Маковская Наталия Анатольевна - к.т.н., ст.научн.сотр.
Основные направления научной деятельности - вибрационная техника, технология свайных работ, обследование зданий и сооружений. Автор более 50 опубликованных работ.
Глозман Лариса Михайловна - к.т.н., ст.научн.сотр.
Основные направления научной деятельности - геотехнический мониторинг зданий и сооружений и оценка поведения конструкций при различных видах динамических воздействий. Автор более 50 опубликованных работ.
Как известно, Санкт-Петербург – город, изначально задуманный в 1703 г Петром I как столица государства Российского, строился, в противовес Москве, по строгому градостроительному плану, разработанному Леблоном.
Для возведения монументальных строений и дворцов вельмож приглашались самые видные живописцы и архитекторы того времени, которым предоставлялась возможность создавать свои уникальные творения. В результате вырос замечательный город, по сей день считающийся одним из самых красивых городов мира.
Город имеет плотную застройку, особенно в центральных районах. В настоящее время в этих же районах ведется активная строительная деятельность по возведению новых элитных домов зачастую в тесном примыкании к существующим зданиям.
Город строился, как говорилось в старину, «на гиблом месте» - в болотистой низине дельты Невы.
Для современного Санкт-Петербурга характерен ряд неблагоприятных факторов, которые усугубляются тесной застройкой:
· возраст абсолютного большинства существующих зданий значительно превышает нормативный срок эксплуатации – 100 лет;
· сложные и неблагоприятные инженерно-геологические условия, из которых наибольшее значение имеют сильная сжимаемость грунтов, высокий уровень грунтовых вод и грунтовая микрофлора;
· влажный холодный климат;
· неудовлетворительное состояние городских коммуникаций;
· развитое подземное строительство, осуществляемое в среде тесной застройки в неблагоприятных геологических и гидрогеологических условиях; этот фактор является наиболее существенным, поскольку чаще всего приводит к аварийному состоянию существующих строений;
· распространение порочной практики капитального ремонта наземной части аварийных домов без надлежащего усиления конструкций фундаментов;
· в Санкт-Петербурге, особенно в центральной его части, имеется большое количество зданий, являющихся историческими и архитектурными памятниками, находящимися под охраной КГИОП; это обстоятельство в значительной мере сужает диапазон технически возможных способов ведения работ в непосредственной близости от охраняемых зданий или сооружений.
Наиболее надежным инструментом контроля за обеспечением сохранности существующих зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от места производства работ, является геотехнический мониторинг всех стадий технологического процесса нулевого цикла.
В состав мониторинга входит:
· Оценка технического состояния зданий и сооружений, находящихся в зоне действия мониторинга:
- фотофиксация и графическая фиксация конструкций;
- составление схем дефектов;
- оценка категории зданий и сооружений по их состоянию;
- определение допустимых осадок.
· Геотехнический прогноз влияния на здания и сооружения изменения статических условий работы массива грунта при устройстве котлована и шпунтовом ограждении.
· Установка системы маяков на имеющихся трещинах зданий, входящих в зону действия мониторинга.
· Организация геодезической сети контрольных марок и знаков для определения возможных осадок и кренов зданий и сооружений, входящих в зону действия мониторинга.
· Организация системы контроля за параметрами колебаний фундаментов существующих зданий и сооружений и грунтов в их основании.
Сейсмодатчики устанавливаются на объектах, входящих в зону действия мониторинга, при ведении следующих видов работ:
- погружение и извлечение шпунта на участках, удаленных от охраняемых строений на расстояние менее 25 м;
- экскавация котлована в той же зоне;
- устройство свай на участках, удаленных на расстояние менее 20 м от охраняемых строений.
Геотехнический мониторинг осуществляется согласно действующим нормам (ТСН -50 - 302-96, ВСН 490-87).
Как было сказано выше, целью мониторинга является обеспечение безопасности строений, расположенных в окружающей среде (соседней застройки и грунтов оснований сооружений).
К настоящему времени накоплен значительный опыт наблюдений за состоянием зданий и сооружений, представляющих архитектурно-историческую ценность и оказывающихся в зоне риска при ведении работ по реконструкции.
Среди них дом Монферрана, Юсуповский дворец на Мойке, северо-восточная часть колоннады Казанского собора, здание АБДТ им. Товстоногова.
Характерными особенностями памятников архитектуры, которые следует учитывать при организации геотехнического мониторинга, являются:
· многократное перестраивание помещений зданий в период эксплуатации, в результате чего нарушается изначальная жесткость отдельных объемов, что, как правило, приводит к развитию непредсказуемых деформаций несущих конструкций, тем более при возникновении внешних воздействий;
· конструкции стен и перекрытий подчеркиваются средствами декора, что обусловливает наличие толстого слоя штукатурки, покрывающей массивные стены из кирпича и деревянные перекрытия, при этом поверхности стен богато украшаются архитектурными деталями или росписью в стиле «гризайль», создающей иллюзию рельефности; в перекрытиях используются всевозможные балки, своды, украшенные живописью и рельефами, кессонные поля;
· применение многослойной конструкции перекрытий, один из слоев которых предназначен для восприятия веса декоративного штукатурного слоя;
· перекрытие помещений с пролетом свыше 6,0 м;
· ощутимая зыбкость полов в отдельных помещениях;
· дворцы, будучи изначально частным владениями часто изменяли свое функциональное назначение, так, например, дворцы превращались в музеи, активно посещаемые экскурсантами. Это значит, что в помещениях ежедневно, практически непрерывно проходят большие группы людей, создающие своим весом и передвижением дополнительную нагрузку на перекрытия здания, которые со дня строительства не подвергались капитальному ремонту;
Уникальные сооружения подобного типа не должны приравниваться к обычным строениям, поэтому допускаемые деформационные и динамические параметры должны определяться не только на основе действующих нормативов (преимущественно относящихся к рядовым зданиям), а индивидуально опытным путем с учетом фактического состояния ограждающих и несущих конструкций.
Важнейшим звеном геотехнического мониторинга является проведение наблюдений за параметрами колебаний массива грунта и окружающих зданий при ведении работ, оказывающих динамическое воздействие на основание.
Задача об исследовании сооружений на действие сейсмических волн является очень сложной и многофакторной по своей природе. Эффект действия внешних сил, возникающих при таких воздействиях, как известно, зависит не только от величины этих сил, но также от динамических свойств сооружения. Конструктивные элементы сооружения, получают перегрузки, которые зависят как от параметров сил внешнего воздействия, так и от соотношения динамических свойств самого сооружения в целом и данного конструктивного элемента.
Для получения более полных и достоверных сведений о сейсмических воздействиях необходимо записывать одновременно три кинематических параметра колебательного процесса – смещение, ускорение, скорость. Это объясняется большой сложностью колебательного процесса. Каждый из кинематических параметров содержит не только общие свойства исследуемого явления, но и несет в себе определенную, присущую только ему информацию. Например, на записях смещений в большой мере проявляются низкочастотные колебания, по которым четко прослеживается волновая картина и определяется природа волн (продольных, поперечных, поверхностных). Амплитуда смещений позволяет определить жесткость конструкции, вычислить параметры деформаций в отдельных точках сооружений и на грунтах: по сейсмограммам возможно более точное изучение напряженно-деформированного состояния конструкций, имеющих большие периоды собственных колебаний (высотные и гибкие здания); по амплитудам смещений, полученным на грунте, определяется интенсивность сейсмического воздействия.
Записи ускорений характеризуют сейсмическое воздействие на объекты наблюдений. По ускорению определяется сейсмическая нагрузка на сооружения. По акселерограммам осуществляется расчет строительных конструкций на сейсмические воздействия с учетом упругопластических деформаций. Применяемые для записи ускорений приборы являются наиболее устойчивыми и надежными из всех механических систем, используемых для регистрации сильных воздействий.
Скорость колебаний пропорциональна плотности сейсмической энергии, поэтому является важным параметром для оценки сейсмического воздействия и реакции сооружений с энергетической точки зрения.
Инструментальные наблюдения за сейсмическим эффектом выполняются многоканальным методом, т.е. производится регистрация колебаний в нескольких точках и по нескольким составляющим одновременно. Соответственно на сейсмограмме регистрация осуществляется на нескольких дорожках сразу. Такой способ дает возможность сравнивать между собой движения грунта и здания в различных точках одновременно.
Ниже на одном из примеров наблюдений, выполненных НПФ «Геореконструкция», рассмотрен процесс исследования сооружений на действие сейсмических волн.
При реконструкции набережной левого берега реки Мойки за Почтамским мостом, 80-94, находящейся в аварийном состоянии, проводились работы с использованием вибрационной технологии погружения свай и шпунта. При этом применялись высокочастотные вибропогружатели В-402А для погружения шпунта и ВШ-1 для погружения свай, обеспечивающие внедрение элементов в грунт в процессе сильного разжижения последнего, благодаря чему присоединенная масса грунта (окружающий массив) практически исключался из вибрационного процесса, а динамическое воздействие на охраняемые конструкции сводилось к минимуму. На левом берегу Мойки охраняемыми объектами служили дом Монферрана (1834 года постройки), особняк "Мойка, 90" (1828 года постройки) и Юсуповский дворец (1760 года постройки см. рис. 1).
Рис. 1. Юсуповский дворец.
Высокочастотное погружение свай и шпунта предполагает строгое соблюдение технологического регламента, в частности, обязательное включение схемы динамического торможения в момент остановки двигателя вибратора. При малейшем проявлении отрицательного воздействия производственных процессов на конструкции охраняемых объектов работы приостанавливались для оперативной разработки и осуществления необходимых охранных мероприятий. Например, при встрече вибропогружаемых элементов с препятствиями во избежание виброударного режима, сопровождаемого значительным сейсмическим воздействием, работа прекращалась, препятствие разрабатывалось статическими методами.
Оценка технического состояния зданий, входящих в зону действия мониторинга, показала, что все вышеуказанные объекты по состоянию ограждающих и несущих конструкций относятся к III группе. В связи с этим, в отдельных помещениях строений в местах наиболее развитых трещин были установлены гипсовые маяки - на кирпичной поверхности гладко оштукатуренных стен и бумажные – на стенах, украшенных лепкой.
Грунтовые напластования, слагающие строительную площадку, - перемежающиеся слои пластичных супесей и суглинков, а также мелких и пылеватых песков, подстилаемых кровлей ледниковых отложений тугопластичной консистенции, относятся к III группе и характеризуются как сложные.
В соответствии с ВСН 490-87 допустимое ускорение колебаний конструкций охраняемых объектов с учетом класса ответственности сооружений, категории их сохранности и группы грунтов, в уровне фундамента не должно превышать 0,15 м/с2. С учетом архитектурно-исторической ценности зданий нами было введено дополнительное ограничение уровня ускорений колебаний грунта и фундаментов величиной существующего фона от движения транспорта – 0,08 м/с2, а в уровне второго этажа – 0,15 м/с2.
Векторная станция для регистрации колебаний на грунте и здании представляет собой три сейсмоприемника, регистрирующих все составляющие вектора: X, Y, Z .
Сейсмоприемники устанавливались в доме №90 (рис. 2) на стене 1-го этажа (комплект А), в оконном проеме 3-го этажа (комплект В) и на перекрытии 3-го этажа (комплект С).
Рис. 2. Схема расстановки сейсмоприемников.
Рис. 3. Типичная осциллограмма колебаний конструкций дома №90 при вибропогружении свай на пуске двигателя.
Рис. 4. Типичная осциллограмма колебаний конструкций дома №90 при вибропогружении свай в установившемся режиме.
Рис. 5. Типичная осциллограмма колебаний конструкций дома 390 при вибропогружении свай при остановке двигателя вибратора.
На рис. 3, 4, 5 приведены типичные осциллограммы колебаний конструкций дома №90 по наб. реки Мойки на всех стадиях вибропогружении свай (пуск, установившийся режим, выбег), из которых видно:
· при пуске двигателя вибратора происходит рост частоты колебаний от 10 - 12 Гц до 20 - 21,3 Гц в установившемся режиме работы вибропогружателя;
· амплитуды смещения колебаний при пуске двигателя, зарегистрированные в оконном проеме 1-го этажа, составили по Z-составляющей 19,6 мк;
· с увеличением расстояния по высоте здания амплитуды затухают и уменьшаются до 10,5 мк;
· в установившемся режиме амплитуды смещения не превышают 1,5 – 5,6 мк;
· на выбеге двигателя частоты колебаний здания затухают от 20 - 21,3 Гц до 6,2 Гц;
· амплитуды смещения при остановке двигателя возрастают до 32,2 мк.
На рис. 6 приведена диаграмма ускорений колебаний конструкций дома №90 при вибропогружении свай.
Рис. 6. Диаграмма ускорений колебаний конструкций дома №90 при вибропогружении свай.
В результате проведенного динамического мониторинга установлено, что зарегистрированные максимальные значения ускорений колебаний конструкций охраняемых зданий при вибропогружении свай составили на пуске вибратора - 0,076 м/с2, в установившемся режиме работы двигателя – 0,04 м/с2, на выбеге – 0,07 м/с2 и не превысили фоновых значений колебаний.
При погружении шпунта ускорение колебаний конструкций составило 0,06 – 0,08 м/с2 на всех режимах работы вибратора.
Однако, при ведении работ на Мойке, 90 по погружению свай с помощью вибропогружателя ВШ-1 из-за недостатка электроэнергии был отключен шкаф динамического торможения. Применение динамического торможения (уменьшение времени работы электродвигателя при выключении) исключает возможность возникновения резонансных явлений в конструкциях охраняемых объектов. Следствием игнорирования этого факта явилось обрушение штукатурного слоя площадью более 1 м2, при этом ускорение колебаний перекрытий достигало 0,15 - 0,4 м/с2. Этот факт подтвердил тезис об обязательном отслеживании технологического регламента вибропогружения свай и шпунта, а также эффективность принятого критерия безопасности по уровню фоновых колебаний.
Вполне удовлетворительная волновая картина наблюдалась на доме Монферрана и Юсуповском дворце.
Эффект многократного динамического воздействия оценивается по результатам геодезических наблюдений. При этом полученные данные свидетельствуют о том, что превышения нормативных значений осадок для зданий III категории по состоянию – 10,0 мм в ходе производства работ не наблюдалось.
Приведенный пример исследований показывает, что по значениям зарегистрированных параметров колебаний конструкций охраняемых зданий можно судить о том, какое влияние на последние оказывает применяемая в производстве работ технология. В случае превышения нормативных характеристик динамического процесса имеется возможность оперативной корректировки отдельных технологических процессов или замены технологии более щадащей.