Дефектоскопия конструкций

Обследование оснований и фундаментов

Для зданий, подлежащих реконструкции,требуется в первую очередь установить несущую способность оснований и фундаментов, их техническое состояние. Работы по обследованию предусматривают выполнение инженерно-геологических, гидрогеологических и инженерных работ.Обследование оснований выполняется в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83*.

Основная цель обследований состоит в оценке инженерно-геологического состояния грунтов, залегающих под подошвой фундамента, а также состояния фундаментов, их целостности,деформативности, устойчивости и прочности материала.

Обследования производят с помощью открытых шурфов, количество и месторасположение которых определяются в каждом конкретном случае. Проходку шурфов осуществляют в наиболее нагруженных и ненагруженных участках, у наружных и внутренних стен, колонн, столбов и т.п.Число закладываемых шурфов принимают по одному у каждого вида конструкции в наиболее нагруженном и ненагруженном местах, при наличии повторяющихся секций -в одной секции отрывают все необходимые шурфы, а в остальных по 2-3 шурфа в наиболее нагруженных местах, в местах, где предполагается установка промежуточных опор или пристройка дополнительных объемов.

Получение достоверных результатов о состоянии основания и фундаментов исключительно важно при увеличении или изменении характера нагрузки, при надстройке, устройстве заглубленных помещений вблизи существующих зданий и в других случаях.

Шурфы отрывают вблизи участков,имеющих значительные деформации, а также в зонах, где предусматриваются надстройка, пристройка и другое повышение нагрузок.

При отсутствии рабочей документации на основания и фундаменты количество, глубина и расположение шурфов в плане должны быть достаточными для восстановления планов и разрезов фундаментов и установления несущей способности основания.

Обработка результатов исследований позволяет сделать вывод о состоянии основания фундаментов, их несущей способности, степени износа конструкций, фактическом сопротивлении грунтов. Устанавливаются зоны, где необходимо укрепление грунтов с целью повышения их несущей способности.

При оценке состояния фундаментов более поздних построек, выполненных из элементов сборного бетона и железобетона, процесс дефектоскопии существенно упрощается.

При наличии технической документации возможно частичное обследование, что существенно снижает трудоемкость и стоимость работ.

В таблице 2.5 приведены характерные повреждения и их причины для фундаментов: свайных, ленточных крупноблочных и сборно-монолитных фундаментов жилых зданий первых массовых серий (кирпичных и крупнопанельных). Причинами дефектов и повреждений служат,как правило, нарушения в технологии производства работ, эксплуатационные условия, отклонения в изготовлении конструкций и др.

Таблица 2.5

Повреждения и дефекты фундаментов и грунтов основания

Конструктивный элемент или его часть	Повреждения	Основные причины повреждения
Естественные основания
Грунт основания фундамента	Уменьшение расчетного сопротивления грунта, увеличение агрессивности среды	Эксплуатационные факторы: увлажнение, увеличение нагрузки и ошибки при проектировании
Свайные фундаменты
Сваи	Сваи не объединены в ростверк	Нарушение условий забивки свай или устройства ростверка
Смещение в плане от проектного расположения свай	Нарушение проекта в процессе устройства свайного фундамента
Несоответствие класса бетона примененных свай проектному	То же
Сваи не забиты до проектной отметки	Нарушение в процессе устройства свайного фундамента
Стальная арматура, закладные и соединительные детали	Коррозионные следы на поверхности конструктивных элементов	Коррозия арматуры, закладных деталей
Коррозия арматуры, закладных деталей, соединительных накладок	Эксплуатационные факторы, нарушения в процессе изготовления
Ростверк	Общие деформации ростверка в вертикальной или горизонтальной плоскости	Нарушения в технологии устройства; эксплуатационные факторы; ошибки при проектировании
Трещины шириной более 0,3 мм в бетоне ростверка, распространение отдельных из них на цокольные панели	Нарушение технологии производства работ. Эксплуатационные факторы; ошибка при проектировании
Местные деформации (смятие, сколы и др.) бетона ростверка, в том числе в местах опирания панелей	Нарушение технологии производства работ в процессе возведения; неправильная установка панелей
Гидроизоляция	Полное или частичное отсутствие вертикальной и горизонтальной гидроизоляции ростверка	Нарушения в процессе возведения зданий
Защитные и защитно-декоративные покрытия	Полное или частичное отсутствие защитного покрытия на сваях (ростверке)	Нарушения при изготовлении свай
Фундаменты ленточные крупноблочные сборно-монолитные, фундаменты отдельно стоящих стен технических подполий
Горизонтальные и вертикальные поверхности	Общие деформации в вертикальной или (и) горизонтальной плоскости (искривления, перекосы, прогибы, выпучивания и др.)	Эксплуатационные факторы; неравномерная осадка; пучение грунта; уменьшение устойчивости грунта и др.
Бетон фундаментов, стен	Разломы или трещины шириной более 0,3 мм	То же
Высолы и следы сырости на стенах технического подполья	Нарушение в технологии производства работ и изготовлении цокольных панелей, устройстве фундаментов и стен
Стыки блоков и цокольных панелей	Трещины в растворе швов стыков	Отклонения от технологии производства работ. Эксплуатационные факторы
Выпадение раствора из стыков и мест сопряжений; разрушение бетона в зоне стыков по краям панелей и мест сопряжений	То же
Увлажнение бетона в зоне стыков блоков и панелей	Эксплуатационные факторы: повреждения гидроизоляции; повышение уровня грунтовых вод и др.

Диагностика каменных и армокаменных конструкций

При обследовании каменных и армокаменных конструкций прежде всего выделяются наиболее ответственные несущие конструкции. С помощью приборов устанавливают степень отклонения от проектного положения. Особое внимание уделяется местам опирания перемычек, балок, плит перекрытия и покрытия, характеру сопряжения стен между собой.

Среди причин возникновения дефектов следует выделить: механические, динамические, температурно-влажностные воздействия, а также дефекты, обусловленные неравномерностью осадок основания.Последние, как правило, приводят к наиболее значительным дефектам.

В зависимости от характера изменения осадки фундаментов вследствие технической эксплуатации зданий и других техногенных процессов возможно развитие растягивающих напряжений в кладке, приводящих к образованию трещин. Основные варианты развития трещин состоят в (рис. 2.12):

1 - осадке средней части здания за счет просадочных явлений в грунтах основания. Она вызывает параболические кривые, образованные сетью трещин, расширяющихся книзу и наклоненных к центральной оси здания;

2 - осадке крайних частей здания, что вызывает параболические кривые, образованные сетью трещин,расширяющихся кверху и наклоненных к краям здания;

3 - разломе здания вследствие максимальных осадок крайних частей здания и минимальной осадки в центральной части. Образуется сквозная вертикальная, расширяющаяся кверху трещина. Причиной может служить местная подпирающая опора в грунте основания центральной части здания;

4 - просадке части здания,приводящей к образованию вертикальной извилистой трещины одинаковой толщины раскрытия.

Рис. 2.12. Вид трещин в каменных стенах зданий при основных видах осадки грунта оснований
а - осадка средней части здания; б - осадка крайних частей здания; в - разлом здания; г - просадка части здания; R -сопротивление грунта основания

Вторая группа воздействий,приводящая к трещинообразованию кирпичной кладки, относится к конструктивным деформациям и включает три стадии напряженно-деформированного состояния.

1-я стадия - начало трещинообразования происходит при нагрузках, составляющих 40-60 % разрушающих,при кладке на слабых растворах (менее 1 МПа), 50-70 % - при кладках на растворах средней прочности (1-2,5 МПа), 70-90 % - на прочных растворах (более5 МПа). Эта стадия включает появление трещин, распространяемых на высоту 2-3рядов кладки, совпадающих с вертикальными швами кладки. Появление трещин свидетельствует о превышении нагрузки несущей способности кладки;

2-я стадия - при возникновении значительных напряжений в кладке. Она характеризуется появлением вертикальных трещин в нескольких рядах кладки;

3-я стадия трещинообразования соответствует аварийному состоянию.

На рис. 2.13 приведена схема распределения нормальных и касательных напряжений в кирпичной кладке,моделируемой пластиной с прямоугольными отверстиями. При равномерно распределенной нагрузке максимальные нормальные напряжения концентрируются на границе отверстий, а касательные - в простенках. Примерное соотношение напряжений приведено на эпюрах по характерным сечениям.

Рис. 2.13. Распределение напряжений в стене-пластине с проемами и выпучивание кирпичных простенков
а - нормальные напряжения; б - касательные напряжения; в -схема деформаций; г - расчетная схема

Определяющее влияние на концентрацию напряжений оказывает процесс старения кладки (выветривание и разрушение швов) в результате влагомассопереноса и влияния цикличных процессов замораживания-оттаивания. В результате обжатия швов в определенной части кладки возникают напряжения, превышающие ее несущую способность.

Методом визуального наблюдения легко устанавливается наличие трещин, сколов. По характеру их расположения можно судить о причинах возникновения дефектов. Так, при увеличении нагрузки выше расчетной наблюдается образование вертикальных трещин различной степени раскрытия. Недостаточная длина опирания перемычек, неправильное выполнение кирпичной кладки над проемами, устройство перемычек над витринными проемами без устройства портала приводят к характерному образованию трещин. Причиной образования трещин в простенках могут служить: применение материалов, не отвечающих проектным требованиям; некачественная перевязка швов в кладке;неправильное выполнение температурных и деформационных швов; нарушение технологии производства работ в зимнее время; перегрузки при надстройке здания и др.

Появление наклонных трещин может иметь различные причины. В первую очередь они вызваны неравномерностью осадок фундамента из-за недостатков в подготовке основания, смещения осей, наложения дополнительных нагрузок от пристраиваемых зданий. Нарушение эксплуатационного режима здания происходит в результате подтопления или вымывания основания атмосферными или техническими водами, увлажнения грунта из-за протечек,понижения уровня грунтовых вод при производстве работ вблизи возведенного здания и др.

Деформации внутренних стен в местах примыкания к наружным вызваны более высокой нагрузкой и отсутствием в этих местах армирования кладки.

На рис. 2.14, в приведены характерные примеры образования трещин для рассмотренных случаев.

В процессе обследования очень важно знать динамику раскрытия трещин во времени. Для этой цели на трещины устанавливают гипсовые, стеклянные или металлические маяки. Гипсовые и стеклянные маяки устанавливают на стене, предварительно очищенной от штукатурки. Используются цементные или гипсовые растворы. Металлические маяки изготавливают из кровельной стали и крепят к стене клеем или дюбелями. На маяках выставляются номер и дата установки. Динамика развития деформаций регистрируется в журнале наблюдений. Глубину трещин определяют с помощью щупов и игл, а ширину раскрытия - с помощью микроскопов МПБ-2, Мир-2. Пределы измерений МПБ-2 составляют до 6,5 мм, а Мир-2 - от 0,015 до 0,6 мм.

Рис. 2.14. Характерные примеры образования трещин в кирпичных стенах
а - вертикальные трещины в простенках; б -то же, в зоне заделки перемычек; в - деформации внутренних стен в местах примыкания к наружным стенам

Важным этапом обследований является процесс определения физико-механических характеристик кладки. Этому этапу предшествуют качественная оценка кладки и ее соответствие техническим требованиям: толщина швов и перевязка, соблюдение горизонтальности рядов,вертикальность стен и др. Для механических испытаний материала каменной кладки из малонагруженных элементов конструкций извлекаются образцы или выбуриваются керны, которые испытываются с использованием стандартного оборудования.

При зондировании отбирают пробы материала не менее чем через каждую четверть толщины стены. Число точек зондирования принимают в зависимости от размеров здания и его этажности(таблица 2.6).

Таблица 2.6

Число точек зондирования для различных зданий

Количество секций в здании	Несущие каменные стены
Число этажей
до 3	4-5	свыше 5
1-2
3-4
Более 4

Определение прочности камней производится в соответствии с ГОСТ8462-85, раствора - ГОСТ 5802-86.Морозостойкость материалов каменной кладки испытывают в соответствии с ГОСТ7025-91.

Условие, при котором поврежденные каменные и армокаменные конструкции подлежат усилению, имеет следующий вид

К _бп Р > NК _ТР

где К _бп - коэффициент безопасности (К _бп -1,7 для неармированной кладки, 1,5 - для кладки с сетчатым армированием); Р - фактическая нагрузка в момент обследования; N - несущая способность конструкции без повреждений; К _ТР -коэффициент,учитывающий снижение несущей способности (табл. 2.7) при наличии повреждений.

Таблица2.7

Значения коэффициента К снижения несущей способности кладки в зависимости от характера повреждений

№ п.п.	Характер повреждения кладки стен, столбов и простенков	К при кладке
неармированной	армированной
	Трещины в отдельных кирпичах, не пересекающие растворные швы	1,0	1,0
	Волосяные трещины, пересекающие не более двух рядов кладки	0,9	1,0
	То же, при пересечении не более 4 рядов при числе трещин не более 4 на 1 м ширины стены, столба или простенка	0,75	0,9
	Трещины с раскрытием до 2 мм, пересекающие не более 8 рядов кладки, при числе трещин не более 4 на 1 м ширины стены, столба, простенка	0,5	0,7
	То же, при пересечении более 8 рядов		0,5

При этом для расчета конструкций принимается средний предел прочности кладки , который при известных марках кирпича и раствора принимается равным удвоенной величине расчетного сопротивления кладки .

Для испытаний из различных участков каменной конструкции отбирают образцы. Предел прочности при сжатии кирпича определяется на образцах, состоящих из двух кирпичей или из двух половинок, а предел прочности при сжатии камней определяется на целом камне.

Предел прочности при сжатии R _сж (МПа) определяют по зависимости

где Р - наибольшая нагрузка, кН; А - площадь поперечного сечения, м².

Предел прочности при изгибе R _изг (МПа) определяют согласно схеме испытания

где Р - наибольшая нагрузка; l - расстояние между осями опор; b, h - ширина и высота сечения образца, м.

Полученные данные используются для определения предела прочности R _КЛ кладки при сжатии по средней прочности камня и раствора

где А - конструктивный коэффициент, зависящий от вида кладки и прочности камня

т, п -коэффициенты, зависящие от вида кладки; R _р, R_K - прочность раствора и камня.

Значения коэффициентов а, b, т, п приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.8

№ п.п.	Вид кладки	Значения коэффициентов
а	b	т	п
	Из кирпича, кирпичных блоков и камней правильной формы с высотой ряда 50-150 мм	0,2	0,3	1,25	3,0
	Из сплошных камней правильной формы с высотой ряда 180- 360 мм	0,15	0,3	1,10	2,5
	То же, из пустотелых камней	0,15	0,3	1,50	2,5
	Из сплошных крупных блоков с высотой ряда более 150 мм	0,09	0,3	1,10	2,0
	Из бутового камня	0,2	0,25	2,50	8,0

Коэффициент изменчивости прочности кирпичной кладки принимается С = 0,15, а условное нормативное сопротивление R _Н = R _КЛ (1 - 2 С) = 0,7 R _КЛ. Вероятностное понижение прочности кладки с учетом имеющихся ослаблений(пустошовка, гнезда, отклонения от вертикали) дает значение R _КЛ = 0,5 R _Н.

При наличии повреждений кладки стен, столбов и простенков вводится коэффициент снижения несущей способности К_ТР (таблица 2.7).

Диагностика и оценка остаточной несущей способности бетонных и железобетонных конструкций

Обследование бетонных и железобетонных конструкций осуществляется в соответствии с требованием СНиП 2.03.01-84*«Бетонные и железобетонные конструкции». Обнаруженные при обследовании дефекты разделяются на следующие по степени важности группы: дефекты, приводящие к снижению и потере несущей способности; частично снижающие несущую способность с изменением геометрических размеров; отклонения в геометрических размерах при сохранении несущей способности, вызывающие непригодность к технической эксплуатации.

Одни и те же дефекты могут создавать условия непригодности как по несущей способности, так и по потере эксплуатационных качеств. Например, прогибы, превышающие допустимые значения,исключают нормальную эксплуатацию конструкций. В то же время снижение несущей способности приводит к аварийному состоянию. Ширина раскрытия трещин,нормальных к продольной оси изгибаемого элемента в растянутой зоне, более 0,4мм свидетельствует о превышении требований по второй группе предельного состояния и одновременно указывает на возможность достижения предела текучести арматурной стали, что сопряжено с потерей несущей способности конструкции.

Наиболее характерными дефектами железобетонных и бетонных конструкций являются трещины. Следует различать трещины, появление которых вызвано напряжениями, возникающими в конструктивных элементах в процессе их изготовления, транспортирования и монтажа, а также обусловленные эксплуатационными нагрузками и воздействием окружающей среды.

К трещинам, появившимся в доэксплуатационный период, относятся: усадочные, вызванные нарушением технологического режима твердения бетона; в результате резких температурных перепадов отдельных участков конструкции и напряжений, возникающих при этом;трещины технологического происхождения, возникающие в элементах сборного железобетона при изготовлении; в результате нарушений условий складирования,транспортирования и монтажа. Объем дефектов такого происхождения достаточно велик и составляет около 60 %.

Трещины, появившиеся в эксплуатационный период, имеют следующее происхождение: возникающие в результате температурных деформаций, неправильного устройства или отсутствия температурных и деформационных швов; вызванные неравномерностью осадок грунтового основания, аварийным замачиванием грунтов, проведением земляных работ в непосредственной близости к фундаментам, динамическими нагружениями,связанными с забивкой свай, уплотнением грунта, близким расположением автотранспортных магистралей и т.п.; обусловленные силовыми воздействиями,превышающими расчетные значения. Последнее обстоятельство связано с увеличением нагрузок от надстройки зданий.

Наиболее опасными являются дефекты, полученные при возведении монолитных конструкций и производстве работ при отрицательных температурах. В этом случае из-за неравномерностей температурных полей возникают дополнительные напряжения, приводящие не только к образованию трещин, но и к нарушениям структуры бетона, снижению физико-механических характеристик, адгезии арматуры с бетоном. Трудноисправимые дефекты возникают при ранней распалубке монолитных конструкций. Так, при распалубке перекрытий, не достигших прочности 70 % R _б,наблюдаются высокие деформации (прогибы), восстановление которых представляет достаточно большие трудности. Увеличение скорости нагружения стеновых конструкций, превышающей интенсивность набора прочности бетоном,приводит к возникновению опасных напряжений.

В каждом конкретном случае необходимо проведение анализа и расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций.

В изгибаемых элементах,работающих по балочной схеме, возникают трещины, перпендикулярные продольной оси, вследствие появления растягивающих напряжений в зоне действия максимальных изгибающих моментов и трещины, наклонные к продольной оси, вызванные главными растягивающими напряжениями в зоне действия перерезывающих сил и изгибающих моментов.

Разрушение бетона сжатой зоны свидетельствует о потере несущей способности конструкции.

Появление в изгибаемых элементах поперечных трещин, проходящих через все сечение, связано с воздействием дополнительного изгибающего момента в горизонтальной плоскости,перпендикулярной плоскости действия основного изгибающего момента.

Трещины в зоне опорной части балок и плит перекрытий указывают на нарушения в анкеровке преднапряженной арматуры, а также недостаточное косвенное армирование. Смятие опорных частей сборных плит является следствием нарушения технологического процесса -замоноличивания пустот опорной части или их заполнения бетонными вкладышами.

В изгибаемых элементах появление трещин сопутствует увеличению прогибов и углов поворота. Аварийными следует считать прогибы изгибаемых элементов более ¹/₅₀ пролета при ширине раскрытия в растянутой зоне более 0,5 мм.

Оценка прочностных и деформативных характеристик бетонных и железобетонных конструкций реконструируемых зданий является наиболее трудоемкой и важной операцией.Достоверные результаты способствуют принятию решения по сохранению конструкций здания, предотвращению аварийных ситуаций, разборке и ограждению зоны аварийных конструкций.

Оценка повреждения железобетонных конструкций классифицируется как слабая при снижении несущей способности до 15 %, средняя - до 25 %, сильная - до 50 % и полная - свыше 50 %.

Получение достоверных данных о состоянии железобетонных конструкций связано со степенью точности натурных исследований. На основании полученных результатов дается оценка остаточной несущей способности и эксплуатационной пригодности железобетонных конструкций.В основе оценки заложен принцип расчета несущей способности и эксплуатационной пригодности согласно СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции». На первом этапе определяются несущая способность сечений, прогибы, ширина раскрытия трещин. Эти данные сравниваются с реальным состоянием конструктивных элементов.

Если a_crc ≤ [ a_crc ]; f ≤ [ f ],то конструкция считается пригодной к дальнейшей эксплуатации без усиления или восстановления.

Здесь приняты обозначения: F -фактическое внешнее усилие (продольная сила N,изгибающий момент М,поперечная сила Q); F_n -теоретическая несущая способность сечения элемента; S - фактические геометрические размеры сечения; R_bn -нормативное сопротивление бетона, определенное по фактической кубиковой прочности бетона R_sn, g _b - коэффициент надежности по бетону; g _bi -коэффициент условий работы бетона конструкций.

По фактическому значению средней кубиковой прочности бетона, полученной в результате прямых или неразрушающих методов диагностики, определяется коэффициент К_из. Затем по СНиП52-01-2003 устанавливаются класс бетона и все характеристики, необходимые для расчета железобетонных конструкций.

Коэффициент изменчивости свидетельствует о степени повреждения материала конструкций. При его значениях менее 0,8 эксплуатация конструкций без дополнительных мероприятий по разгрузке и временного крепления недопустима. В этом случае целесообразность расчета отпадает, так как требуется принятие более радикальных решений. Если К_из≥ 0,8, то производится расчет конструкций. При расчете принимается фактическая площадь сечения арматуры с учетом коэффициента К _d,учитывающего степень ослабления площади сечения арматуры коррозией

где d ₀ - исходный диаметр арматуры; - средний сохранившийся диаметр прокоррозированной арматуры с доверительной вероятностью 0,95.

где d_i -выборочные значения диаметра; S_dk -среднее квадратичное отклонение; t ₀, ₉₅- коэффициент Стьюдента; R_sn - нормативное сопротивление арматуры; g _s -коэффициент надежности по арматуре; g _si - коэффициент условий работы арматуры; a_crc, f -расчетная ширина раскрытия трещин и прогиб,вычисленные при фактических прочностных характеристиках бетона и арматуры; [ a_crc ], [ f ] - допустимые ширина раскрытия трещин и прогиб.

Если в результате расчета разница между полученными и допустимыми по нормам значениями не превышает 25 %,то выполняются расчеты второго этапа, где методами статического моделирования определяются надежность конструкции и ее безотказная работа по первой и второй группам предельных состояний.

В случае невыполнения одного из неравенств конструкцию необходимо усилить.