Текст книги "История аварий и катастроф"

8.2. Обрушение зданий по причинам запроектной работы основания

Под термином «запроектная работа основания» будем понимать работу основания в изменившихся по отношению к проектным условиях, отражающих изменение структуры основания и особых воздействий.

Приведем несколько примеров разрушения зданий в Санкт-Петербурге. Речь не идет о периоде военного времени, здесь рассматриваются аварийные ситуации современного периода.

Обрушение здания возле гостиницы «Невский Палас»

В самом центре города (на Невском проспекте) дома, окружающие гостиницу «Невский Палас», наклонились в сторону недавно реконструируемого отеля. Наклон карнизов этих покореженных зданий таков, что виден даже невооруженным взглядом.

При реконструкции гостиницы «Невский Палас» австрийской фирмой «АВF» вдоль глухих стен соседних зданий устраивались ряды буровых свай диаметром 900 мм. Сначала изготавливалась каждая вторая свая в ряду, затем – пропущенные сваи. В процессе бурения глинистый грунт вокруг скважины терял свою прочность, наплывал в нее и бесконтрольно извлекался рабочим органом машины. Выполненные расчеты показывают, что такое поведение грунта вполне закономерно и его следовало ожидать под действием одной только разницы давлений в массиве грунта и на забое скважины. Разбуривание свай за счет возникновения дополнительного динамического воздействия усилило процесс расструктуривания грунта и облегчило его наплывание в скважину. Фактически происходило извлечение грунта из-под соседних зданий. В результате их осадки измерялись дециметрами.

В городе живут три десятка высококвалифицированных специалистов (членов Международной геотехнической ассоциации), работает Северо-западное отделение Российского национального комитета одском правительстве имеется Экспертная этой организации, а при гор комиссия по основаниям, фундаментам и подземным сооружениям (ЭКОФ). Возникает вопрос: почему же при первых признаках деформаций работы не были остановлены? Ответ прост: ЭКОФ не допускали ни к проекту, ни на стройплощадку, а это привело к падению соседних зданий.

Это был первый опыт применения подобной технологии устройства свай в Петербурге.

Аварийные деформации

по Малой Дворянской улице

Еще одна достопримечательность расположена неподалеку от Домика Петра I – первого гражданского строения Петербурга. Здесь, на Малой Дворянской ул., построено элитное жилое здание, а соседнее столетнее здание расколото пополам трещиной и уже покинуто жителями.

Для защиты старого здания от влияния строящегося устраивалась стенка из буровых свай диаметром 1,2 м с зазорами между сваями по 15 см. Парадоксальность ситуации заключалась в том, что строящееся здание благодаря подземному этажу возводилось фактически на плавающем фундаменте: вес здания лишь немного превышал вес вынутого грунта. Осадки его и, соответственно, примыкающих зданий должны были быть ничтожны. Значит, разделительная стенка была совершенно излишней, и защищать соседнее здание следовало лишь от устраиваемого котлована, не допуская подвижек его ограждения и снижения уровня грунтовых вод на окружающей территории. Устройство же разделительной стенки из свай диаметром 1,2 м, предназначенной для защиты дома № 6 по Малой Дворянской ул., привело к прямо противоположному результату – аварийному деформированию этого здания. В процессе проходки скважин дом № 6 получил осадки, не примыкания 11 см и приведшие к образованию превысившие в зо трещин над оконными проемами раскрытием до 8 см.

Причина аварийных деформаций здания заключалась в наплывании слабого грунта в скважину и его извлечении в объеме, существенно превышающем объем самой скважины. При рассмотрении устойчивости забоя скважины незадачливым геотехником снова не было учтено специфическое свойство слабого глинистого грунта – способность к расструктурированию и превращению в вязкую жидкость.

Аварийные деформации здания

на 8-й Советской улице

На 8-й Советской ул. рядом с фундаментами заброшенной строительной площадки стоит недавно расселенный дом с многочисленными трещинами.

Если две описанные выше аварии были связаны с неумелым применением новой (и весьма перспективной для города) технологии, то на 8-й Советской ул. использовалась другая технология.

Нужно было выполнить буровые сваи диаметром 300 мм и длиной 12 м, опирающиеся на прочные моренные грунты. Выбор подрядчика всегда осуществляется по принципу «кто дешевле». Так и получилось, что на 8-й Советской победил подрядчик, предложивший еялись полцены, но за сваи в полдлины. Но авторы, очевидно, над возместить потерянную несущую способность по отношению к варианту с длиной свай 12 м за счет улучшения качества буровых свай длиной 6 м и использования новой технологии при их создании. Для чего нужны были такие сваи, зависшие в грунтовом киселе? Сваи-недомерки устраивались с использованием электрических разрядов. В скважину, заполненную бетонной смесью, погружались электроды, между ними проскакивала молния, неслышными раскатами грома пробегала по грунту гибельная для его структуры вибрация. Интересная идея – использование электрических высоковольтных разрядов (фактически плазмы) для улучшения качества бетонной смеси в буровых сваях – не была должным образом исследована и технологически отлажена. В результате разжижились грунты под фундаментами ближайшего здания, пошли по стенам его сквозные трещины.

Относительное благополучие старой застройки было обусловлено своеобразным ограничением нагрузки, передаваемой от здания на грунты: высота зданий не должна была превышать карниза Зимнего дворца. Тем не менее печальной закономерностью для центра города являлись деформации старой малоэтажной застройки в зоне примыкания к ней зданий с повышенной этажностью (5–7 этажей). Современное строительство в центре с его тенденцией к дальнейшему повышению этажности и к использованию подземного пространства является еще большим фактором риска по отношению к исторической застройке.

По международной классификации, в частности согласно Европейских норм (еврокодов), строительство и реконструкция в среде исторической застройки на слабых грунтах относится к самой высокой категории сложности. Без деятельного участия специалиста-геотехника наряду с архитектором и конструктором на всех стадиях строительного процесса (предпроектной проработки, проектирования и строительства) невозможна успешная стройка в центре Петербурга.

Проблема строительства новых зданий в черте плотной городской застройки может быть кардинально решена устройством свайных фундаментов, передающих нагрузки на малосжимаемые моренные грунты. Собственная осадка зданий на таких фундаментах оказывается незначительной. Казалось бы, незначительными должны быть и осадки соседних зданий. Однако разнообразные технологические воздействия при устройстве свайных фундаментов во многих случаях приводили к аварийным деформациям прилегающей застройки.

Причиной практически всех аварий являлось расструктуривание надморенных слабых глинистых грунтов, которые в обширной зоне вокруг свай приходили в состояние вязкой жидкости и обусловливали развитие дополнительных осадок соседних зданий.

Наибольшие динамические воздействия возникают при забивке и вибропогружении свай. Современные нормы не допускают применения этих технологий в 20-метровой зоне вокруг существующих строений, что все же не является гарантией безопасности для соседней застройки.

Технология вдавливания свай практически полностью исключает динамические воздействия на основание. Однако и этот способ не является щадящим: при вдавливании сваи происходит перемятие и расструктуривание слабых глинистых грунтов в зоне, значительно превышающей диаметр внедряемого элемента.

Наиболее щадящей технологией по отношению к толще слабых грунтов основания и соседней застройке в мировой практике справедливо считается устройство буровых свай. При бурении скважин под сваи необходимо обеспечить устойчивость проходки. Чем больше диаметр скважины, тем сложнее обеспечить ее устойчивость в слабых грунтах.

Обрушение жилого дома № 8

по ул. Двинской в 2002 г

Огромный резонанс в Петербурге вызвало катастрофическое разрушение этого современного кирпичного здания, не имевшего трещин раскрытием более 3–4 мм. Разрушилось оно всего за 40–50 мин. По поводу причин аварии выдвигалось немало гипотез. Ни одна из них не могла претендовать на обобщение.

Дом по ул. Двинской представлял собой 9-этажное кирпичное здание, скомпонованное из четырех секций в перемычках, между которыми были устроены лестницы и вестибюли. Наружные и внутренние стены были выполнены из керамического кирпича. Толщина наружных стен составляла 540 мм. Перекрытия были запроектированы из круглопустотных панелей и плоских железобетонных плит.

Фундаменты здания были выполнены из бетонных блоков, установленных на железобетонные подушки. Глубина заложения фундаментов составляла 2,0–2,1 м от поверхности, ширина подошвы – 2,8–3,2 м, среднее давление по подошве фундамента – 1,5 кг/см². Под подошвой проектом была предусмотрена песчаная подсыпка толщиной 100 мм. По верху фундаментных подушек запроектирован армированный пояс высотой 50 мм. На блоки опиралась кирпичная кладка, которую по проекту предполагалось армировать сварными сетками. Толщина несущих стен превышала ширину фундаментных блоков на 140 мм.

Проект здания был разработан Центральным научно-исследовательским и проектным институтом жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища) на основе типового проекта 1968 г. Фундаменты устроены по типовому проекту ЛенНИИпроекта, привязанного по месту.

Проект привязки фундаментов выполнен без учета результатов изысканий. На чертеже было помещено примечание: «Расчет фундаментов произведен согласно распоряжению главного инженера института за № 15-70 от 03.09.70 г.». О причинах такого откровенного волюнтаризма остается только догадываться.

При обследовании институтом «Фундаментпроект» было обнаружено несоответствие выполненных конструкций проектным решениям: фундаментные подушки местами оказались уложенными с промежутками, местами фундаментами служили блоки. В ряде частей здания (в углах секций) были обнаружены отклонения реальных размеров фундаментов от проектных решений.

Анализ инженерно-геологических условий площадки. Геоморфологически площадка (территория, на которой было построено здание) входит в пределы прибрежной зоны Приморской равнины, поднятой насыпными свалочными грунтами с абсолютных отметок ~0,0 м до ныне существующих 3,5–4.2 м. Юго-западная часть здания примыкала к склону Сельдяного канала, засыпанного в конце 1960-х гг. Грунты отсыпались на заторфованные отложения. По результатам изысканий 2002 г. (выполненных после обрушения здания) верхняя толща характеризуется крайней неоднородностью по плотности сложения и составу, содержит заторфованные грунты не только в подошве, но и внутри толщи насыпных грунтов. Заторфованные грунты обладают низкими механическими свойствами.

Под насыпными грунтами залегают морские и озерные отложения, представленные песками средней плотности переменной мощности (1,3–2,0 м с восточной стороны здания; 0,5–1,5 м – с западной). Минимальная толща песков отмечена в районе разрушенной секции. Залегающие в верхней части моренной толщи супеси мягкопластичной консистенции с лобовыми сопротивлениями 5–10 кг/см² обнаружены практически по всему периметру здания, за исключением северо-восточного угла. Мощность супесей достигает 5,0–5,5 м. Они подстилаются туго-пластичными суглинками, а с абсолютных отметок –9,3–(–11,9) м – межледниковыми супесями полутвердой консистенции.

Уровень грунтовых вод при изысканиях 1969 г. (май) был зафиксирован на абсолютной отметке +0,7 м, в 2002 г. (июнь) – +2,0– (+1,8) м. В период аварии колебание уровня воды в р. Неве было незначительным (не более +30 см над ординаром).

В целом инженерно-геологические условия неблагоприятны для возведения фундаментов мелкого заложения. Наличие насыпных и заторфованных грунтов требует даже для малоэтажной застройки проведения работ по выторфовке и устройству песчаной подушки.

Краткая характеристика аварийных деформаций. Обрушение южной секции общежития произошло 3 июня 2002 г. Этому предшествовало интенсивное развитие крена здания в южном направлении и с образованием раскола между смежными секциями.

Согласно сведениям, полученным у эксплуатационных служб, 22 мая 2002 г. наблюдалось подтопление подвала; 30 и 31 мая в ГУП «Водоканал» поступали сообщения о вытекании воды на газоне и в районе фундаментов здания; 1 июня 2002 г. был перекрыт один из вводов водоснабжения в здание; 3 июня 2002 г. ремонтная служба ГУП «Водоканал» осмотрела подвал (подвал был без воды) и приступила к ремонту ввода водопровода, для чего была начата откопка приямка глубиной 1,4 м с размерами в плане 1,0х1,5 м. Непосредственно после откопки послышался «хлопок» со стороны подвала, обнаружилась трещина в здании. Ремонтные рабочие были эвакуированы. В котлован со стороны здания стал отсыпаться песок. В здании начался пожар. Через 45 мин южная секция обрушилась.

По данным геодезической службы треста геодезических работ и инженерных изысканий (ГРИИ), наибольшие осадки получила южная стена здания (до 0,5 м). При размерах обрушившейся секции в плане 14,75х16,10 м объем «призмы» осадок составляет порядка 50 м³.

Расчетный анализ причин деформирования здания. Достоверная оценка причин разрушения возможна только с учетом совместной работы основания, фундаментов и надземных конструкций здания. Серия численных расчетов выполнялась с применением разработанного в НПО «Геореконструкция – Фугндаментпроект» программного комплекса «FEM models» [55]. Этот программный комплекс позволяет моделировать совместную работу основания и надземных конструкций здания с учетом нелинейной работы грунта.

Для выявления характера деформирования здания за период его существования был проведен совместный расчет зданий и основания на проектные нагрузки. Изыскания 2002 г. не дали ответа на вопрос: была ли выполнена под зданием песчаная подушка или же основанием фундаментов служили насыпные грунты? В связи с этим в расчетах рассматривалось 2 варианта:

• с учетом песчаной подушки в основании фундаментов, заменяющей слабые насыпные грунты;

• без учета подушки при устройстве фундаментов непосредственно на насыпных грунтах. В этом случае характеристики насыпного грунта принимались в соответствии с результатами изысканий 1968 г.

Расчеты показали, что при учете работы фундаментной подушки здание получает осадки величиной 9–12 см. При расчете здания, основанием которого служат насыпные грунты, расчетные осадки достигают 24–26 см. При этом в основании фундаментов наблюдаются весьма значительные зоны пластических деформаций. Такие зоны свидетельствуют о том, что расчетное сопротивление грунта в основании фундаментов превышено.

Совместный расчет основания и конструкций здания позволил выявить пространственный характер распределения неравномерностей осадок. По обоим вариантам наблюдается картина неравномерного деформирования наружных и внутренних стен. Наибольшие осадки претерпевают внутренние стены здания. Максимальная неравномерность осадок (0,003) наблюдается у аварийной секции, что свидетельствует о низкой пространственной жесткости здания.

Как показывает расчет с учетом упруго-хрупкой работы кирпичной кладки, такая неравномерность осадок приводит к образованию серии вертикальных трещин в стенах, характерной для зданий с жесткими железобетонными перемычками. В отличие от зданий старой застройки с клинчатыми перемычками, для которых свойственны наклонные осадочные трещины, наличие жестких перемычек приводит к тому, что деформации межоконного блока происходят в форме его поворота как жесткого целого. Именно такие трещины наблюдаются в сохранившихся блоках здания, а также в соседнем здании, построенном по тому же проекту. Расчетная картина деформаций совпадает с наблюдаемой в действительности. Развитие серии таких вертикальных трещин приводит к опасности локального обрушения перемычек, а также к разделению здания на отдельно стоящие вертикальные «столбики», что практически лишает его конструкцию пространственной жесткости.

Как показали расчеты, для здания в целом характерна деформация в форме «гамака» и не характерна деформация с наклоном секции от здания. Если предположить сильную неоднородность основания в пределах пятна застройки (отсутствие под аварийной секцией песчаной подушки, понижение рельефа в районе засыпанного Сельдяного канала), то такой наклон получает расчетное подтверждение, однако в этом случае остается необъясненным тот факт, что подобные деформации проявлялись только перед обрушением здания, а не сразу после его постройки.

Поэтому наиболее вероятной причиной резкого деформирования секции с наклоном в сторону от других секций необходимо считать некоторое техногенное воздействие. Рассматривались следующие возможные виды воздействий:

• выемка грунта в непосредственной близости от фундаментов;

• потеря устойчивости основания в результате изменения прочностных характеристик при неоднократном замачивании техногенными водами с развитием суффозионных процессов или в результате выемки грунта;

• вынос грунта из-под фундаментов.

Выполненные расчеты позволили выявить предпосылки, которые привели к возможности обрушения здания:

а) проект устройства фундаментов не обеспечивал допустимых значений неравномерностей осадок;

б) грунт под частью здания находился в предельном состоянии, что было обусловлено несоответствием реально выполненных фундаментов проектному решению;

в) выявленные неравномерности осадок обусловили образование системы вертикальных трещин в стенах. Развитие системы вертикальных трещин приводит к разделению здания на отдельные «столбики», что практически означает потерю им пространственной жесткости. Образование вертикальных трещин и характер обрушения здания свидетельствуют о том, что предполагавшееся по проекту армирование стен арматурными сетками, вероятно, в ряде мест не было выполнено. Установленная при обследовании недостаточная ширина площадки опирания панелей перекрытия на стены (6–7 см) также способствовала их обрушению по всем этажам.

8.3. Обрушение зданий при возведении их в зимний период

К разряду типовых, часто повторяющихся, можно отнести аварии вновь возводимых в осенне-зимний период многоэтажных зданий с использованием технологии метода замораживания. Аварии происходят в период наступления устойчивой оттепели. Основной причиной аварий, как правило, является нарушение технологии возведения зданий.

Обрушение общежития в г. Сморголе 8–30 марта 1986 г

Общежитие на 745 мест запроектировано из двух 9-этажных жилых блоков, расположенных со сдвижкой в плане и связанных между собой лифтовыми холлами, и пристроенного 2-этажного блока обслуживания. Здание оборудовано техническим подпольем.

Для привязки принят типовой проект общежития серии 88, разработанный институтом «Белгоспроект». Общая площадь здания – 7 439 м²; объем – 33 582 м³.

Конструктивные решения. Фундаменты – ленточные, прерывистые из сборных железобетонных плит; стены технического подполья – из сборных железобетонных блоков; наружные стены – газосиликатные панели двухрядной разрезки, навесные; внутренние поперечные несущие стены – панели из плотного силикатобетона В15, шаг поперечных стен – 6 м. Железобетонные многопустотные плиты перекрытий шириной 1,3 м; общая устойчивость здания по проекту обеспечивается совместной работой вертикальных и горизонтальных диафрагм жесткости. В качестве вертикальных диафрагм жесткости приняты поперечные и продольные стены, горизонтальных – диски перекрытий. Вертикальная нагрузка поэтажно принимается и передается стенами через платформенные стыки; основанием фундаментов служит супесь мореная твердая, песок пылеватый средней плотности и супесь пылеватая твердая.

Монтаж основных несущих конструкций здания производился в декабре 1985 г. – феврале 1986 г. По состоянию на момент обрушения здания было смонтировано в осях 1–5 на высоту 9 этажей, в осях 6-10 на высоту 7–8 этажей, в осях 7–12 на высоту 7 этажей, а в остальной части здания – на 6 этажей.

По данным метеостанции температура воздуха с декабря 1985 г. по 6 марта 1986 г. была отрицательной, с 6 по 8 – положительной, с 9 по 26 – отрицательной, а с 27 –положительной.

Обрушение южной стороны здания происходило в течение всего дня 8 марта, а остальная часть дома продолжала стоять до 30 марта; объясняется это тем, что с 9 по 26 марта вновь наблюдались отрицательные температуры наружного воздуха и раствор в горизонтальных швах и бетон в вертикальных стыках замерзли; фактически монтаж конструкций дома велся на растворе методом замораживания без противоморозных добавок. На 6–9-х этажах отсутствовало замоноличивание вертикальных стыков в поперечных стенах. Не все швы между плитами перекрытий были замоноличены [56].

Таким образом, обрушение жилого дома-общежития было вызвано несколькими причинами:

• проведением монтажа здания методом замораживания без противоморозных добавок;

• отсутствием замоноличивания вертикальных стыков;

• недостаточным замоноличиванием между плитами перекрытия;

• наличием монолитных участков в проекте дома.

Все это привело в момент оттаивания раствора к потере устойчивости здания (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Начало обрушения 9-этажного жилого дома в Сморголе

Рис. 8.2. Обрушение здания во Владивостоке

Подобные разрушения в весенний период, вызванные оттаиванием зимней кладки в кирпичных зданиях, раствора швов в крупнопанельных и крупноблочных домах, происходили во многих городах России (рис. 8.2–8.7).

Рис. 8.3. Обрушение здания во Владимире

Рис. 8.4 . Обрушение здания в Челябинске

Рис. 8.5. Обрушение здания в Иваново

Рис. 8.6. Обрушение здания в Волгограде

Рис. 8.7. Разрушение 5-этажного крупноблочного здания в Донецке

Подробная информация об этих авариях представлена в монографии Б. В. Сендерова [56].

Обрушение 15-этажного дома серии ЛГ-600

в Санкт-Петербурге

В Санкт-Петербурге 27 февраля 1979 г. произошло полное обрушение 15-этажного крупнопанельного жилого дома серии ЛГ-600 [56] (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Крупнопанельный 15-этажный дом серии ЛГ-600

Конструктивная схема здания представляет собой поперечные несущие стены с «узким» шагом 3,2 м. Здание в плане имеет размер 18х18 м и по высоте 44 м. Внутренние несущие стены толщиной 14 см из тяжелого бетона класса В15. Наружные стены навесные газобетонные класса В5, опирающиеся на консоли перекрытий. Перекрытия сплошные толщиной 14 см из тяжелого бетона класса В15, опирающиеся по трем сторонам. Первоначально были забиты железобетонные сваи для всего дома, однако при привязке на местности его потребовалось развернуть, поэтому между сваями была произведена засыпка гравийно-песчаной смесью и затем забетонирована железобетонная плита толщиной 800 мм.

Наружные газобетонные стены горизонтальной разрезки навешивались на консоли перекрытий. По оси А устанавливались трехметровые газобетонные вкладыши-простенки, которые опирались через раствор на газобетонную поясную панель, а вверху должны были отделяться от нее мастикой УСМ-50, гернитовыми прокладками и антисептированной паклей и заделываться раствором только по краям. Но при строительстве вместо гернитовых прокладок был уложен раствор. Таким образом, газобетонные панели из навесных превратились в несущие, нагрузка от них передалась на консоль первого этажа.

До аварии было смонтировано 20 крупнопанельных домов этой серии. Монтаж 21-го и 22-го домов был приостановлен в связи с плохим качеством монтажа. При осмотре недостроенного 22-го дома было обращено внимание на выход из плоскости сжатых газобетонных панелей, разрушение консоли перекрытия по короткой стороне и ряд других повреждений конструкций, что явилось причиной деформации и обрушения 23-го крупнопанельного дома.

Монтаж дома начался 19 января 1979 г. и был закончен 24 февраля – почти за один месяц. В течение этого периода постоянно сохранялась отрицательная температура наружного воздуха, 26 февраля 1979 г. первый день была нулевая температура, начал оттаивать раствор в швах и стыках, трещать бетон.

На следующий день продолжалось оттаивание раствора в швах и стыках дома, треск усиливался: из-за перераспределения нагрузки трескался бетон, лопались консоли перекрытий. Вечером дом обрушился почти вертикально.

Изделия для этого дома изготавливались в декабре 1978 г. в период сильных морозов. Панели вывозились из теплого цеха сразу на монтаж. А, как известно, с падением температуры увлажненного бетона ниже –30^оС аномально изменяются температурные деформации, а скорость разрушения по сравнению со стандартным замораживанием (до –20^оС) увеличивается примерно в десять раз. Аномальность заключается в резком, скачкообразном расширении бетона, т. е. в уменьшении его температурного коэффициента линейного расширения. Следствием этого является возникновение концентраций напряжений: по толщине конструкции – между слоями бетона, параллельными фронту охлаждения; между бетоном и арматурой; между железобетонными перекрытиями и поперечными стенами в период строительства.

При обрушении дома жертв не было, поскольку в доме достаточно громко и продолжительное время раздавались треск и шумы, тем самым предупреждая о возможных обрушениях.

Причинами обрушения здания явились: оттаивание толстых горизонтальных швов по всем этажам дома; превращение наружных панелей из навесных в несущие и, как следствие, передача нагрузки от всех наружных стен пятнадцати этажей на консоль плиты перекрытия, которая лопнула, а опирающаяся на нее внутренняя несущая стеновая панель повернулась, потянув за собой железобетонную панель, расположенную на короткой стороне перекрытия, и продавила плиту перекрытия. Внутренняя стеновая панель первого этажа, продолжая поворачиваться вслед за разрушающимся перекрытием, способствовала деформированию конструкций, расположенных по оси А, с последующей потерей устойчивости всего здания.