Особенности строительства в зонах с сейсмической опасностью

Во многих районах земного шара происходят землетрясения, большинство из которых имеют небольшую интенсивность или случаются в малонаселенных районах. Однако имеется немало землетрясений в результате которых разрушались города и населенные пункты. Сильные землетрясения за последние годы произошли в %ли,1960; Скопле, 1963; Биигате,1964; Каракасе, 1967; Перу,1970; Сан-Фернандо,I97I; Никарагуа, 1972; Гватемале, 1976; Румынии, 1977. К сожалению, пршлеры таких землетрясений могут быть приведены и для нашей страны. Значительный ущерб нанесли Крыкюкое,1927; Кишиневское,1940; Ашхабадское, 1948; Ташкентское, 1966; Джаглбульское, I97I; Газлийское,.1976; Назарбекское, 1980 землетрясения.

Наиболее полные данные по последствиях сильных землетрясений содержатся в работе профессора В. Полякова /115/, где приводятся сведения об огромном ущербе, который наносят человечеству эти стихийные бедствия, занимающие второе место среди других природных катастроф. За период 1947-70 гг. во время землетрясений погибло более 190 тыс.человек. В /64/ приведены данные о последствиях землетрясений в США., где за период I905-I965 г.г. погибло около 1,4 млн, человек, а материальные убытки исчислялись 1200 млн. долларов. Только от землетрясения I97I г. в Сан-Фернандо убытки составили около 500 млн.долларов. Землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско нанесло ущерб в 480 млн.долларов, а при таком же землетрясении в настоящее время убытки составили бы несколько миллиардов долларов, не считая цепной реакции возможных последствий для экономишь США. Рост населения, быстрое развитие промышленности требуют освоения все новых территорий, в том числе и в сейсмически активных районах, поэтому вопрос надежности и экономичности антисейсмического строительства имеет большое народнохозяйственное значение.

Анализ распределения территории и населения СССР по районам с различной сейсмичностью показал, что общая площадь сейсмических районов СССР составляет около 22% всей территории страны. В этих районах расположены девять столиц союзных республик, сотни городов и тысячи сельских населенных пунктов, ведется около ЭД жилищного строительства.

Все возрастающие объекты капитального строительства, увеличение численности и улучшение условий проживания населения, массовое жилищное строительство в крупных городах с неблагоприятным инженерно-геологическими условиями с крайне ограниченными возможностями расширения территории предъявляют высокие требования к надежности и экономичности зданий и сооружений, строящихся в районах высокой сейсмичности. Поэтому перед теорией сейсмостойкости сооружений на современном этапе ставятся новые более сложные задачи, обязанные с необходимостью учета запасов прочности конструкций в предельной стадии работы при интенсивных сейсмических нагрузках, переходу к пространственным расчетным схемам, более полно отражающим реальные свойства зданий и сооружений, использования новых сейсмологических данных, характеризующих долговременную сейсмическую опасность территории, подверженной сейсмическим воздействиям.

Как свидетельствует опыт прошедших землетрясений, здания и сооружения, рассчитанные, запроектированные и построенные с учетом требований норм по сейсмостойкому строительству, вполне удовлетворительно выполняют свое назначение. В этом большая заслуга советских ученых, с трудами которых связано становление и развитие, теории сейсмостойкости.

В соответствии с действующим СНиПом здания и сооружения, строящиеся в сейсмически активных районах, должны быть рассчитаны и запроектированы на восприятие расчетных сейсмических нагрузок. При этом расчет ведется по упругой стадии на некоторое осредненное воздействие, интенсивность которого зависит от балльности района строительства и характеризуется коэффициентом сейсмичности, по физическому смыслу представляющего собой среднее значение ускорений в долях Q. Поэтому можно предположить, что сооружение, запроектированное по действующим нормам, при расчетном землетрясении должно работать в упругой стадии без каких-либо повреждений несущих элементов и конструкций. Как показывает опыт прошедших землетрясений, здания рассчитанные и построенные - 9*) в соответствии с действующими нормами, вполне удовлетворительно переносят сейсмические воздействия. Однако землетрясения расчетной интенсивности не проходят бесследно: даже в сейсмостойких сооружениях наблюдаются повреждения, в том числе и несущих конструкций. Этому довольно много причин (конструктивные особенности конкретного объекта, прочность материалов, конструкций, качество строительства и многие другие). Однако основной причиной почти всегда является особенность самого сейсмического процесса и прежде всего его интенсивность. Как показывают инструментальные данные, фактическая интенсивность расчетных землетрясений, как правило, оказывается значительно больше расчетных значений Кс.

Этот факт в последнее время становится общепринятым и поэтому в новых нормах по сейсмостойкому строительству в несколько раз повышена величина коэффициента, К^. Так, к 9 балльным землетрясениям (при расчетах по акселерограммам) относятся та, максимальная амплитуда ускорений которых превышает 400 см/сек.

Учитывая изложенное, следует признать, что при расчетных землетрясениях в зданиях неизбежны повреждения отдельных узлов и элементов конструкций. В работе /74/ отмечается, что даже землетрясения средней интенсивности вызывают существенные перенапряжения в конструкциях зданий, запроектированных в соответствии с требованиями сейсмических норм США, и поэтому в сейсмостойких сооружениях следует ожидать повреждений при землетрясениях, интенсивность которых даже ниже расчетных. Такая же мысль поддерживается крупными советскими исследователями,которые считают, что в настоящее время дальнейшего развития требуют исследования на сейсмические воздействия расчетной интенсивности, когда сооружение работает в предельной стадии, в которой должны быть учтены и использованы все запасы несущей способности конструкций. * В последнее время получает распространение концепция двойно- го расчета, впервые выдвинутая в работах крупнейших советских ученых в области сейсмостойкости сооружений И.И. Гольденблата и В.Полякова, Сущность ее заключается в том, что здание должно быть рассчитано на землетрясения разной интенсивности. При слабых и умеренных землетрясениях, повторяемость которых соизмерима со сроком службы сооружения, оно должно быть запроектировано таким образом, чтобы затраты, связанные с восстановительным ремонтом, были минимальными. Это значит, что здания рассчитываются по упругой стадии. При землетрясениях расчетной интенсивности, периоды, повторения которых для большинства сейсмически активных районов нашей страны составляют 1000 и более лет, расчет ведется по новому предельному состоянию. Учитывая малую вероятность таких землетрясений за срок службы сооружения экономически неоправданно строить здания, которые переносили бы сильные землетрясения без всяких повреждений. Главное требование, предъявляемое в этих условиях к сооружению - обеспечение безопасности населения и сохранности ценного оборудования. Поэтому критерии предельного состояния назначаются из этих основных требований: в зданиях допускаются любые деформации, повреждения отдельных элементов и узлов, однако обрушение несущих конструкций и объекта в целом должно быть безусловно предотвращено. При сильных землетрясениях поведение сооружений характеризуется возникновением и развитием зон и участков повреждений отдельных элементов и узлов конструкций, что приводит к изменению основных динамических параметров системы (жесткостных и диссипативных характеристик, частот и колебаний). Другими словами параметры системы "на выходе", то есть конечное состояние сооружения, перенесшего землетрясение (оценка которого, по-существу, и является в большинстве случаев целью расчета) зависит не только от параметров системы "на входе", но и от особенностей внешнего воздействия (акселерограммы) и характера изменения параметров расчетной модели в процессе землетрясения. Таким образом для всесторонней оценки поведение зданий в условиях реальных землетрясений необходимо рассмотрение сооружения как нестационарной модели, работающей в существенно нелинейной области, при воздействии акселерограм реальных землетрясений.

Недаром задачи теории сейсмостойкости относятся, по мнению профессора И.И. Гольденблата, к одним из наиболее слoжныx современных инженерных задач

в последнее время советскими сейсмологами получены весьма ценные результаты по оценкам долговременной сейсмической опасности различных сейсмологических регионов нашей страны, включая сведения о сейсмической сотрясаемости, а для отдельных районов получены вероятные оценки спектральной сейсмологической сотрясаемости, по которым можно дифференцировать долговременную сейсмическую опасность отдельных классов сооружений.

Одними из важных в настоящее время, становятся экономические критерии, на основе которых может быть выбрана такая степень антисейсмического усиления, которая обеспечивает, с одной стороны, заданный уровень надежности сооружения, а с другой, - минимальную величину расходов, связанных с ликвидацией последствий землетрясения. При этом oдним из основных являются вопросы определения объемов повреждений несущих конструкций зданий в условиях возможных землетрясений, решение которых самым непосредственным образом связано с необходимостью исследования сооружений в условиях реальных землетрясений с учетом действительной работы в стадии, близкой к предельной.

Аналогичный способ усиления ленточных фундаментов буронабивными сваями, используемыми в качестве рычажных опор, выполнен в 1973 г. трестом Гипроспецфундаментстрой по чертежам Гипролесхима в соответствии с рекомендацией НИИ оснований и подземных сооружений. Усилению подвергались фундаменты пятиэтажной башни и примыкающей к ней трехэтажной части производственного корпуса химкомбината в связи с развитием недопустимых осадок и возможного их обрушения. Для этого на расстоянии 2,5 м от наружной стены здания были выполнены два ряда цилиндрических буронабивных свай-стоек (расстояние между рядами 5 м, шаг в ряду 3 м) диаметром 12 и длиной 16 м. Головы свай в каждом продольном ряду объединялись жесткими железобетонными балками, расположенными одна относительно другой на разных уровнях.

В качестве рычажных балок использовали металлические двутавровые консольные балки 50 с шагом 2,5 м, рассчитанные на условия передачи на свайный фундамент соответствующих усилий от стен здания. Балки заделывали в кирпичные стены так, как показано на рис.4.20, на железобетонных балках их размещали таким образом, чтобы в первом ряду сваи работали на вдавливание, во втором - на выдергивание. Осуществленное усиление исключило дальнейшее развитие осадок на аварийном участке корпуса.

Обычно при усилении ленточных фундаментов нагрузки от старого фундамента на сваи передают с помощью поперечных балок, проходящих через стену старого фундамента. Основными недостатками данного способа усиления являются сложность выполнения работ, связанных с пробивкой отверстий для поперечных балок в фундаментной стене, ослабление стены и трудоемкость создания плотного контакта между поперечными балками и фундаментной стеной.

Чтобы в стены дома не проникала грунтовая влага, устраивается гидроизоляция. В каменных и кирпичных фундаментах гидроизоляцию кладут обычно на высоте 15…25 см от уровня земли. Если полы кладут на балки, то гидроизоляция должна быть на 5…15 см ниже их.

Гидроизоляцию фундамента можно провести следующими способами:

Кладут слой цементного раствора (2…3 см) состава 1:2, выравнивают, железнят, сушат. Стелют один слой рубероида.

Кладут 2…3 слоя мастики (1 часть разогретой сосновой смолы + 0,3…0,5 части просеянной извести-пушонки). Горячую мастику наносят слоями (общая толщина 7…10 мм).

На горячей сосновой смоле наклеивают бересту в 2…3 слоя.

Настилают насухо 2 слоя рубероида с нахлестом не менее 150 мм.

Верх фундамента покрывают битумной мастикой и наклеивают на нее первый слой рубероида, который вновь покрывают мастикой, и наклеивают второй слой.

Нижний слой венцов необходимо пропитать антисептиками(желательно больше чем весь сруб). Пустое пространство можно засыпать керамзитом, но нужно помнить что керамзит будет "работать" при слое от 400 мм.

Рис.1

1,7 - глина; 2 - цементная штукатурка, покрытая битумом с наружной стороны; 3,5 - гидроизоляция; 4 - цементный пол; 5 - бетонная подготовка

В доме, имеющем подвал, гидроизоляцию кладут на двух уровнях:

в фундаменте на уровне пола подвала или ниже его на 13 см;

в цоколе на 15:25 см выше поверхности отмостки.

Поверхности стен подвала и его пол изолируют при этом так. Если уровень грунтовой воды ниже пола подвала, то с наружной стороны стены, соприкасающиеся с грунтом, покрывают двумя слоями горячего битума. На пол кладут слой жирной глины (25 см), уплотняют, покрывают слоем бетона (5 см), выравнивают, выдерживают в течение 1…2 недель, покрывают мастикой и наклеивают двухслойный рулонный ковер из рубероида. Сверху кладут такой же слой бетона, который выравнивают, покрывают цементным раствором и железнят.

Когда уровень грунтовых вод выше уровня пола подвала, то надо создать хорошую изоляцию стен и пола. Кроме того, вокруг стен в местах примыкания пола подвала следует сделать эластичный замок из пакли, смоченной в расплавленной битумной мастике. Особенно необходим такой замок в подвалах с глинистым грунтом, где наблюдается неравномерная осадка.

Изоляцию стен с наружной стороны поднимают выше уровня грунтовой воды на 50 см.

При высоком уровне грунтовых вод подполье изолируют сначала слоем глины (25 см), на нее кладут бетон, на бетон - гидроизоляцию и покрывают цементным раствором.

Для освещения подвалов часто ниже уровня земли устраивают окна. Перед такими окнами необходимо иметь колодцы-приямки с облицованными камнем, кирпичом, бетоном стенами. Пол приямка должен иметь лоток для сбора воды; сверху над окнами рекомендуется устроить козырьки.

Верх фундаментов и цоколей не всегда бывает ровным и гладким. Для выравнивания по боковым сторонам на 1…3 см выше их поверхности крепят доски с ровными кромками. Пространство в опалубке заливают цементным раствором состава 1/3 или 1/4, выравнивают, разглаживают, просушивают и затем укладывают гидроизоляцию.

Вода размывает не только основание, но и пагубно влияет на конструкцию самого фундамента. Для защиты последнего от воздействия поверхностных вод, появляющихся при выпадении осадков, таяния снега, по периметру здания устраивается отмостка шириной 700 - 800 мм (на 200 мм шире, чем свес крыши) с уклоном в сторону от дома. Она должна иметь подготовку (толщиной не менее 0.15 м) из уплотненного местного грунта или глины с последующей засыпкой щебнем, гравием или кирпичным боем, которая сверху покрывается слоем асфальта или цементного раствора либо тротуарной плиткой. Прямо под бровкой отмостки следует устроить дренаж, который не только отведет поверхностные воды, но и снизит нагрузку на гидроизоляции подземной части фундамента.

Для защиты от капиллярной влаги в месте соприкосновения кирпичной кладки с бетоном по всему сечению наружных и внутренних стен прокладывается гидроизоляционный слой из рулонных материалов (например, из двух слоев гидростеклоизола на битумной мастике). Если фундамент устроен из сборных элементов, а дом имеет подвал, то такой слой нужно проложить на уровне пола подвала.

При сухих грунтах вертикальная гидроизоляция наружной поверхности фундамента ограничивается обмазкой битума два раза.

Если уровень грунтовых вод превышает глубину заложения фундамента, то необходимо применить оклеечную гидроизоляцию из рулонных материалов. В ряде случае рекомендуется насыпать под фундамент слой из щебня, пропитанного битумом. При высоком уровне и большом напоре грунтовых вод устраивают дренаж, который надежно защитит фундамент от воздействия влаги.

Следует отметить, что описанный выше подход к устройству гидроизоляции традиционный и в чем-то устаревший. В последнее время часто применяется технология проникающей гидроизоляции, основанная на свойстве состава самостоятельно заполнять все пустоты, образуя в них кристаллы. Но стоимость такой гидроизоляции довольно высока.

При устройстве фундаментов зданий следует предусматривать меры по защите оснований от промерзания. На глубину промерзания влияют климат (температура, высота снежного покрова), вид грунта и внутренняя температура здания.

Непромерзающими видами оснований являются скала, крупный песок, гравий. Ясно, что на промерзающих грунтах фундаменты следует закладывать ниже глубины промерзания почвы.

Рис.2

а - величина просадки; б - величина пучения; в - величина бокового сдвига; У.П.Г. - уровень промерзания грунта;

1 - просадка фундамента (А < Б);

2 - выпучивание фундамента при заложении его подошвы выше У.П.Г. (А<Б+В1);

3 - отрыв и выпучивание верхней части фундамента при заложении ниже У.П.Г. (А<В1);

4 - боковой сдвиг фундамента;

А - нагрузки на фундамент;

Б - сопротивление грунта;

В - вертикальные силы морозного пучения грунта;

В1 - касательные силы морозного пучения грунта;

Г - силы бокового давления

Ошибкой многих индивидуальных застройщиков является уверенность, что чем глубже заложен фундамент, тем лучше, и что такое решение уже само по себе обеспечивает его надежную работу и устойчивость. Действительно, при расположении подошвы фундамента ниже уровня промерзания грунта вертикальные силы морозного пучения перестают действовать на нее снизу, однако касательные силы морозного пучения, действующие на боковые поверхности, могут и в этом случае вытащить фундамент вместе с промерзшим грунтом или оторвать его верхнюю часть от нижней. Такие случаи наиболее вероятны при устройстве фундаментов из камня, кирпича или мелких блоков, особенно под легкими зданиями и сооружениями.

Чтобы не допустить деформации фундаментов на пучинистых грунтах, необходимо не только расположить их подошву ниже уровня промерзания грунтов и тем самым избавиться от непосредственного давления мерзлого грунта снизу, но надо также нейтрализовать касательные силы морозного пучения, действующие на боковые поверхности фундамента. Для этой цели внутри фундамента на всю его высоту закладывают арматурный каркас, жестко связывающий верхнюю и нижнюю части фундамента, а основание делают уширенным, в виде опорной площадки-анкера, которая не позволяет вытащить фундамент из земли при морозном пучении грунта.

Такое конструктивное решение гарантирует стабильную работу фундаментов при любых вертикальных деформациях грунта, однако, практически оно возможно лишь при использовании железобетона. Если фундаменты возводят из камня, кирпича или мелких блоков без внутреннего вертикального армирования, необходимо их стены делать наклонными (сужающимися кверху). Такой способ устройства фундаментных стен и столбов при тщательном выравнивании их поверхностей значительно ослабляет боковое вертикальное воздействие пучинистых грунтов на фундамент.

Дополнительными мерами, уменьшающими влияние сил морозного пучения, могут быть:

покрытие боковых поверхностей фундамента скользящим слоем (отработанное машинное масло, полиэтиленовая пленка);

утепление поверхностного слоя грунта вокруг фундаментов (шлак, керамзит, пенопласт), при котором уменьшается местная глубина промерзания грунта. Последнюю меру можно применить и для ранее построенных мелкозаглубленных фундаментов, нуждающихся в защите от морозного пучения.

В районах с высоким расположением грунтовых вод на фундаменты малоэтажных зданий воздействуют силы морозного пучения. В тяжелых пучинистых грунтах (водонасыщенные глины, суглинки, супеси, мелкие и пылеватые пески) эти силы достигают 100…150 кПа (10…15 тс/м2) и, действуя на фундамент снизу вверх, часто превосходят нагрузки вышерасположенных конструкций. При этом сезонные вертикальные перемещения поверхностного слоя грунта при его промерзании на 1…1,5 м составляют 10…15 см. Перекошенные крыльца, террасы, веранды, а иногда и стены домов - в подавляющем большинстве случаев результат действия именно сил морозного пучения грунтов.