Сейсмостойкость фундаментов

Самое опасное для фундамента – глубинные подвижки и сейсмические встряски нижних слоев грунта, их тиктанические разломы, которые являются, может быть, редко, но свое присутствие не отменили. Например, такая опасность имеется даже в Подмосковье и в других областях Нечерноземной зоны России.

Конечно, в Нечерноземной зоне не бывает таких сильных землетрясений, какие происходят в южных, восточных и западных регионах страны. Но в Московской области может быть отзвук землетрясений в 2–4 балла. Эти колебания нечастые, и они во многих случаях не местные, а отдаленное эхо более сильного землетрясения. К примеру, сильное землетрясение в семидесятых годах в Румынии отголоском докатилось до Москвы силой 1–2 балла. Такие слабые колебания не смогут разрушить или повредить здания или сооружения. Но и они опасны, так как способны воздействовать на местное состояние грунта: от детонации могут возникнуть смещение или оседание, вспучивание, что, в свою очередь, повлечет за собой обрушивание склонов холмов и оврагов, оползни, сели и лавины.

Чаще всего перемещение грунтов на склонах проходит как бы исподволь, то есть под верхним почвенным слоем, скрепленным корнями растительности. Но если для того, чтобы разорвать дернину трав, требуется немалая сила, то для того, чтобы разорвать корни деревьев, потребуется усилие, измеряемое тоннами. Происходит это легко и быстро, даже если это эхо детонации далекого от этих мест землетрясения. При этом слабые пласты грунта могут либо осесть на нижние, либо приподняться, образуя при этом провалы, оползни, оседают фундаменты зданий и сооружений, деформируется основание построек.

Рис. 18. Деформации малоэтажных жилых зданий, возведенных на просадочных грунтах, от физико-механических явлений и сейсмика:
а – в результате жестких усилий утяжеленного фундамента и грунта (искривление здания выпуклостью вверх (выгиб) с образованием вертикальных трещин в верхней части стен). Подобная деформация возможна от сейсмического воздействия;
б – искривление здания выпуклостью вниз от усилия изгиба или прогиба наподобие косого среза (от проседания грунта);
в – от местного сжатия по центру здания (просадка) перекрестные трещины, косые сдвиги слева направо и справа налево. В частности зависят от прочности нижних слоев грунта.

Особо опасно такое подземное воздействие для одноэтажных зданий, расположенных в сельской местности, где толчки имеют разностороннюю направленность: вверх-вниз, влево вправо, вперед назад, сдвиг винтом (рис. 18). Как правило, предельное состояние зданий подразделяется на две группы: первая – по потере несущей способности или полной непригодности к эксплуатации, где могут быть повреждения отдельных конструкций (например, конструкций кровельного и станового ограждения, вертикальных связей по колоннам, стоек фахверка и др.) и их остаточные смещения, не угрожающие безопасности людей или сохранности ценного оборудования; вторая группа – по непригодности к нормальной эксплуатации, где в принципе расчет зданий с учетом сейсмических воздействий производится на условные статические нагрузки, определенные по графикам спектрального коэффициента динамичности.

На условные статические воздействия рассчитываются все здания, проектируемые для сейсмических районов, а также на выбор расчетных сейсмических воздействий, которые определяются с учетом характера сейсмического режима в районе строительства, а также детального и микросейсмического районирования. Этот расчет является дополнительным и рекомендуется для особо ответственных зданий и сооружений с пролетами структурных конструкций более 36 м.

Особенности расчета зданий с покрытиями из структурных конструкций обусловлены сравнительно большими пролетами и редким расположением опор. Например, вертикальную составляющую сейсмического воздействия необходимо учитывать при расчете структурных конструкций (включая их горизонтальные напольные участки), капитальных участков колонн, узлов сопряжения структурных конструкций с вертикальными несущими конструкциями, крановых консольных колонн.

Кроме того, выполняются расчеты структурных конструкций покрытия при изгибе из их плоскости на вертикальные сейсмические нагрузки, вертикальных несущих конструкций (колонн) на горизонтальные нагрузки в плоскости покрытия, узлов сопряжений структурных конструкций с колоннами на совместное действие условий от горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок и т. д.

Как известно, идея таких конструкций связана с принятой в нормах спектральной кривой, представляющей собой закон сейсмических колебаний грунта, характеризующий изменение максимальных смещений (линейный осциллятор) в зависимости от периода колебаний. По этой спектральной кривой увеличение периода колебаний конструкций дает возможность значительно снизить давление сейсмических инерционных сил на здание.

Потому такие явления природы, как лавины, сели, оползни и землетрясения, требуют от проектировщиков, архитекторов и инженеров строителей предельной внимательности и самого тщательного соблюдения строительных норм и правил, в частности СНиП II–7 «Строительство в сейсмических районах».

Землетрясение, как известно, характеризуется короткими толчками, исчисляющимися в доли секунды, в несколько секунд. Но этого времени достаточно, чтобы разрушить все слабо укрепленные, не обладающие особой прочностью и гибкостью здания и сооружения. Действительная причина землетрясений обусловлена перемещением блоков земной коры, которые теснейшим образом связаны с процессами тектонического порядка. Эти всплески удары распространяются от точки сдвига, наплыва, разлома на громадные пространства в виде детонационных отзвуков и полос.

Рис. 19. Примеры сейсмостойких конструкций в жилищном строительстве:
а – сейсмоизолирующая конструкция с выключающимися связями, использованная при сооружении жилых зданий в Северобайкальске Иркутской области;

б – сейсмоизолирующая конструкция сухих стыков, использованная при сооружении жилых зданий в Нерюнгри.

Поэтому не исключена возможность отзвуков такого землетрясения в слабосейсмических районах, которые могут отрицательно повлиять на сохранность тех зданий и сооружений, которые возведены с минимальными запасами устойчивости и прочности сейсмоизоляции или сейсмозащиты.

На рис. 19 показана наиболее простая система сейсмозащиты малоэтажного здания, которая использовалась в строительстве. Кроме того, нередко используют металлические конструкции стоек, колонн, труб при усилении от ветровых нагрузок (рис. 20).

Рис. 20. Примеры крепления в грунте опор конструкций, подверженных ветровой нагрузке:
а – с погружением в металлическую трубу, закопанную в землю и залитую бетоном; б – с зажатием проволочной закруткой между четырьмя металлическими стержнями (трубами, уголками, швеллерами), вбитыми или закопанными в грунт; в – с заливкой бетоном посадочного конца в яме (поверхность бетона выступает над уровнем грунта); г – с обжигом внешнего короба колонны полухомутиками вокруг цементного или бетонного столбика на арматуре.

От внезапных слабых и сильных колебаний поверхности земли при землетрясениях, в принципе, никто не застрахован. Колебание верхних слоев грунта может произойти и от обрушений более глубинных его слоев, где нередко оказываются емкости, полости, то есть природные пустоты: бывшие линзы грунтовой воды, смещение слоев земли и подобные естественные передвижения. Нередко причиной колебаний грунта могут быть местные оползни, сели, размывы овражий, оврагов, крутых и пологих склонов холмов и берегов водоемов – рек, озер и даже сельских прудов. К тому же, верхние слои земли могут быть настолько подвижны, что смещают вниз и вверх ограды, деревья и даже строения. Многие глины ведут себя непогодно: они то усыхают, то разбухают, отчего верхние слои земли словно дышат, опускаются то вниз по склону, то вверх… От таких сотрясений больше всего разрушаются деревянные и каменные одноэтажные дома. Разумеется, на все здания очень сильно влияет землетрясение.

При анализе этих влияний и их последствий выработалось основное – направление внезапно появляющихся колебаний, и были учтены имеющиеся разрушения от них в различных конструктивных схемах домов. Например, что касается деревянных домов, то лучше всего такие колебания выдерживают легкие фахверковые постройки, в которых вместо потолочных балок употребляются доски на ребро.

Из местностей, наиболее часто подвергающихся сильным землетрясениям, в настоящее время остаются Закавказье – окрестности гор, Ахалкалак и Шемахи, Закаспийская область – Беловодск, Красноводск, и Туркестан с Ферганской областью, затем Семиречье и Забайкалье. Но такие опасные местности могут быть в любое время расширены, а также могут появиться и новые. Так что не следует всем архитекторам и строителям надеяться на постоянную стабильность оснований зданий и сооружений. Каждое архитектурное строение, его объем должны иметь прочное основание, которое при всех обстоятельствах обязано содержать в фундаменте и конструкциях стен запасные коэффициенты на внезапные земные подвижки, сдвиги, срезы, смещения и перемещения.

Со временем из многочисленных сейсморазрушений зданий и сооружений были выбраны строительные конструкции и строительные материалы, которые в той или иной степени выдерживают или сопротивляются такому разрушению. То есть были со временем выработаны практические способы для борьбы с землетрясениями там, где они проявляются наиболее часто. В конце XX века эти наблюдения и изучения были использованы при строительстве в Узбекистане, в частности в районе Ташкента, при строительстве станционных сооружений.

В качестве предохранительных мер, например, были установлены поперечные стены, контрфорсы и заложены железные связи. Было также замечено, что железно-каменные скелетные здания, несмотря на расположение их в районе наибольших разрушений, при высоте до 20 этажей пострадали от землетрясений очень мало и остались стоять, не выйдя даже от отвеса прямой. Объясняется это рациональным устройством их оснований и фундаментов, а также жесткостью самого их остова. Поэтому фундаменты и являются той частью здания, которая непосредственно воспринимает колебания почвы и передает их всей массе здания.

Ввиду того, что поверхностный слой всякого грунта сотрясается гораздо сильнее слоев, лежащих несколько глубже его, желательно возможно большее углубление фундамента и изолирование его от поверхностного слоя грунта посредством не связанных с ним подпорных стенок. Например, в случае очень слабого грунта может быть выгодным устройство сплошного железобетонного фундамента на свайном основании. Следует отметить, что свайные основания являются одним из наиболее надежных типов для местностей, подверженных землетрясениям, так как связывают здание с более плотными глубоко лежащими слоями грунта.

Таким образом, при постройке тяжелых скелетных (каркасных) зданий должна быть достигнута прочная подпочва одним из обыкновенных способов, то есть сваями, столбами, опускными колодцами или кессонами, при этом отдельные опоры должны быть надежно связаны между собой.

То же самое относится и к скелетным конструкциям малоэтажных зданий как в черте города, так и в сельской местности. Такие фундаменты дают гарантию не только в случае сейсмика, оползней, селей, но и при весенних и дождевых паводках и заливах. Они смогут устоять от напора стихии. Разумеется, фундаменты после напора стихии подлежат соответствующему ремонту, но на это тратится меньше средств и времени, чем на восстановление дома, который разрушился до основания.

В случае очень глубокого залегания твердого грунта здание может быть основано на сплошном железобетонном фундаменте, при этом необходимо опустить подошву последнего так, чтобы нагрузка от здания равнялась давлению прилегающих частей грунта, дабы избежать перемещения и выдавливания его из под здания во время землетрясения. При быстром передвижении фундамента в первый момент землетрясения нижняя часть здания принимает участие в этом движении, тогда как верхняя по свойству инерции остается на месте. При этом в остове здания возникают перерезывающие усилия, имеющие максимум у фундамента, и изгибающие усилия, достигающие максимума в точке покоя.

Таким образом, здание в первый момент землетрясения может быть рассматриваемо как упругий брус, закрепленный близ его вершины. Но уже в следующий момент, то есть когда здание воспримет удар землетрясения всей своей массой, оно начинает колебаться, как брусок, закрепленный у самой подошвы, и, следовательно, усилия, возникшие в его остове, будут аналогичны обыкновенным ветровым усилиям, увеличивающимся от вершины к подошве здания.

Деревянные дома выдерживают землетрясение относительно хорошо, особенно одноэтажные и даже мансардные. Их разрушения являются незначительными, так как такие дома гибче и легче, чем каменные, и у них в случае чрезмерно больших толчков и перемещения грунта происходят разломы коренных труб и печей, каминов и теплушек. Каменные же здания от землетрясения страдают весьма значительно: разрушаются остовы стен по направлению движения волн. И если в таких стенах данной конструкции нет соединительных связей – анкеров, то есть металлических связей, – разрушения будут большими. Поэтому хорошо выдерживают волнообразный напор стихии только те каменные здания, стены которых усилены металлическими связями.

В местностях, где существует постоянная угроза сейсмика, возводят только такие дома, стены которых усилены металлическими анкерами, то есть железобетонные. В районах сейсмика, а также в затопляемых и подтопляемых районах нельзя строить дома саманные, глинобитные, с сыпучим стеновым наполнителем и т. п. Разумеется, последние дома дешевые и возводятся из местных строительных материалов: песка, глины, сама, жердей и хвороста. Но целесообразно в данных местностях возводить не менее дешевые постройки из дерева – бревенчатые, щитовые, каркасно-щитовые или фахверковые (с выступающим на наружные плоскости стен дома деревянным каркасом) (рис. 21).

Рис. 21. Общий вид фрагмента фасада двухэтажного жилого дома с выступающим деревянным каркасом – фахверковым.

При выборе места для населенных пунктов (сел, поселков, дачных участков и т. п.) и при их планировке, особенно в сейсмических местах, следует провести полный анализ данного района: характер происходящих землетрясений, геологическое строение местности.

Самым подходящим будет место с твердым грунтом. Именно такой грунт, как правило, встречается на возвышенностях. Действие сейсмических ударов значительно ослабляется коренными массивными породами, а также рыхлыми наносами, мощностью слоя не менее 30 метров… Необходимо вести контроль за возможным зеркалом паводковых и дождевых разливов, чтобы населенный пункт не попал в зону затопляемости. В том случае если застройки попали в предполагаемую зону затопления паводковыми водами реки, озера и т. п., то дома должны быть поставлены на высокие каменные подклеты, столбы и сваи. Одним из доступных приемов для индивидуального застройщика в деле ограждения своего дома от сейсмического воздействия волнообразной подземной волны является обводка по периметру дома с наружной стороны. Такая обводка представляет собой траншею трапецеидальной формы, сделанную в пределах отмостки на ширину до 70–80 см (по типу закрытого дренажа). Такое сооружение (галерея), окружающее фундамент дома, отражает поверхностные сейсмические волны, а также и механические воздействия с внешней стороны (рис. 22).

Рис. 22. Сейсмостойкая система:
а – общий вид движения сейсмических волн; б – конструктивная схема устройства «ловушки» для гашения сейсмических волн в виде обходной канавы трапецеидального профиля (по периметру здания).

Кроме того, в доме целесообразно делать кессонный потолок и усиливать стены с помощью внутреннего каркаса. В случаях, когда ровная площадка с одной из сторон имеет линию бровки склона, овражья или оврага, фундаментную плиту устанавливают на сваях по ее углам (рис.23). Если в плане плита прямоугольная и ее длина превышает ширину, с учетом нагрузок на нее (объемный вес дома) и других возникающих усилий, например сдвига, по краям плиты ставят дополнительно две-три опорные сваи.

Рис. 23. Разрез узла углового крепления бетонной плиты к основанию грунта опорной сваей:
1 – плита-фундамент; 2 – углубление в нижнем основании плиты фундамента; 4 – технологический выступ.

Участок на склоне

Известно, что самыми «капризными» являются участки на склонах холмов, овражий и на отлогих берегах водоемов – рек, озер и сельских прудов. Такой участок подвижен, особенно когда среди нижних слоев грунта притаился пласт глины. Нередко такой пласт лежит сразу же под дерновым слоем. Глина от попадания в нее грунтовой или атмосферной воды разбухает, увеличивается в весе (объеме) и начинает двигаться сверху склона холма или овражья вниз вместе с верхним дерновым слоем и растительностью. А при высыхании ее слоя начинается обратный процесс – снизу вверх на прежнее место. Если сделаете ограду, то и она со столбами и досками, а заодно и с деревьями, будет передвигаться и ломаться. В природе даже на незначительных местах по уклону и пологих происходят оползни, размывы и сели. Периодами наступает переувлажнение грунта.

Рис. 24. Разрез дома на склоновом участке:
а, б – склоновая ориентация основного фасада дома в зависимости от планировки участка и самого расположения дома.

Появляется на всем участке сырость. Строительство домов на склоновом участке следует вести после того, как его грунт будет тщательно обследован. На рис. 24 показана схема разрез дома, расположенного на склоновом участке, на свайном основании и с подпорными стенами, где в некоторых случаях они выполняют роль контрфостов. При этом сам склон укрепляется (рис.25). При наличии сброса воды по склону для его укрепления используют бетонные фигурные блоки (рис. 26).

Рис. 25. Укрепление склона:
А – с помощью специальных камней, врытых в грунт; Б – с помощью бетонных блоков.

Рис. 26. Пример укрепления разрушающегося склона с помощью керамических блоков (поперечный разрез стенки):
1 – грунт основания; 2 – песчано-гравийное основание; 3 – камень лежень; 4 – дерновый слой; 5 – бордюрный камень лежак; 6 – направление сползания мини-селя; 7 – направление стока воды; 8 – слив излишней селевой воды; 9 – сток воды в водоотводный лоток; 10 – лоток; 11 – бортовой камень; 12 – растения.

На склоновых участках возводят дома из любого материала. Такие дома нередко достаточно экономичны, так как при их возведении используется естественный рельеф данной местности и в результате проводится намного меньше земляных работ.

К ОГЛАВЛЕНИЮ

---

Ссылки на другие страницы сайта по теме «строительство, обустройство дома»:

• Однокомнатный домик с мансардой (стены деревянные)
• Эффективные конструкции, или как дешево построить отличный дом.
• Устройство "зеленой крыши"