Основные причины деформаций
Основные причины осадок и деформаций можно разделить на две группы:
1. 0бщие причины, связанные с особенностями инженерно-геологических и гидрогеологических условий и физико-механических свойств грунтов.
К ним относятся:
а) способность грунтов к упругим и пластическим деформациям (просадкам, оползням, карстовым явлениям и т. п.) под влиянием нагрузки;
б) неоднородное геологическое строение основания, приводящее к неравномерному сжатию и перемещением грунтов под воздействием веса сооружения;
в) пучение при замерзании водо-насыщенных и оттаивание мерзлых льдо-насыщенных грунтов;
г) изменение гидротермических условий, связанных с сезонными и многолетними колебаниями температуры и уровня грунтовых вод.
2. Частные причины, связанные с погрешностями, возникающими при изысканиях и проектировании, с особенностями производства строительных работ, эксплуатацией сооружений и т. п.
К ним относятся:
а) недостаточно правильная планировка участка, плохой дренаж атмосферных и паводковых вод;
б) неточности, допущенные при проведении инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий;
в) искусственное понижение или повышение уровня грунтовых вод при проведении строительных работ;
г) увлажнение лессовидных и оттаивание мерзлых грунтов;
д) ослабление основания подземными разработками, приводящее к смещению всей толщи напластований над выработками или к выносу частиц грунта в выработанное пространство;
е) возведение (в непосредственной близости) новых крупных сооружений;
ж) изменение давления, вызванное надстройкой, переменной загрузкой и т. п.;
з) неравномерное распределение давления сооружения по подошве фундамента (ступенчатые надфундаментные конструкции);
и) форма, размеры и конструктивная жесткость фундамента;
к) вибрация фундаментов, вызываемая работой всевозможных машин или интенсивным движением транспорта.
1.5.4.Геодезические знаки, используемые для измерений осадок сооружений методом геометрического нивелирования
1.5.4.1. Общая классификация знаков
Для измерения деформаций оснований и сооружений при производстве строительных работ и научных исследований, в зависимости от целей наблюдений, а также геологических и гидрогеологических условий, используются следующие геодезические знаки:
1. Реперы- исходные знаки высотной основы.
Глубинные (незаиляемые трубчатые, свайные и др.), фундаментальные (железобетонные, трубчатые, скальные и др.), грунтовые или рабочие (бетонные, трубчатые и др.) и стенные (из литья, изготовленные в мастерских и др.).
2. 0садочные марки - для наблюдений за осадками фундаментов зданий, промышленных и гидротехнических сооружений.
Стенные закрытые, шкаловые, магнитные, плитные, цокольные, боковые, кордонные, трубомарки, поверхностные, временные, стенные открытые и др.
3. Глубинные марки - для измерения деформаций в основаниях земляных и бетонных сооружений.
Трубчатые, железобетонные плиты-марки, металлические плиты -марки, камерные, закладные (укороченные) и др.
4. Поверхностные марки - для измерения осадок и просадок дневной поверхности. Грунтовые, поверхностные временные и др.
1.5.4.2. Количество и размещение геодезических знаков
Исходные высотные знаки (реперы)
Измерение осадок зданий и сооружений производится путем периодического нивелирования высотных знаков, закладываемых согласно проекту, составляемому при организации наблюдений.
К проекту прилагается схема нивелирных ходов с указанием размещения закладываемых реперов и осадочных марок. Установка высотных знаков обычно осуществляется строительной организацией при участии специалистов, наблюдающих за осадками.
При измерении осадок сооружений к исходным высотным знакам предъявляются следующие требования:
1) длительное сохранение неподвижности;
2) надежный контроль за устойчивостью;
3) возможность передачи с них отметок на марки, заложенные м сооружения (при помощи одной или двух установок инструмента).
Опыт показывает, что исходными высотными знаками для наблюдений за осадками наиболее ответственных сооружений могут служить глубинные реперы той или иной конструкции. При этом количество реперов на строительной площадке должно быть достаточным для того, чтобы можно было взаимно контролировать их устойчивость и чтобы возможная ошибка измерения высотного положения осадочных марок не выходила за пределы +-1.0 мм. Пример размещения глубинного репера относительно сооружения представлен на рис. 153.
Вновь установленные реперы привязываются не ранее чем через один месяц к знакам местного высотного обоснования, от которых производилась съемка данного участка или выполнялись разбивочные работы. 0 выполненной привязке составляется акт с приложением схемы размещения знаков, разреза их конструкции и краткой характеристики грунтов, в которых они заложены.
Периодическая проверка высотного положения реперов, установленных для измерений осадок сооружений, выполняется в каждом цикле наблюдений сравнением взаимных превышений.
Рисунок 153 - Минимальное удаление глубинного репера от сооружаемого здания:1-глубинный репер, 2-график дополнительного (к природному) давления в грунтах, 3-изобары в долях давления (р), 4-практическая граница сжимаемой толщи, 5-график природного давления, 6-плоскость, проведенная от грани фундамента, 7-ширина ленточного фундамента, Рбz’- природное давление на глубине z’, Рz’- дополнительное к природному давление на той же глубине.
Осадочные марки
Ценность и полнота наблюдений осадок во многом зависит от количества, правильного размещения и сохранности осадочных марок.
В практике измерений иногда стремятся общее количество осадочных марок довести до возможно большего числа, полагая, что избыточное количество их поможет в дальнейшем избежать грубых ошибок, так как величины осадок соседних марок в известной степени будут контролировать друг друга.
Такое стремление следует считать неправильным, ибо излишнее число марок увеличивает время, необходимое для проведения измерений, что влечет за собой увеличение невязки в полигонах за счет вертикальных смещений узловых осадочных марок. Вместе с тем недостаточное количество марок не может отразить в полной мере характер перемещений и деформаций фундамента.
При составлении проекта размещения нивелирных марок необходимо учитывать конструктивную схему здания или сооружения, его размеры в плане, давление на отдельные части фундамента, геологические и гидрологические особенности строительной площадки, а также и создание благоприятных условий для проведения измерительных работ.
Количество марок должно быть таким, чтобы с его помощью можно было полнее отразить величины осадок, кренов и прогибов частей сооружения. Марки должны размещаться по всему фундаменту, полностью обеспечивая выявление мест наибольшей осадки сооружений. Пример размещения марок представлен на рис. 154.
На основании действующих указаний по наблюдению за осадками фундаментов на гражданских зданиях марки следует размещать по их контуру через 10 - l2 м. При этом необходимо устанавливать их на углах зданий, в местах примыкания продольных и поперечных стен и у осадочного шва (по обе его стороны). При ширине здания более 15 м марки необходимо устанавливать также в лестничных клетках и на продольной внутренней стене.
На промышленных и сборно-каркасных гражданских зданиях марки устанавливаются на несущих колоннах и на фундаментах наиболее ответственных агрегатов, а также по контуру здания и внутри его, причем расстояние между марками должно быть не более 10 м.
Рисунок 154 - Размещение марок на зданиях с резкими переходами по высоте
Марки необходимо устанавливать также на всех углах здания, по обеим сторонам осадочных швов, а для определения величины прогиба - на несущих конструкциях по продольной и поперечной осям здания (от 3 до 7 марок).
Для многоэтажных зданий или промышленных сооружений, имеющих сплошную фундаментную плиту, марки следует размещать на разбивочных поперечных и продольных осях плиты и по ее контуру из расчета одной марки на каждые 100 м2. площади. Причем общее размещение марок должно обеспечивать возможность проведения линий равных осадок сечением через 5 - 10 мм.
Для всех зданий и сооружений нивелирные марки следует закладывать в местах наибольших ожидаемых осадок и в местах изменения высоты сооружений (рис. 154).
В связи с этим для крупных и сложных сооружений местоположение осадочных марок должно согласовываться со строителями, чтобы участки с наибольшими напряжениями были полностью обеспечены марками. Нельзя устанавливать марки в перегородках и любого типа заполнениях.
На абсолютно жестких сооружениях (фундаменты дымовых труб, доменных печей, турбогенераторов, мостовых быков, силосов, элеваторов и т. п.) допускается установка четырех марок по их периметру. Это обстоятельство позволяет весьма просто контролировать высотное положение центральной части фундамента (как среднее из отметок его углов).
На выстроенных зданиях и сооружениях с явными признаками деформаций количество марок надлежит увеличивать, особенно насыщая ими зоны трещин.
Рисунок 155 - Размещение марок на колоннах и углах здания
Размещение марок должно предусматривать свободный доступ к ним и возможность установки рейки на знаки так, чтобы всякого рода выступы не мешали держать ее отвесно. Кроме того, при закладке марок в сплошные ж/б плиты или внутренние несущие стены подвала необходимо учитывать будущее расположение дверей, дополнительных перегородок и пр., которые могут впоследствии закрыть марку.
Размещение марок на колоннах внутри здания и снаружи по его периметру приведено на рис. 155. Следует подчеркнуть, что марки на углах здания надлежит устанавливать на биссектрисах, как, например, марка М-10 на линии l-l.
Для производства нивелирования следует предусматривать установку необходимого количества связующих марок вместо переходных башмаков. Сохранности марок должно быть уделено особое внимание; всякое повреждение или неоправданная перестановка их вызывает дополнительную ошибку в последующем определении их нового положения. Вместе с тем практика показывает, что перестановки некоторой части марок все же избежать не удается. Примеры размещения марок на консолях или уступах фундамента представлен на рис. 156; пример размещения марок на крупнопанельных зданиях – на рис. 157.
Рисунок 156 - Размещение марок на консолях или уступах фундамента:
1-марка на уступе обреза фундамента, 2-первый ряд облицовки, 3-цоколь, 4-фундамент бутовый, 5-железобетонная плита, 6-марка на консоли железобетонной плиты, 7-облицовка, 8-цоколь, 9-фундамент железобетонный.
Рисунок 157 - Размещение осадочных марок на крупнопанельных зданиях: а) над каркасом; б) с поперечными несущими стенами; в) с продольными несущими стенами.
В таких случаях при перестановке стремятся к тому, чтобы все вновь установленные марки располагались либо на старых местах, либо на тех же вертикалях, над которыми находились старые марки.
1.5.5. Измерение осадок фундаментов зданий и сооружений методом нивелирования III класса
1.5.5.1. Общие сведения
Одним из распространенных методов для массовых измерений вертикальных перемещений фундаментов на сильно сжимаемых, оттаивающих и просадочных грунтах является нивелирование III класса.
Этот метод может с успехом применяться во всех случаях и для любого сооружения, если средняя скорость осадки его превышает 5 мм в месяц. При меньшей скорости осадок, которая обычно бывает в эксплуатационный период, этот метод по точности себя не оправдывает.
Измерение осадок фундаментов состоит в периодическом повторном нивелировании марок, установленных на сооружении, от исходных (практически неподвижных) реперов.
Процесс организации и измерения осадок фундаментов нивелированием III класса складывается из следующих этапов:
1. Размещение и установка знаков высотной основы.
2. Выбор геодезических инструментов.
3. Производство нивелирования III класса.
4. Упрощенные наблюдения за скоро протекающими просадками.
5. Камеральная обработка результатов нивелирования.
1.5.5.2. Размещение и установка знаков высотной основы
Для измерения осадок зданий или сооружений на их частях устанавливают осадочные марки.
В качестве марок применяют штыри или болты с полусферической головкой, отрезки из стали углового профиля или закрытые марки.
Марки закладывают в уступах фундамента или в несущих стенах, цоколях и колоннах каркаса зданий и сооружений.
В качестве исходных высотных знаков для нивелирования могут служить две группы грунтовых реперов, закладываемых в 50 - 70 м по разные стороны от воздвигаемого сооружения. В случае невозможности установить грунтовые реперы можно обойтись двумя группами стенных реперов, закладываемых на старых зданиях (со стабилизировавшейся осадкой).
1.5.5.3. Выбор геодезических инструментов
Для измерения осадок фундаментов можно применять все типы нивелиров, обеспечивающих точность нивелирования III класса, т. е. нивелиры со зрительными трубами, имеющими 30 - 35-кратное увеличение, и с уровнями (при трубе), имеющими цену деления 12 - 15" на 2 мм дуги. Для контактных уровней цена деления может быть понижена до 30" на 2 мм дуги.
Рейки 1-, 2- и 3-метровой длины должны быть двухсторонними, шашечными (желательно с полу сантиметровыми делениями) и с уровнями. Могут также применяться штриховые рейки с двумя шкалами.
Погрешности в нанесении дециметровых штрихов и в положении пятки рейки не должны превышать +-0,5 мм.
Перед началом работ нивелир должен быть проверен, а рейки исследованы при помощи контрольного метра.
Величину угла i у нивелира определяют двойным нивелированием в первые дни работы ежедневно, при ее постоянстве это определение выполняют через 3 - 5 дней. Круглые уровни при рейках проверяют по отвесу ежедневно.
1.5.5.4. Производство нивелирования III класса
Как правило, нивелирование III класса выполняют по инструкции. Специфические особенности, отличающие нивелирование для измерения осадок фундаментов от общегосударственного нивелирования:
1. Нивелирование для измерения осадок выполняется короткими лучами при расстояниях от нивелира до рейки от 4 до 30 м; при этом инструмент устанавливают в середине так, чтобы высота визирного луча над почвой или над препятствиями была не менее 0,3 м.
2. Нивелирование можно выполнять в любое время дня и ночи. Работы следует прекращать только при сильном ветре и дожде, в жаркую погоду, порождающую конвекционные токи воздуха, и в сильный мороз (- 
и ниже).
3. В первом цикле нивелирование выполняют дважды, при этом второй (дублирующий) цикл производят немедленно вслед за первым.
Расхождения в отметках, полученных из двух таких нивелировок одноименных марок, не должны превышать 3 мм.
Как правило, нивелирование ведут замкнутыми ходами или в прямом и обратном направлениях при двух горизонтах инструмента по маркам и переходным башмакам. В качестве последних лучше применять специальные штыри или гвозди с полусферической головкой (диаметром 15 - 20 мм), забиваемые в твердое покрытие тротуаров, проездов или в швы кладки. При производстве нивелирования особое внимание должно быть обращено на устойчивость инструмента.
4. Нивелирование в каждом цикле наблюдений выполняют по одним и тем же направлениям, в связи с чем на строительной площадке фиксируются постоянные места установки инструмента.
5. Начало каждого цикла нивелирования желательно приурочивать к окончанию определенного этапа строительных работ (кладка цоколя, стен по этажам и т. п.).
6. Одновременно следят за возможными деформациями сооружений (трещины, перекосы, сдвиги и пр.), которые фотографируют или зарисовывают, и в журнале наблюдений отмечают даты их появления, величину и ход развития во времени. В нивелирных журналах отмечают давление на грунты основания, выраженное в кг/см2 (или в процентах от общего веса сооружения), а также обстоятельства, которые могут дополнительно повлиять на величину осадки (колебание уровня грунтовых вод, возникновение рядом нового строительства, забивка свай и т. п.).
1.5.5.5. Упрощенные наблюдения за скоро протекающими просадками
В практике измерений может встретиться случай, когда скорость просадки фундаментов весьма велика (>5 мм/сутки), а времени на организацию наблюдений недостаточно. Тогда могут быть рекомендованы два следующих упрощенных и быстрых способа наблюдений:
А) 1-ый способ. Выбирают и отмечают мелом хорошо выраженные точки для установки реек на базах колонн внутри здания, по периметру цоколя, на строительных уступах, порогах, оконных или дверных проемах и т. п., и производят их нивелирование по методике III класса.
Через 1 - 3 дня нивелирование повторяют и по разностям превышений первой и второй нивелировок определяют наиболее устойчивые точки фундамента, т. е. точки с минимальным значением относительной осадки. В последующих наблюдениях нивелирование производят от этих точек фундамента, как от реперов. От них вычисляют условные отметки и относительные осадки остальных точек здания или сооружения.
Б) 2-ой способ. При отсутствии указанных хорошо выраженных точек на элементах несущих конструкций относительные осадки можно определять следующим образом. С одной (выбранной для всех нивелировок) станции последовательно наводят зрительную трубу нивелира на неустойчивые части сооружения, проектируют на их вертикальные плоскости горизонтальную нить, отмечают на этих плоскостях ее положение карандашом и рядом с отметкой горизонта записывают дату. При последующих наблюдениях нивелир устанавливают на том же месте и примерно на той же высоте, а на стенах или колоннах здании снова карандашом отмечают горизонт инструмента. После этого линейкой измеряют разности между двумя отмеченными горизонтами в двух циклах наблюдений.
Наименьшую из измеренных разностей условно принимают за исходную и последовательно вычитают ее из всех других разностей. В результате получают относительное приращение осадок каждой колонны или участка стены.
1.5.5.6. Камеральная обработка результатов нивелирования
После уравнивания высотной сети (например, по способу Попова В.В.) вычисляют отметки (высоты) осадочных марок и определяют следующие характеристики:
1) величину осадки между двумя последними циклами наблюдений:
где n- очередной цикл наблюдений;
2) определяют суммарные осадки марки с начала наблюдений:
3) определяют неравномерность осадок фундаментов в текущем цикле:
где 1,2 - номера осадочных марок;
4) определяют наклон фундаментов:
5) вычисляют величину относительного прогиба 2f вдоль оси фундамента:
гдеS1,S3- осадки точек 1 и 3 , фиксированных на краях фундамента,
S2- осадка точки 2, расположенной между точками 1 и 3,
l - расстояние между точками 1и 3;
6) определяют скорость деформации:
где t - период наблюдений,
Sn - осадка некоторой марки n.
Для наглядности деформации составляют следующие графические материалы:
¨ профили осадок;
¨ план кривых равномерных осадок;
¨ графические осадки оснований во времени;
¨ графики наклона фундаментов по линии марок.
Примеры графических материалов представлены на рисунке 158.
1.Профили осадок
2. План кривых равных осадок
3. График осадок оснований во времени
4. График наклона фундаментов по линии марок
Рисунок 158 – Примеры графических материалов
1.5.5.7. Точность геодезических наблюдений за осадками
При изучении деформаций инженерных сооружений геодезическими методами возникает необходимость определения (или назначения) точности измерений. Важность этого вопроса несомненна, т.к. от его решения зависит выбор метода и инструментов для измерений и, в конечном счете , затраты времени и денежных средств на их производство. Однако во многих случаях точность измерения задается или принимается без достаточного обоснования. Кроме того, для наблюдений, охватывающих различные по характеру периоды, или для различных по режиму объектов одного и того же сооружения принимается одинаковая точность и соответственно методика измерений.
Хотя для всех случаев практики на сегодняшний день строгого математического решения этого вопроса дать нельзя, однако, возможно установить принципы обоснования точности. Для этого необходимо исходить из целей наблюдений.
Надлежащая точность измерений определяется в первую очередь теми задачами, которые должны быть решены на основе анализа фактических величин осадок сооружений; при этом необходимо разграничивать требуемую точность наблюдений для практических и для научно-исследовательских целей.
Применение современных отечественных приборов и целесообразной методики измерений могут обеспечить определение осадок сооружений с точностью до десятых и сотых долей миллиметра. Эта практически достижимая точность измерений в настоящее время может считаться достаточной для работ с научно-исследовательскими целями.
Точность измерения осадок сооружений для целей строительной практики в каждом отдельном случае устанавливается самостоятельно, в первую очередь в зависимости от чувствительности конструкций к неравномерным осадкам, характера залегания грунтов в основании сооружения и от конкретных условий, в которых будут проводиться измерения. Другим фактором, влияющим на установление точности измерения осадок фундаментов, является скорость осадок, определяемая кратковременностью или значительной длительностью периода предстоящих наблюдений. В первом случае определение вертикальных смещений производится с более высокой степенью точности, так как только тогда можно будет относительно быстро и уверенно установить величину и закономерность хода осадок.
Во втором случае, при более длительных наблюдениях, требования к точности измерений могут быть несколько снижены, так как на относительно большом промежутке времени величина осадки будет более ощутимой.
Если речь идет об измерениях осадок уникальных и крупных сооружений, создающих в основаниях значительные давления, а также об измерениях для расчета скоростей осадок, тогда такие измерения выполняются с максимально возможной точностью.
Когда необходимую точность измерений устанавливают в зависимости от неравномерности осадок, то заранее определяют предельные значения деформаций оснований зданий и сооружений по второй графе нормативной таблицы 17. Чтобы обеспечить взятое предельное значение деформации Sпред. надлежащей точностью нивелирования, следует использовать третью графу той же таблицы, где приведены предельные ошибки 
пред, измерения превышений на одной станции.
Вопрос установления предельной ошибки пред. измерений превышений на станции для каждой конкретной задачи в настоящее время недостаточно разработан. Поэтому предельные ошибки измерения превышений, помещенные автором в третьей графе таблицы, имеют эмпирический характер и представляют собой условно взятые величины - десяти процентные части соответствующих значений предельно допустимой деформации основания.
Как показал опыт, принятое количественное соотношение между двумя нормируемыми величинами практически обеспечивает точность измерения осадок +-1 мм. Изложенный подход к установлению точности измерения превышений оправдан еще и тем, что расчет деформаций и основных несущих конструкций зданий и сооружений обычно выполняется округлением до миллиметров.
Таблица 17
| Наименование нормируемых величин | Предельные деформации оснований песчаных и глинистых грунтов, Sпред. | Предельные ошибки измерения превышений на одной станции, в зависимости от расстояний между марками, +- пред |
| 1. Разность осадок фундаментов колонн зданий: а) для железобетонных и стальных рамных конструкций; 6) для крайних рядов колонн с кирпичным заполнением фахверка; в) для конструкций, в которых не возникает дополнительных усилий при неравномерной осадке фундаментов (l-расстояние между осями фундаментов в м) 2. Относительный прогиб (перегиб) несущих стен многоэтажных зданий (в долях от длины изгибаемого участка стены): а) крупнопанельных бескаркасных; б) крупноблочных и кирпичных неармированных; в) крупноблочных и кирпичных, армированных железобетонными или армокирпичными поясами 3. Относительный прогиб (перегиб) стен одноэтажных промышленных зданий (и им подобных) 4. Крен сплошных или кольцевых фундаментов высоких жестких сооружений: дымовых труб, водонапорных башен, силосных корпусов и т. п. (Н - высота в м) | 0,002l 0.0007l -0.0010l 0.005l 0.0005 - 0.0007 0.0007- 0.0010 0.0010 - 0.0013 0.001 0.004H | 0,0002l 0.00007l - 0.0001l 0.0005l 0.00005 - 0.00007 0.00007- 0.00010 0.00010 - 0.00013 0.0001 0.0004H |
Для равномерных осадок, если имеемSi=Hi-H1 то:
Пусть 
тогда 
ПустьSкр -критическая осадка для сооружения, тогда
гдеt- нормированный коэффициент (t=2,3,4).
Тогда
Для неравномерных осадок если имеем 
то
Пусть 
тогда 
Пусть 
- критическая величина неравномерной осадки, то
