Оценка состояния и рекомендации по обеспечению дальнейшей надежной эксплуатации здания Дворца Культуры

На основании изучения архивных материалов, результатов обследования состояния строительных конструкций, включая конструкции нулевого цикла объекта, инженерно-геологических и геофизических исследований можно сделать следующие выводы:

-      Основной причиной возникновения деформаций конструкций здания является повышение температуры (оттаивание) многолетнемерзлых грунтов основания за период эксплуатации объекта, которые в соответствии с проектом должны использоваться по принципу I.

-      Оттаивание грунтов основания в основном происходит в связи с высокими температурами воздуха внутри технического подполья из-за недостаточной продуваемости вентилируемого подполья, малой эффективности теплоизоляции пола первого этажа, отепляющего воздействия воздуха, поступающего из коммуникационного коллектора.

-      В основании фундаментов выявлены надмерзлотные подземные воды, которые стекают по склону и попадают в периметр здания со стороны оси 20, активизируя процесс деградации многолетнемерзлых грунтов.

-      Подземные воды круглогодично влияют на повышении температуры мерзлых грунтов и на увеличение мощности талых грунтов в основании здания.

-      Трещины в строительных конструкциях здания, связаны с неравномерными осадками свайных фундаментов.

-      В соответствии с СП 22.13330.2016 и ГОСТ 31937 состояние грунтов основания оценивается как аварийное, состояние конструкций фундаментов оценивается как ограниченно-работоспособное, состояние конструкций (первый этаж, несущие кирпичные стены и столбы) в зоне деформаций в осях 7-12/В-И как аварийное, состояние конструкций (кирпичные стены на втором - пятом этажах) как ограниченно-работоспособное.

          Анализ имеющейся исходной проектной документации по объекту и результатов исследований показали, что в ходе строительства и эксплуатации объекта были допущены нарушения, которые являются комплексом причин, вызвавших деформации несущих конструкций объекта и оттаивание мерзлых грунтов основания:

1. Недостаточный объём инженерно–геологических изысканий, выполненных перед строительством объекта. Недооценка сложности инженерно-геокриологических условий, связанных со сложившимся рельефом территории, присклоновом расположении и переменной глубиной опорного слоя скальных грунтов.

2. Использование разных типов фундаментов – столбчатые, устроенные в котлованах глубиной до 3-5 метров с опиранием на скальное основание; буроопускные висячие вмороженные сваи заводского изготовления. При этом, было предусмотрено опирание части свай на скальное основание (с защемлением в скальном стакане), другая часть использована, как "висячая".

3. Исходя из разных типов фундаментов с разной деформированностью основания и несущей способностью, надземные несущие конструкции здания смешанного каркаса не разделены деформационным швом, что отражается в характере трещин на несущих стенах здания. Также следует отметить, что разные типы фундаментов и основания (скальные грунты, мерзлые грунты) применены не по основным осям здания, а по месту, в зависимости от глубины расположения скального основания. Смешанный тип фундаментов применен в осях 6-12 здания, где выявлены наибольшие значения деформаций фундаментов.

4. Использование дренирующего грунта (как правило, щебень крупной фракции) при обратной засыпке котлованов столбчатых фундаментов, способствующих миграции воды из сезонно-талого слоя к прискальному горизонту.

5. Применение свай разной длины, принятых в зависимости от разных проектных нагрузок (не по максимальному значению нагрузки, а в зависимости от расчетной вертикальной нагрузки от грузовой площади по отдельным осям). Таким образом, в пределах границы здания применены сваи разной длины для участков под сцену, основной зрительный зал, входные группы и несущие стены. Как следствие, торцы свай, за исключением свай защемленных в скальном стакане, расположены в границах разных инженерно-геологических элементов, обладающих разной деформированностью, температурой и как следствие разной несущей способностью.

6. Допущен строительный брак при заполнении проектным раствором пазух скважин буроопускных свай.

7. В качестве теплоизоляции цокольного перекрытия использован материал, который не обеспечивает расчетный параметр по теплопроводности для условий вентилируемого подполья при I-м принципе использования грунтов основания.

8. В период эксплуатации и благоустройстве прилегающей территории (вертикальная планировка территории) было нарушено условие вентилирования подполья здания. В отдельных местах уровень отмостки поднят выше уровня предполагаемого уровня расположения вентиляционных отверстий в цокольном ограждении. По оси 20 (ул. Комсомольская) уровень был поднят более чем на 0,5 метра. Также следует отметить, что с учетом широкого корпуса здания (37 м) исходным проектом, для обеспечения вентилируемости подполья, предусматривались вентиляционные шахты, которые либо не были устроены при строительстве, либо утеряны в период эксплуатации.

9. Со стороны главного фасада был устроен подземный канал (дополнительный) для размещения тепловыделяющих коммуникаций, и при этом, не были предусмотрены мероприятия для отвода потока теплого воздуха из канала. Также, подземный массивный канал устроен на значительной глубине в котловане, обратная засыпка которого выполнена легкодренирующим грунтом. Часть канала размещается в контуре здания, что также оказывает негативное влияние на состояния мерзлых грунтов основания. Исследованиями подтверждено негативное влияние двух подземных коллекторов на мерзлотно-грунтовые условия прилегающей территории и частично на грунты основания в зоне главного входа. В подземных каналах фиксируется наличие обводнения днища, водоприток через стыки сборных железобетонных блоков. По результатам геофизической интерпретации, на непосредственно прилегающих к зданию Дворца культуры участках, предположено наличие двух мощных зон измененных и разуплотненных грунтов (приуроченных к местам расположения подземных каналов), в теплое время года имеющих гидродинамическую связь и имеющих общий источник. Предполагается, что эти зоны подпитываются грунтовыми водами, идущими сверху в двух местах от магистрального коллектора, и являются транзитными, разгружаясь в направлении Ленинского проспекта.

10. При обратной засыпке котлована (устроенного при строительстве здания) и для вертикальной планировки площадки использованы насыпные грунты в значительной степени крупнообломочным щебнем, в результате чего сформировано условие для миграции поверхностных вод и вод сезонно-талого слоя в зону основания фундаментов здания.

11. В результате геофизических исследований выявлен заброшенный (ныне не эксплуатируемый) железобетонный канал со стороны оси 20 поперек улицы Комсомольская. Канал расположен в районе пешеходного виадука, идущего над проезжей частью ул. Комсомольская, идущий в направлении восточного угла здания, который может участвовать в активном перемещении техногенных вод от эксплуатируемого магистрального коллектора в область грунтов основания здания Дворца культуры и жилого дома №12 по ул. Комсомольская. Обстоятельство миграции грунтовых вод вдоль канала и последующего подтопления грунтов основания здания подтвердилось рекогносцировочными исследованиями в конце декабря 2020 года, после резкого понижения температуры воздуха (до минус 40 0С) и промерзания основания дороги, наблюдаемым наледообразованием на проезжей части вдоль улицы и в районе входной группы здания.

          В результате проведенного обследования, также было выявлено, что за период эксплуатации объекта, выполнялись ремонтные работы по нулевому циклу: ремонт отдельных балок ростверка ремонтными составами, устройство железобетонных "рубашек" на балках ростверка и на отдельных фундаментах с вскрытием грунта и последующей обратной засыпкой котлованов щебнем; вертикальная планировка поверхности подполья щебнем и асфальтировка поверхности подполья с устройством водоотводного лотка. Установлены разгружающие устройства в виде шпальных клетей с металлическими клиньями. Техническая документация по указанным работам Заказчиком не была предоставлена. Очевидно, что работы выполнялись по типовым решениям, не исключающими причин возникновения деформаций. Тем не менее, ранее проведенные работы являются косвенным свидетельством того, что за период эксплуатации объекта, были зафиксированы деформации, повреждения и провалы грунтов поверхности подполья свидетельствующие о геокриологических изменениях в мерзлых грунтах основания. Основываясь на опыте Норильского филиала НИИОСП им.Н.М.Герсеванова в части исследований результатов выполнения подобных работ, как правило, формируется условие для дальнейшего развития деформаций:

-      При вертикальной планировке поверхности подполья щебнем, создается условие для дренажа подземных вод под слоем асфальта; формируются локальные просадки, заполняющиеся водой и при замерзании воды в зимний период, происходит разрушение слоя асфальтового покрытия; также рыхлый слой щебня со значительными пустотами препятствует кондуктивной теплопередаче (холода) в зимний период, что снижает эффективность вентилируемого подполья для целей промерзания сезонно-талого слоя.

-      При вскрытии котлована вокруг существующих фундаментов для целей устройства железобетонных "рубашек" с последующей обратной засыпкой котлована щебнем, также формируются дренажные колодцы вокруг фундаментов, что в длительном периоде способствует миграции сезонной воды в более глубоких слоях и в зоне прискальной поверхности. В результате чего, на глубинах 3-5 метров формируется круглогодичный водоносный горизонт. Наличие водоносного горизонта на указанных глубинах подтверждается данными, предоставленными Заказчиком (данные были получены при бурении скважин и геологическом описании кернов для целей устройства мониторинговых скважин в подполье здания в марте-апреле 2021 г.). Бурение скважин выполнялось в зоне зафиксированных наибольших деформаций.

-      Установленные "разгружающие" конструкции меняют расчетную схему балок ростверка и могут привести к дополнительным повреждениям при развитии деформаций.

          По результатам сейсмоакустического зондирования свайного поля была измерена фактическая длина свай от низа ростверка и выявлены сваи, которые имеют "слабую" связь с грунтом основания, либо находятся в оттаявших грунтах. По каждой измеренной свае были построены спектры, где указывалась ее длина и надежность. Характер деформаций конструктивных элементов здания и места их расположения коррелируются с данными о надежных сваях и сваях с низкой несущей способностью. Данные приведены ниже в таблице. Красный диапазон энергии спектров от 90 дБ и выше служит показателем для свай, не имеющих достаточного сцепления с грунтом (сваи с недобуром до опорного слоя скальных грунтов) и/или не имеющих надежного сцепления с грунтом основания. Таким образом, выявлены сваи имеющие дефекты при их устройстве. Сопоставление результатов с местами расположения основных деформаций показал, что сваи с дефектами расположены в осях В-Ж/7-11.

В соответствии с результатами проведенных исследований, рекомендации выделены в три блока.

1.    В целях восстановления работоспособного состояния фундаментов здания рекомендуются следующие первоочередные мероприятия:

-      Устройство трубобетонных свай диаметром не менее 250 мм из подполья здания. Возле каждой сваи с признаками "недобура" и на участках повышения температуры мерзлых грунтов устраивается по две дополнительных свай вдоль цифровых осей здания. По осям 6-11 сваи устраиваются на глубину до скального основания с устройством скального стакана глубиной не менее 400 мм. В осях 1-6 глубину залегания свай принять по расчету. При расчете несущей способности (на этапе проектных работ) следует учесть вертикальную нагрузку на существующие фундаменты и значение расчетной нагрузки принять не менее 30% от фактической. В целях увеличения надежности трубобетонных свай, рекомендуется выполнить перфорацию трубы путем устройства отверстий 50-70 мм в шахматном порядке и с шагом 500 мм. Бетон в трубу подавать под давлением, при этом приповерхностную зону (на глубину до 500 мм) околосвайного пространства (зазор между трубой и стенками скважины) предварительно обетонировать. При разработке проектной документации, допускается рассматривать вариант винтовых или других типов свай. Для снижения негативного влияния экзотермии бетона на грунты основания во времени, рекомендуется использование специальной добавки – ускорителя набора прочности. После устройства дополнительных свай формируется монолитный железобетонный оголовок прямоугольной формы с обеспечением надежной связи арматуры оголовка и существующих свай в зоне контакта. Отметка верха оголовка принимается ниже отметки уровня подполья на 100 мм. Свайные фундаменты, подлежащие укреплению, расчетные и конструктивные габариты оголовка определяются на этапе разработки специального проекта.

            Схема расположения свайных фундаментов, подлежащих укреплению, и принципиальная схема приведена ниже.

1.    Для исключения дальнейшего растепления многолетнемерзлых грунтов основания и восстановления работоспособного состояния грунтов основания здания и стабилизации температурного режима в техническом подполье, рекомендуется реализация следующих мероприятий:

-      Устранить приток теплого воздуха, поступающий в техподполье из подземного вводного коллектора путем устройства герметичной диафрагмы на входе и вентиляционного выпуска до границы здания.

-      В целях приведения в соответствие теплопроводности цокольного перекрытия над вентилируемым подпольем, выполнить утепление перекрытия теплоизоляционным материалом толщиной не менее 50 мм, коэффициент теплопроводности которых не превышает 0,05 Вт/(м°С). Допускается использование двухкомпонентного ППУ предназначенного для производства пенополиуретанового материала марки Изолан 108 методом напыления непосредственно на месте применения путем нанесения состава из подполья на нижнюю поверхность плиты перекрытия. Плотность материала 15-20 кг/м3. Для повышенной адгезии к холодным поверхностям рекомендуется использовать систему компонентов Изолан-131 (28-32 кг/м3). Заполнить технологические отверстия в цокольном перекрытии теплоизолирующим материалом.

-      Исключить подток подземных надмерзлотных вод и воды с прилегающей территории в основание здания, вдоль осей А и Е произвести замену существующего легкодренирующего грунта обратной засыпки из рыхлого неутрамбованного щебня, по специально разработанному проекту. Глубина выемки определяется существующим уровнем поверхности подполья, ширина выемки – 3 метра от оси здания. Замену грунта выполнить с использованием послойно утрамбованной смеси (толщина слоя утрамбовки не более 200 мм), состоящей из щебня фракции от 0 до 40 мм Карьера "Кайерканский" (СТО 49156713.14.53-2-70-2015) и отсева вскрышных пород Карьера «Кайерканский» (СТП 49156713.14.53-2-71-2017). Существующую обваловку из щебня и из крупнообломочного грунта на участке подполья, также необходимо заменить.

Для обеспечения условий вентилирования подполья с учетом пониженных отметок поверхности подполья относительно уровня примыкающей территории вместо существующей обваловки необходимо применить железобетонные П-образные элементы (как элемент подпорной стенки). При этом следует сформировать зазор между стеной здания – 200 мм. Низ П-образного элемента устанавливается на уровне подполья, верх – на уровне существующей цокольной забирки. Для удобства монтажа, ширину сборных П-образных элементов принять – 500 мм. В каждом П-образном элементе предусмотреть отверстие (в200*ш350 мм) для вентиляции подполья. В зоне контакта П-образных железобетонных элементов с грунтом предусмотреть жесткую гидроизоляцию.

В целях минимизации негативного влияния на геокрилогические условия основания при устройстве траншеи, данное мероприятия целесообразно выполнить в сентябре, в конце летнего периода.

-      Устроить водозащитный экран на поверхности подполья из геомембраны (толщина геомембраны 0,5-1,0 мм), имеющей свойство 100% защиты от проникновения воды и создающей компенсирующий экран и регулирующий теплообмен между грунтами и воздухом в подполье здания. До укладки геомембраны необходимо выполнить вертикальную планировку поверхности (с удалением существующего разрушенного асфальтового покрытия) с использованием послойно утрамбованной смеси, состоящей из щебня фракции от 0 до 40 мм Карьера "Кайерканский" (СТО 49156713.14.53-2-70-2015, массовая доля влаги должна быть не более 5 %) и отсева вскрышных пород Рудника «Кайерканский» Карьер «Кайерканский» (СТП 49156713.14.53-2-71-2017). После укладки геомембраны, необходимо предусмотреть защитный бронирующий слой (допускается применение слоя толщиной 50 мм из песка гранулированного шлака, пропитанного битумом либо иное проектное решение).

С целью контроля изменения температурного режима основания Дворца Культуры, в том числе для проверки эффективности мероприятий по восстановлению расчетных отрицательных температур многолетнемерзлого грунта, необходимо организовать сеть геотехнического мониторинга с устройством термометрических и гидрогеологических скважин, деформационных марок и глубинных реперов. После устройства элементов сети мониторинга следует вести постоянный контроль изменения температуры грунтов, уровня кровли многолетнемерзлых грунтов и подземных вод, осадок и крена фундаментов. Деформационные марки необходимо устроить в столбчатых фундаментах, в сваях, в балках, в перекрытиях или в полах первого этажа (в том числе входной группы) для определения какой из конструктивных элементов деформируется и установления характера деформаций. Расположение гидрогеологических и термометрических скважин, деформационных марок и реперов, их конструкция и глубина заложения определяются специально разработанным проектом.

Реализованная сеть геотехнического мониторинга также позволит провести исследования по определению динамики гидрогеологического режима основания здания. Помимо анализа результатов мониторинга исследование включает в себя проведение дополнительного обследования вентилируемых подполий соседних зданий на предмет наличия утечек из водонесущих коммуникаций, а также двух подземных коллекторов со стороны главного входа и заброшенного подземного канала со стороны оси 20 поперек улицы Комсомольская. Совместно с этим для выявления мест питания, фильтрации и разгрузки грунтовых вод рекомендуется выполнить электроразведку методом естественного электрического поля (ЕП), сейсморазведку. Данный вид работ рекомендуется выполнить в составе работ по подготовке проекта противоаварийных мероприятий для уточнения параметров.

          В рамках исследований направление потока подземных вод возможно определить путем построения карты гидроизогипс по данным, полученным по замеру уровня воды в гидрогеологических скважинах. На основании результатов исследования определить наиболее целесообразное мероприятие, реализация которого позволит исключить подток вод в основание здания (например, шпунтовая стенка, искусственное ледогрунтовое ограждение, водоотводные каналы, водопонижение в контуре здания путем устройства водопонизительных скважин, откачки воды из коллекторов и др.).

          Рекомендуемыми техническими решениями предусмотрены противоаварийные компенсирующие мероприятия, которые не затрагивают существующие конструктивные элементы здания, также не меняется предусмотренная первичным проектом нагрузка на каркас здания и фундаменты.