Многие очень большие районы отличаются друг от друга климатическими и гидрогеологическими условиями, что сказывается как на организации строительства зданий и сооружений, так и на осуществлении их эксплуатации. Интенсивно осваиваемые районы Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии, характеризующиеся специфическими условиями строительства, еще мало изучены в строительном отношении, а потому здесь недостаточен опыт эксплуатации зданий и сооружений.
Поскольку эти районы весьма обширны (например, районы вечной мерзлоты занимают около 47 % территории страны), то изучение опыта строительства и эксплуатации зданий в них важно и актуально.
Районы с вечномерзлыми грунтами характеризуются длительным зимним периодом (более полугода), низкими температурами и вечномерзлыми грунтами, т. е. грунтами, которые не оттаивали более трех лет, а также сильными метелями, заносами или оголенными от снега участками земли. Прочность вечномерзлых грунтов превышает 0,5 МПа, но при оттаивании они разжижаются, так как сильно насыщены водой.
Строительство сооружений на вечномерзлых грунтах может вестись на основе одного из двух принципов: либо создания продухов — подполий под зданиями, позволяющих сохранить основание в вечномерзлом состоянии, либо допущения оттаивания и его регулирования. Там же, где можно миновать или пройти по глубине вечномерзлые грунты, в частности на площадях с очаговым их расположением, стремятся их избегать в качестве оснований зданий.
Возведение зданий исходя из первого принципа является основным в северных районах. Нормальная эксплуатация таких сооружений возможна лишь при неукоснительном сохранении грунтов основания в вечномерзлом состоянии еще во время строительства и, конечно, в процессе эксплуатации Это достигается постоянным проветриванием подполий, недопущением
Скопления в них снега и превращения их в склады а также предотвращением утечек воды из санитарно-технических систем. Для сохранения вечномерзлых грунтов могут использоваться также трубы или каналы в подполье здания служащие для циркуляции холодного воздуха, или термоизолирующие подушки на грунтах, малочувствительных к осадкам; их размеры определяются теплотехническим расчетом
Сооружения, построенные по второму принципу — с допущением оттаивания грунтов, обладают высокой жесткостью или, наоборот, податливостью. Во время их эксплуатации надо внимательно следить за равномерностью оттаивания грунтов под всем сооружением и равномерной его осадкой В случае неравномерного оттаивания грунтов необходимо усилить термоизоляцию пола на одних участках и прогревать грунт на участках, где оно отстает. Регулирование оттаивания производится по специальному проекту, разработанному проектной организацией или согласованному с ней; при этом надо опасаться возможного пучения основания. Особое внимание должно уделяться исправной работе систем водопровода, канализации и теплофикации, местам ввода их в здания.
Эксплуатационная служба, принимая здания в эксплуатацию, прежде всего должна выяснить, по какому принципу они построены, и принять от подрядчика соответствующие этому принципу документы и устройства: журнал мерзлотных наблюдений; сеть скважин для замера температуры, журналы нивелирования, ведущиеся при строительстве в северных районах.
В процессе эксплуатации зданий, построенных на вечномерзлых грунтах как по одному, так и по другому принципу, должны быть обеспечены все меры по сохранению проектного режима грунтов оснований.
Принятые от строителей реперные знаки, марки и скважины тщательно сохраняются и периодически используются для контрольных замеров высотного положения здания и температуры грунтов основания. В зданиях, в которых санитарно-техническое оборудование находится в подпольях, эти параметры контролируются один раз в месяц, а в зданиях, где таких систем в подпольях нет, – два раза в год: в середине зимы и в конце лета. Кроме того, важное значение придается визуальному обследованию и выводам из него.
Температура контролируется также путем бурения один раз в три в период максимального оттаивания деятельного слоя.
Температурный режим в подпольях контролируется придерживается на заданном уровне: среднемесячная температура замеренная зимой (в период отопления здания), не должна превышать среднемесячную температуру наружного воздуха более чем на 3—5 при среднегодовой температуре ниже —5 °С В особых связанных с ведущимся технологическим процессом в здании, проектная организация разрабатывает специальный режим контроля и поддержания установившейся температуры вечномерзлых грунтов.
Возле сооружений необходимо строго сохранять проектную планировку; при возникновении просадок отмосток и грунта их надо немедленно ликвидировать путем тщательного послойного трамбования.
При первых признаках деформаций здания (трещины в стенах, перекос оконных и дверных проемов и т. п.) нужно срочно выявить и устранить их причины, установить маяки на трещинах, провести нивелирование третьего разряда по реперам и маркам, а также другие работы, чтобы принять правильное решение по восстановлению здания.
Поддержание расчетных отрицательных температур вечномерзлых грунтов под фундаментами зданий можно осуществлять путем накопления холода для повышения их прочности. Для этого предназначена самонастраивающаяся автоматически действующая холодильная установка конструкции С. Я. Гапеева\ она состоит из двух трубок разного диаметра, расположенных параллельно, соединенных между собой и заполненных керосином. Верхняя часть двухтрубной установки находится над поверхностью рядом со зданием, а нижняя ее часть может быть изогнута, пропущена через фундамент и доведена до места, которое нужно заморозить.
Принцип действия такой установки заключается в следующем: при отрицательной температуре воздуха керосин в трубках охлаждается, причем быстрее — в трубке меньшего диаметра. Плотность более охлажденного керосина в тонкой трубке становится больше плотности керосина в трубке большего диаметра. Из-за разности плотности керосина он начинает циркулировать: более холодный и более плотный керосин опускается вниз, в самую нижнюю точку установки и отдает там холод, накопленный на поверхности, окружающему грунту. Поскольку одна трубка переходит в другую и они наглухо запаяны, то керосин не расходуется. Чем ниже температура наружного воздуха, тем активнее действует установка, охлаждая окружающий грунт основания, препятствуя его оттаиванию А в теплое время года она прекращает свою работу автоматически. С началом зимнего периода установка также автоматически начинает действовать.
В северной климатической зоне опасность для сооружении представляют также низкие температуры и сильные ветры, метели и морозы, при которых грунты и стены глубоко промерзают, продуваются стены – это обязывает эксплуатационный персонал внимательно следить не только за состоянием оснований и отмосток, но и содержать в исправном состоянии стены, их углы и другие конструкции, обеспечивающие теплозащиту воздухонепроницаемость ограждений.
Особенности технического обслуживания и ремонта зданий, построенных на просадочных грунтах и в засушливых районах. Районы с просадочными грунтами носят «островной» характер, но в общей сложности занимают значительную территорию, например 85 % УССР, почти всю Центрально-Черноземную область, часть территории Казахстана, Средней Азии и др.
Просадочные грунты являются разновидностью глинистых грунтов — лёссов, лёссовидных грунтов и суглинков. Такие грунты в сухую погоду весьма прочны, а при увлажнении теряют несущую способность. Их пористость составляет примерно 50 % объема, вследствие чего они, теряя несущую способность, сильно деформируются и вызывают значительные деформации сооружений. Все просадочные грунты по СНиП делятся на два типа:
I—грунты, для которых просадка от собственной массы практически отсутствует или не превышает 5 см;
II — грунты, для которых возможна просадка от собственной массы, превышающая 5 см.
Тип грунтов в каждом конкретном случае определяется путем натурных испытаний при увлажнении и постоянном давлении 0,3 МПа.
Строительство на лёссовых грунтах ведется по одному из следующих принципов:
I — предварительно ликвидируется просадка грунтов путем полива и укатывания тяжелыми катками, после чего здания возводятся, как на обычных грунтах; так поступают при мощности просадочных грунтов до 1,5 м;
П — проходка слоя просадочных грунтов сваями или фундаментами и опирание последних на непросадочные основания;
III — использование конструкций, не реагирующих на дефор¬мации просадочных оснований;
IV —гарантированная защита просадочных основании от увлажнения во время эксплуатации посредством карнизов с выносом 80 см, отмосток шириной до 200 см и т. п.
Персонал эксплуатационной службы, принимая в эксплуатацию здания, возведенные на просадочных грунтах, должен знать и учитывать гидрогеологические условия и принципы строительства, принимать меры для их сохранения, а главное ное — постоянно оберегать их от увлажнения.
Просадки сооружений чаще всего образуются в пустынных и засушливых районах в результате подтопления сооружений грунтовыми или поливными водами при неправильном устройстве системы орошения земель и поливки насаждений, расположенных среди застройки. Грунты в таких районах, в частности в Южном Казахстане, содержат до 40 % гипса и в сухом состоянии весьма прочны, напоминая туф, но при увлажнении они превращаются в жидкость, которую местные жители используют в качестве краски для фасадов зданий. В практике известны случаи подтопления целых поселков; за 10—15 лет грунтовая вода вследствие искусственного обводнения поднималась на 3 м и выше, подтапливая все сооружения в них.
При эксплуатации застройки в засушливых поливных районах необходимо считаться с опасностью поднятия уровня грунтовых вод; в связи с этим вредное влияние оросительных' систем должно быть исключено устройством рядом с ними дренажных систем. Надо также обеспечить безаварийную работу инженерных сетей, предельно снизить неорганизованный сброс водопроводной воды на рельеф, в выгреба, септики и т. п., не допускать заболачивания участков. Отмостки вокруг сооружений должны быть широкими и исправными поливаемые деревья рекомендуется сажать на удалении (6 м) от сооружений. В некоторых случаях по программе, разработанной проектной организацией, и по созданной опорной сети ведутся инструментальные наблюдения за состоянием сооружений»
Подтопление сооружений в пустынных и засушливых районах приводит также к солевой коррозии их конструкций. При усиленном испарении влаги повышается засоленность верхних слоев грунта; в дальнейшем грунтовые воды, поднимаясь, минерализуются. Увлажнение фундаментов минерализованной водой, капиллярное и электроосмотическое поднятие влаги в цоколь и стены, а затем ее испарение способствуют накоплению в конструкциях кристаллов солей. Вследствие повторного увлажнения конструкций кристаллы эти превращаются в кристаллогидраты, которые, увеличиваясь в объеме, заполняют поры, а потом разрушают конструкции. Опасно для конструкций и наличие в грунтовых водах сульфатов натрия и магния. Подземные металлические конструкции под воздействием агрессивных вод интенсивно корродируют.
Для предотвращения солевой коррозии (кристаллизационного разрушения) в эксплуатируемых сооружениях их конструкции надо тщательно предохранять от увлажнения, т. е. понижать уровень грунтовых вод, восстанавливать горизонтальную и вертикальную изоляцию фундаментов. Главное при этом не допустить минерализованную грунтовую воду в надземные конструкции, где она, испаряясь, создает условия для кристаллизации солей.
Для понижения уровня грунтовых вод, с одной стороны, ограничивают приток их в грунт, а с другой стороны — организуют их отвод, устраивают горизонтальный или вертикальный В условиях эксплуатируемой застройки прокладывать горизонтальный дренаж весьма сложно из-за наличия подземных коммуникаций; кроме того, он эффективен только в песчаных и супесчаных грунтах, т. е. при коэффициенте фильтрации не менее 1 м/сут.
Поэтому целесообразно устраивать вертикальный дренаж: одна скважина с гравийным фильтром при высокой фильтрации грунтов и откачке воды насосами, эрлифтом может понизить уровень воды на 20—30 м в радиусе 1 км.
Особенности технического обслуживания и ремонта зданий, построенных в сейсмоопасных районах
Сейсмоопасные районы — это районы, подверженные повторяющимся землетрясениям; они занимают значительную часть территории нашей страны — около 20 %; в них построено уже много зданий и ведется интенсивное строительство. В ранее возведенных зданиях недостаточно учтены антисейсмические меры. В новых зданиях и сооружениях применяются более совершенные в этом отношении конструкции. Инженерно-технический состав, эксплуатирующий сооружения в таких районах, должен знать и учитывать специфику эксплуатации в условиях периодических землетрясений, иметь четкое представление о природе и характере самих землетрясений.
Землетрясения бывают тектоническими, вулканическими и обвальными или карстовыми. Наиболее часты и опасны тектонические землетрясения, вызываемые движением земной коры. Сдвиги земной коры могут захватывать обширные зоны по глубине и площади, они сопровождаются множеством разрывов. Условно место сдвига принимают за точку и называют гипоцентром, а его проекцию на поверхность земли — эпицентром.
Наиболее опасны землетрясения с глубиной до 100 м. Землетрясение сопровождается распространением продольных, поперечных и поверхностных волн со скоростью 4—8 км/с, которые и являются причиной деформаций и разрушения сооружений. Сила землетрясений оценивается по 12-балльной шкале.
Эксплуатационный персонал своими силами и средствами, разумеется, не может повысить стойкость или уберечь здания при землетрясении; участь последних предопределена качеством проекта и возведения, степенью осуществления всех мер, способствующих сохранению зданий при расчетной сейсмичности землетрясений. Но эксплуатационники должны знать бальность района и особенности антисейсмических мероприятий тай, использованных при возведении каждого здания, находящегося на объекте; это важно для всесторонней приемки зданий в эксплуатацию и диагностики застройки после свершившего землетрясения для дальнейшей ее эксплуатации.
Понимание роли различных конструктивных мероприятии при антисейсмическом строительстве позволит специалистам всесторонне оценить техническое состояние каждого здания, перенесшего землетрясение, выработать меры по их усилению и восстановлению. Особое внимание обращается на трещины.
Расчетная сейсмичность для зданий и сооружений устанавливается СНиП в зависимости от местоположения, значимости здания, степени капитальности, количества людей, вводящихся в нем, и т. д. Для особо ответственных зданий расчетная сейсмичность повышается на один балл, а для второстепенных понижается на один балл. Антисейсмические мероприятия повышают стоимость зданий в среднем на 10—12 %.
При капитальном ремонте зданий в сейсмоопасном районе в части оснований и фундаментов, стен необходимо придерживаться тех же трех принципов, что и при новом строительстве.
Принцип 1 - равномерное распределение сейсмических сил путем обеспечения симметрии и жесткости, равномерного рассредоточения масс, главным образом в кирпичных зданиях. Поэтому при ремонте нельзя менять массу отдельных конструкций, нельзя производить местное их усиление, устраивать большие проемы во внутренних стенах, так как это в момент землетрясения вызовет опасные крутящие моменты и разрушения. Нельзя также при ремонте ликвидировать или нарушать антисейсмические швы.
Принцип 2 — снижение величины сейсмических сил за счет уменьшения собственной массы здания и повышения гибкости вертикальных несущих конструкций. Данный принцип лучше удовлетворяется в каркасных и крупнопанельных зданиях, а также из объемных блоков. При ремонте таких зданий нельзя увеличивать жесткость соединений, поскольку именно в этих местах будет сосредоточена сейсмическая нагрузка.
Принцип 3 — обеспечение совместной пространственной работы несущих элементов здания и восприятие сейсмических воздействий в результате пластических деформаций в узлах и сечениях. Этот принцип тоже лучше удовлетворяется в зданиях из объемных блоков и крупнопанельных, имеющих равномерную жесткость и малую массу. Незначительные деформации жестких каркасов под действием сейсмических нагрузок не опасны для здания в целом; но и в этом случае нельзя изменять жесткость отдельных конструкций в процессе ремонта.