В период возведения и, особенно, эксплуатации зданий и сооружений основания, фундаменты, надземные конструкции и узлы сопряжений находятся в постоянном взаимодействии. Происходит изменение механических характеристик материалов и грунта, напряженно-деформированного состояния вследствие проявления реологических свойств, накопление и развитие дефектов как в материале, так и в стыковых соединениях.
Важно оценить долговечность строительных конструкций, то есть способность оценить работоспособность в течение длительного времени с учетом планируемых восстановлений [14, 21, 31]. Продолжительность работы элементов здания или сооружения под нагрузкой и внешними воздействиями до наступления предельного состояния называют техническим ресурсом.
Погрешности подразделяют на внезапные и постепенные. Внезапные погрешности возникают при просадках грунтов, перегрузках и динамических воздействиях. Постепенные - при постепенном повышении влажности глинистых грунтов, воздействии многократно повторяющейся нагрузки и агрессивной среды.
При проектировании оснований, как правило, не учитывают повышение влажности грунтов и подъем подземных вод. Совершенно не принимают в расчет изменение (обычно ухудшение) механических свойств грунтов вследствие насыщения вод технологическими растворами и маслами. Так, например, на территории производственного объединения "Пигмент" в г.Тамбове в течение 25 лет уровень грунтовых вод поднялся до 10 м. В пределах контура каждого здания грунт пропитан растворами, используемыми в данном цехе. Воздействие растворов и масел приводит к заметному снижению прочностных и деформационных характеристик грунта. Это снижение может быть постепенным, но возможно и внезапное при достижении определенного порогового значения. Особенно опасно такое ухудшение характеристик грунта для фундаментов, подверженных значительным моментам и горизонтальным нагрузкам. В связи с этим при проектировании крупных промышленных предприятий следует прогнозировать изменение свойств грунтов при неизбежном повышении влажности и концентрации растворов, попадании масел в грунты.
Значительные повреждения несущих конструкций зданий связаны с неоднородностью механических свойств грунтов. Анализ материалов инженерно-геологических изысканий для центральной части г.Тамбова показал значительный разброс физико-механических свойств: ρ = 1,55..2,0 г/см3 ; е = 0,5...1,1; Е = 0,4...25 МПа. Коэффициент неоднородности по сжимаемости α = Emax/E = 1,5...6. Такие результаты получены по данным компрессионных
136
и штамповых испытаний, статического зондирования. Удельное сопротивление зондированию песков, например, изменяется от 2 до 34 МПа. При получении показателей свойств грунтов возможны значительные погрешности, так как обычно не соблюдаются требования ГОСТов. В то же время имеется и существенная неоднородность грунтов строительных площадок.
Для повышения надежности проектных решений необходимо районирование территорий по степени неоднородности. Проектирование оснований, фундаментов и надземных частей зданий и сооружений следует вести с учетом степени неоднородности грунтов основания. Это потребует некоторого перерасхода материалов, но повысит долговечность зданий. При α > 2,5 следует повышать жесткость зданий путем устройства армированных швов или железобетонных поясов в кирпичных зданиях, дополнительного армирования стеновых панелей и усиления стыков в панельных зданиях.
В последние годы заметно возросла агрессивность воздушной среды. На химических предприятиях, наряду с недопустимой концентрацией агрессивных веществ в воздухе, часты и протекания жидкостей из технологических трубопроводов и емкостей. Вследствие этого происходит ухудшение физико-механических характеристик строительных материалов. По интенсивности ухудшения этих характеристик можно судить о степени агрессивности среды. Часто структурные изменения в материале вследствие коррозии, например, в бетоне незаметны. Однако, прочность материала снижается, а деформативность повышается. Известны случаи появления коррозионных трещин, например, в предварительно напряженной арматуре. В практике эксплуатации зданий и сооружений часто имеются видимые коррозионные разрушения в конструкциях и узлах сопряжений. Остаточную прочность материала, устойчивость конструкции трудно определить. Разработка надежных методов расчета при деградации материалов представляется нам чрезвычайно важной.
Часто причиной появления и развития дефектов является неудовлетворительная эксплуатация здания или сооружения: систематическое протекание воды с крыши, замачивание стен и основания, перегрузки вследствие изменения технологического процесса, повреждение конструкций машинами и механизмами, невыполнение ремонтных и ремонтно-восстановительных работ.
Обследование зданий ПО "Пигмент" в г.Тамбове показало, что на конструкции и здания в целом действует комплекс неблагоприятных факторов. С одной стороны опасное воздействие на грунты растворов и масел при почти повсеместном подтоплении грунтовыми водами. С другой - постепенное коррозионное разрушение бетона, арматуры и прокатной стали. В местах протечек происходят значительные локальные разрушения. Они приводят к нарушению совместной работы бетона и стали, изменению расчетных схем, ослаблению стыковых соединений.
Увеличение интенсивности движения транспортных средств приводит к ухудшению эксплуатационного состояния зданий, сооружений и
137
строительных конструкций. В процессе многократно повторного нагружения происходит появление микро- и макротрещин, то есть разрушается структура и накапливаются повреждения. Интенсивность накопления повреждений для определенного вида грунта зависит от уровня нагрузки, частоты и числа циклов, истории загружения, эксплуатационного режима.
Циклические нагружения приводят к снижению механических характеристик. К моменту разрушения коэффициент поперечного расширения бетона достигает критического значения. При циклическом воздействии нагрузки в основании наблюдается перераспределение напряжений, плотности, коэффициентов асимметрии.
Многократно повторные нагружения вызывают расстройство стыковых соединений, появление новых дефектов структуры. Появляются новые и развиваются имеющиеся трещины. Бетон по берегам трещин раскрашивается и силы зацепления в наклонных трещинах резко снижаются. Нагельный эффект здесь ослабляется. На отдельных участках конструкций изменяется жесткость и перераспределяются усилия. Как известно, коррозия арматуры в месте трещин происходит при ширине раскрытия асгс > 0,25 мм. При этом их следует заделывать цементными или полимерными составами.
При разработке методов расчета оснований фундаментов следует учитывать реальные условия взаимодействия оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций. В процессе строительства и эксплуатации зданий или сооружений происходят изменения: физических и механических характеристик вследствие сезонных и многолетних изменений влажности, химического состава грунтовых вод, структуры грунта при отрывке котлованов и устройстве фундаментов; характеристик строительных материалов ("старение" бетона, накопление повреждений и др.); нагрузок на основание и фундаменты вследствие перераспределения жесткостей и усилий в конструкциях и узлах сопряжений, возникновения циклических, динамических, температурных и других воздействий; условия передачи нагрузок на фундаменты из-за ошибок при строительстве и расстройстве стыковых соединений. В отдельных случаях, например, при строительстве на просадочных грунтах, повышение влажности может привести грунт в пластическое состояние. Изменение условий эксплуатации приводит к дополнительным перемещениям фундаментов и надземных конструкций, а это вызовет дополнительное перераспределение усилий и жесткостей в конструкциях, то есть будет происходить приспособление оснований и конструкций к меняющимся условиям работы оснований и конструкций.
Часто считают колебания относительно небольшими, и неблагоприятные воздействия их не учитывают. Иногда источники колебаний неизвестны. Так, в одном из корпусов Уваровского химического комбината вибрации конструкции наблюдали до начала работ в данном и соседних зданиях. На поверхности воды в емкости, расположенной на третьем этаже, временами появлялась мелкая рябь и ощущались колебания продолжительностью
138
до 5 сек. Почти все здания и сооружения испытывают колебания разной интенсивности. В большинстве производственных зданий источниками колебаний являются машины и механизмы. При плохом закреплении анкерных болтов, неправильной установке станин, нарушении технологии работ интенсивность колебаний резко возрастала. Автор неоднократно устанавливал, что причиной биения станин моторов о конструкции и разрушения бетона являлась неправильная установка анкерных болтов. На ряде объектов, например, на п/о "Пигмент", Уваровском химическом комбинате резко возрастали колебания смесителей при поступлении спекшегося в крупные комки сырья. В отдельных зданиях (например, в отделениях перегружателей, дробильном отделении, в здании вагоноопрокидывателя Уваровского химического комбината) вибрируют все конструкции и узлы сопряжений, а не только те, на которых стоят механизмы, являющиеся источниками колебаний. Колебания передаются и на соседние здания и сооружения.
139