Правила безопасности аммиачно-холодильных установок ПБ 09-595-03 устанавливают требования, соблюдение которых должно обеспечивать необходимую степень промышленной безопасности. Раздел 6 данных правил – «Требования к зданиям и помещениям» - регламентирует компоновку аммиачного оборудования в помещениях, соблюдение действующих норм пожарной безопасности, санитарных правил и норм.
К зданиям аммиачно-холодильных систем относятся помещения компрессорных и холодильных камер, при обследовании которых должно определяться соответствие состояния строительных конструкций действующим строительным нормам и правилам. Особое внимание при обследовании строительных конструкций необходимо обращать на состояние грунтов основания и фундаментов, которые являются важнейшими конструктивными элементами здания. Потеря несущей способности и деформации основания приводят к аварийному состоянию строительных конструкций.
Десятилетний опыт обследований аммиачно-холодильных систем, проводимых нашей компанией, показывает, что основными причинами деформаций строительных конструкций являются:
- недостаточная изученность грунтов основания;
- отсутствие в нормативных документах, которые использовались при проектировании фундаментов, положений, введенных в нормы в последующие годы;
- невыполнение или небрежное выполнение при эксплуатации проектных решений и указаний действующих СНиП;
- изменение свойств грунтов основания здания в процессе эксплуатации.
Проиллюстрируем сказанное наиболее характерными обьектами, где недостаточный учет свойств грунта и изменение условий эксплуатации привел к аварийным ситуациям.
Пример 1
В 1962 году было построено двухэтажное здание холодильника (размеры в плане - 234x48 м). Конструктивная схема здания - полный несущий каркас, элементами которого служат сборные железобетонные колонны, ригели перекрытия и балки покрытия, стены - кирпичные самонесущие. Основание свайное с армированными в нижней части бетонными ростверками стаканного типа для установки железобетонных колонн. В соответствии с проектом сваи установлены железобетонные, сечением 40x40 см длиной 15 м.
После ввода в эксплуатацию в здании возникли деформации конструкций: осадки колонн и связанных с ними конструкций перекрытий и покрытий составили от 12 до 23 см. При осадке колонн произошла деформация опорных подушек балок перекрытия и покрытия, опирающихся на колонны. На опоре балок покрытия появились трешины, а плиты покрытия и перекрытия имели заметный наклон в сторону просевших колонн.
Первоочередными мероприятиями предусматривалось временное раскрепление аварийных конструкций, разгрузка второго этажа, ограничение нагрузки на половину первого этажа. После аварийной ситуации был установлен инструментальный геодезический контроль за осадками фундаментов колонн. Геодезические наблюдения, проводившиеся до 1974 г., показали продолжающиеся осадки фундаментов, которые носили неравномерный характер. Здание холодильника продолжало эксплуатироваться без ограничения временных нагрузок первого и второго этажей.
В 1988 году были обнаружены очередная недопустимая осадка одной из колонн и наклон балок перекрытия в сторону просевшей колонны. Ростверки осевших колонн имели значительные трещины и были усилены.
Геодезические наблюдения за осадками фундаментов колонн здания холодильника продолжались до 1991 года, позже наблюдения не проводились.
В 1999 году наша компания обследовала состояние строительных конструкций здания холодильника. Контрольно-инструментальные геодезические измерения осадок колонн показали:
- Осадки фундаментов здания продолжаются и носят незатухающий неравномерный характер;
- осадки некоторых марок за 8 лет больше, чем за весь период измерений до 1991 года (27 лет);
- стабилизация деформаций не происходит;
- осадки колонн, на которых произошла авария, за 8 лет оказались больше, чем за предыдущие годы.
- При проектировании свайного основания здания холодильников в 60-х годах не были учтены расчетные положения, которые были введены в последующие годы, а в настоящее время отражены в СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».
- Геолого-литологическое строение площадки здания холодильника представлено илами, торфами, заиленными песками, суглинками и песками. Вся толща неуплотненных илов и торфов находится в рыхлом, мягкопластичном и текучепластичном состоянии. Торфоилы характеризуются как один условно однородный слой слабых грунтов, мощность которых колеблется от 11 до 17 м.
- Нагрузка, действующая на сваю, передается грунтом через острие сваи и боковую поверхность. Распределение усилий между боковой поверхностью и концом сваи зависит от соотношения показателей сжимаемости грунта, находящегося в пределах глубины погружения свай, и грунта под ее концом. Торфоилы и слабые грунты характеризуются большой сжимаемостью, медленным развитием осадок во времени и возможностью возникновения нестабилизированного состояния, изменчивостью прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик и изменением их в процессе консолидации основания.
- В соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85 при наличии в пределах длины свай слоев сильнодеформирующихся грунтов, имеющих модуль деформации Е <5 МПа, и уплотнении этих грунтов, независимо от загрузки сваи, на боковой поверхности могут возникать отрицательно направленные (негативные) силы трения. Причинами возникновения отрицательно направленного трения, которые необходимо учитывать при работе свайного фундамента, являются:
- подсыпка территории после устройства свайных фундаментов толщиной более 1 м;
- загрузка пола здания или поверхности земли около свайного фундамента нагрузкой более 20 кН/м2 (2 тс/м2);
- увеличение эффективных напряжений в грунте за счет снятия взвешивающего действия воды при понижении уровня подземных вод;
- незавершенная консолидация слоев слабых грунтов;
- уплотнение несвязанных грунтов при динамических воздействиях (в том числе динамических нагрузок от движения железнодорожных составов и работающих компрессоров).
В рассматриваемом случае присутствовали все причины для возникновения отрицательно направленных сил трения. Расчеты показали, что фактическая несущая способность сваи, с учетом отрицательных сил трения по боковой поверхности, оказалась значительно ниже (в 2 раза) принятой по проекту, определенной без учета этих сил.
После проведенного обследования наша компания рекомендовала не допускать складирования грузов в помещениях второго этажа, ограничить нагрузку на пол помещений первого этажа до 2 тс/м. кв., продолжить геодезический контроль за развитием осадок, провести инструментальное обследование вибраций, возникающих при работе компрессоров и железнодорожного транспорта. Были разработаны также рекомендации по усилению деформированных конструкций.
Пример 2
Многие здания холодильников возводились без учета свойств грунта основания и проектировались без необходимых технических решений, защищающих грунт от промерзания. Кроме того, при эксплуатации запроектированные и построенные системы обогрева грунта не функционировали. На одном из объектов для холодильника использовалось после реконструкции здание довоенной постройки, в котором в 1951 году была выполнена шанцевая система для подачи теплого воздуха под полы холодильных камер с целью предупреждения промерзания грунтов. С момента ввода в эксплуатацию данная система не работала. Температура в холодильных камерах была значительно ниже проектной, рассчитанной в соответствии с существующими в то время нормами.
Грунты, являющиеся основанием фундамента обследуемого здания холодильника, обладали пучинистым свойствами, причем инженерно-геологические изыскания первоначально характеризовали грунты как слабопучинистые, а в 2000 году по степени морозной пучинисгосги грунты отнесены к чрезмерно пучинистым. В соответствии с требованиями СНиП 2.11.02-87* «Холодильники» здания холодильников должны эксплуатироваться при обязательной защите от промерзаний и недопустимого увлажнения.
Предусмотренные проектом мероприятия для сохранения температурно-влажностного режима в грунтовом основании при эксплуатации холодильника не были применены, что привело к промерзанию грунтов основания на глубину до 4,5 м. В районе примыкания здания дефрастационного отделения, технологические воды которых дополнительно увлажняли грунт, произошла деформация всех основных конструктивных элементов здания: колонн, стен, перекрытий. Аварийный участок был выведен из эксплуатации.
Через год изысканиями было установлено, что происходит частичное оттаивание мерзлых грунтов под полами. Этот процесс происходил медленно, неравномерно, сверху вниз и от стенок камер к центру, где кровля мерзлого грунта была обнаружена на глубине 2,5-4,0 м от поверхности пола. Грунтовые воды, питание которых происходило за счет инфильтрации атмосферных осадков и неорганизованных технологических вод зафиксированы на глубине 1,0 м.
На площадке здания холодильника после оттаивания консистенция грунтов основания из тугопластичного состояния перешла в мягкопластичное. Нарушилась первоначальная структура, и несущая способность грунтов стала значительно ниже принятой при проектировании. Изменение состояния грунта и ухудшение физико-механических характеристик при замерзании и оттаивании привели к неравномерным осадкам фундаментов и явились причиной деформаций строительных конструкций.
После обследования сотрудники нашей компании рекомендовали осуществлять постоянный контроль за состоянием организованного водоотвода от площадки здания холодильника и исключить попадание технологических, атмосферных стоков под фундамент, провести усиление строительных конструкций по предложенным рекомендациям, осуществлять наблюдение за развитием трещин. До решения вопроса о восстановлении шанцевой системы обогрева полов камер предложено сохранить напряженно-деформированное состояние грунта в сложившемся положении, не допуская его полного оттаивания при размораживании камер во время технологических установок.
Вывод
Приведенные примеры показывают, что специалисты, участвующие в обследованиях опасных производственных объектов, обязаны обладать широким комплексом знаний по строительным дисциплинам.
Здания и сооружения представляют собой единую систему взаимосвязанных между собой элементов (грунты основания, фундаменты и верхние строительные конструкции), обследование которых требует знаний нормативных документов, расчетных положений и свойств конструкций.
Надежда Сергеевна Гурьева
Статья опубликована в журнале "Берг-Коллегия", №2, 2005, с. 58-59
Рекомендуем ознакомиться: