и сооружений, вызванных недооценкой сложных грунтовых условий строительства, приведены в многочисленных публикациях отечественных и зарубежных авторов.
При анализе этих примеров обнаруживается соответствие форм деформаций зданий и сооружений, построенных в разнообразных условиях. Независимо от причин, приводящих к деформации грунтов, все виды воздействий со стороны оснований на здание сводятся к неравномерным вертикальным и горизонтальным перемещениям оснований (см. табл.).

Следствием неравномерных вертикальных перемещений основания являются наблюдаемые крены сооружений, различные формы деформаций изгиба, сдвига и кручения. Деформации эти проявляются как в чистом виде, так и в различных сочетаниях: кручение с изгибом, крен с изгибом, сжатие с кручением и т.п. Неравномерные горизонтальные перемещения основания оказывают воздействие на подземные части сооружений в виде сдвигающих сил по боковым поверхностям и по подошве фундамента, а также в результате нормального давления сдвигающего грунта на лобовые поверхности фундаментов.
Аварии и чрезвычайные ситуации, связанные с обрушением строительных конструкций в Республике Беларусь, ближнем и дальнем зарубежье
Территории со сложными грунтовыми условиями в той или иной мере есть во всех регионах Республики Беларусь. Структурно-неустойчивыми грунтами, просадочными при замачивании под нагрузкой, покрыто Оршанско-Мстиславское плато, некоторая часть Центральнобелорусского массива и Припятской впадины. Подрабатываемые территории распространены в Беларуси в районе Солигорска; подземные камерные выработки — при строительстве метрополитена в Минске; территории, подверженные техногенным воздействиям, — во всех городах областного подчинения; территории подтопления — в городах плотной застройки.

Территория Беларуси разделяется на три региона с разными типами карста: в северной части карст связан с карбонатными отложениями девонского возраста (известняки, доломиты); в центральной части развитие карста происходит в отложениях мелового карста (маргель, писчий мел), на юге выделяется меловой и соляной карст (рис.3.).

Рис. 3. Схема районирования карста на территории Беларуси. 1. Прибалтийская область. 2. Деснинско-Припятская область. 3. Приднепровско-Донецкая область.

Карстоопасными являются все участки земной поверхности, где на глубине залегают карстующиеся породы, но процессы карстообразования происходят с разной скоростью. Так как карстовые процессы протекают стохастически и степень их активности зависит в значительной мере от техногенных факторов, при освоении закарстованных территорий следует уделять внимание карстовой опасности, угрожающей не только строящимся объектам, но и уже существующим.
Средняя школа в поселке Ленино Горецкого района к настоящему времени из-за неравномерности осадок грунтов основания имеет в наружных стенах здания сквозные трещины с шириной раскрытия до 40 мм.
28 февраля 2002 г. в деревне Ядреная Слобода Кличевского района Могилевской области в результате неравномерного оседания кирпичного фундамента произошло обрушение 25-метровой водонапорной башни, питающей животноводческую ферму на 150 голов крупного рогатого скота колхоза "Долговский".
Из-за неравномерных деформаций основания вследствие подтопления в здании по ул. Ленинской, 61 ЗАО "Технопарк Могилев" по несущим стенам образовались наклонные и вертикальные трещины, подвальная часть здания заполнилась грунтовыми водами. Выполнено усиление наружных стен здания напряженными стальными тяжами. К настоящему времени требуется систематический контроль поведения подземных и надземных конструкций здания с тем, чтобы своевременно их усилить и избежать аварии, а вместе с тем — и человеческих жертв.
По ул. Вокзальная, 5б из-за увлажнения грунтов основания и вибрационных нагрузок происходит неравномерное оседание здания поста электрической централизации станции Могилев-1, о чем свидетельствуют трещины с шириной раскрытия 3 мм и более на его фасаде (рис.4.).

Рис. 4. Трещины на фасадах здания ПЭЦ Могилев-1

В зоне повышенного риска из-за подтопления находятся дома №№ 41, 41а, 41б, 43, 45, 51, 59 по ул. Карабановская в г. Могилеве и дом №46а по ул. 2-я железнодорожная.
На внутренней несущей стене здания отделения "Белагропромбанк" в г. Быхове по ул. Советская, №2а из-за замачивания грунтов основания и неравномерности осадок появились вертикальные трещины, превышающие 20 мм.
Из-за карстово-суффозионных явлений произошло неравномерное оседание здания по ул. Первомайская в г. Мстиславле, что подчеркивает наличие трещин по всему контуру здания.
В аварийном состоянии находятся жилые дома №№ 41, 43, 45 по ул. Мовчанского в г. Могилеве, где трещинообразование, скорее всего, вызвано нарушением технологического процесса при строительстве и возникновением суффозионных процессов в основании фундаментов.
Из-за строительства нового здания на пл. Орджоникидзе в г. Могилеве произошла деформация жилого дома по ул. Болдина, который является сооружением XVIII-XIX вв. Несмотря на частичный ремонт здания (заделка трещин, усиление стальными тяжами) трещинообразование продолжается. Этого можно было избежать при своевременной диагностике работы фундамента старого дома.
В Александрийском порту обрушилось здание. До этого были проведены все необходимые мероприятия по эвакуации. Все жильцы были предупреждены о том, что дом может рухнуть. За несколько часов до этого 40 человек покинули здание, но шестеро по неизвестным причинам оставались внутри, за что и поплатились жизнью.

Официальные лица сообщили, что обвал произошел из-за двух дополнительно надстроенных этажей. В Египте нарушение норм строительства и возведение дополнительных этажей — обычная история. В результате 6 человек погибло в рухнувшем здании.
В Калининграде рухнула стена первого этажа 3-этажного жилого дома. Жертв и пострадавших в результате происшедшего не оказалось. Трехэтажный дом на пересечении улиц Сибирякова и Горького был еще довоенной постройки. По предварительным данным, стена дома упала из-за того, что ее подмыли грунтовые воды. По другой версии специалистов управления по делам гражданской обороны, причиной происшествия стало нарушение строительных норм при оборудовании жильцами подвала дома.
В центре Казани на пересечении улиц Баумана и Чернышевского произошел обвал угла старого двухэтажного здания, в результате которого пострадала пожилая женщина. По словам специалистов, причиной обвала могли послужить работы, которые проводились строителями вблизи здания: на улице Баумана строятся подземные торговые ряды.
В центре Владивостока у дома обрушилась стена, при этом никто не пострадал. Наиболее вероятной причиной трагедии работники МЧС называют подмыв грунтовыми водами опорной стены. Кроме того, отмечается, что дом был построен с нарушением строительных норм.
В Стамбуле обрушился небольшой отель. Под развалинами оказались более 50 человек. Под обрушившимся отелем шло строительство новой линии метрополитена.
В Екатеринбурге обрушилась стена двухэтажного дома барачного типа. Стена обвалилась во внешнюю сторону на площади 60 м2. Жертв и пострадавших нет. По предварительным данным, обрушение произошло из-за того, что стена ветхого строения была подмыта водой.
В последние годы на территории некоторых районов Москвы были отмечены случаи оседания и провалов поверхности земли, имеющих карстово-суффозионное происхождение, которые вызвали разрушение зданий.
В г. Стаханове (Украина, регион Донбасса) произошло обрушение секции 9-этажного жилого дома вследствие деформации земной поверхности на подрабатываемой территории с круто падающими угольными пластами. Дом не был заселен. Жертв нет.
Летом 2002 г. вследствие обильных дождей в течение 1,5 недель уровень воды в реке Дунай поднялся выше критической отметки, что способствовало подтоплению многочисленных зданий и сооружений в странах Западной Европы. При резком спаде воды большинство зданий и сооружений получили существенные деформации и повреждения, т.к. их фундаменты не были рассчитаны на аварийную ситуацию, а в некоторых из подтопленных объектов произошло разрушение частей зданий.

Наиболее опасным для сооружения является нарушение устойчивости основания, сопровождаемое выпором из-под фундамента массива грунта, значительными осадками и кренами сооружения, приводящими, как правило, к его полному разрушению. По этой причине известны многие случаи аварий.
Так, в результате одностороннего выпирания грунтов произошло нарушение устойчивости основания Трансконского элеватора (Канада, 1913 г.) и его обрушение. Из-за несимметричного загружения зерном элеватор получил значительные осадки и крен почти в 27°; один край его фундаментной плиты нагрузился на 8,7 м, а с противоположной стороны плита поднялась на 1,5 м.

Ярослав СЕМЕНЮК, заведующий кафедрой "Строительные конструкции, здания и сооружения" Белорусско-Российского университета, к.т.н., доцент