N5, 2002

Причины обрушения жилого дома
на Двинской ул. в Петербурге

УЛИЦКИЙ В.М., ШАШКИН А.Г., ШАШКИН К.Г.

От редакции. Оценка риска становится одним из основных направлений гео-технической науки. Активно формируются терминология, концепция оценки риска на различных стадиях строительного процесса, методика расчета надежности сооружений.
Целью этого направления является замена волюнтаристского подхода в назначении коэффициентов запаса и надежности (который отражен в существующих нормах) научно обоснованным методом, базирующимся на пофак-торном расчетном анализе геотехнической ситуации. Редакция открывает специальную рубрику по этой важной тематике статьей В.М. Улицкого, А.Г.Шашкина и К.Г.Шашкина о причинах обрушения здания на Двинской улице в Санкт-Петербурге.

Аварийное разрушение зданий в большинстве случаев оказывается результатом действия комплекса факторов, среди которых имеются пассивные компоненты (ошибки, заложенные на стадии изысканий, проектирования и строительства) и активные (дополнительные внешние воздействия, проявившиеся на стадии эксплуатации и служащие непосредственной причиной развития аварийной ситуации). Анализ аварийной ситуации, таким образом, представляет собой сложную многофакторную задачу. Ее успешное решение – выявление основных и сопутствующих причин разрушения – во многих случаях оказывается возможным только с помощью современных численных методов.

Огромный резонанс в Петербурге и во всей стране вызвало недавнее катастрофическое разрушение жилого дома на Двинской ул. Современное кирпичное здание, не имевшее трещин раскрытием более 3...4 мм, разрушилось за какие-то 40...50 минут. По поводу причин аварии выдвигалось немало гипотез – как отчасти справедливых, так и неверных. Ни одна из них не могла претендовать на обобщение.

Попытаемся дать всесторонний анализ аварийной ситуации.

Общие сведения

Дом № 8 корпус 3 по Двинской ул. представлял собой 9-этажное кирпичное здание, скомпонованное из 4-х секций в перемычках между которыми устроены лестницы и вестибюли (рис. 1). Наружные и внутренние стены были выполнены из керамического кирпича. Толщина наружных стен составляла 540 мм. Перекрытия были запроектированы из круглопустотных панелей и плоских железобетонных плит.

Рис.1

Фундаменты здания выполнены из бетонных блоков, установленных на железобетонные подушки. Глубина заложения фундаментов составляет 2,0...2,1 м от поверхности (абс.отм. +1,6...1,7 м Б.С.), ширина подошвы 2,8...3,2 м, среднее давление по подошве фундамента 1,5 кг/см². Под подошвой проектом была предусмотрена песчаная подсыпка толщиной 100 мм. По верху фундаментных подушек запроектирован армированный пояс высотой 50 мм. На блоки опиралась кирпичная кладка, которую по проекту предполагалось армировать сварными сетками. Толщина несущих стен превышала толщину фундаментных блоков на 140 мм.

Проект здания был разработан ЦНИИЭП жилья по плану типового проектирования 1968 г. Фундаменты устроены по типовому проекту института ЛенНИИпроект, привязанного по месту.

В 1969 г. трест ГРИИ подготовил заключение об инженерно-геологических условиях участка строительства.

Проект привязки фундаментов выполнен без учета результатов изысканий. На чертеже было помещено примечание: «Расчет фундаментов произведен согласно распоряжению главного инженера института за № 15-70 от 3.9.70 (принято j_н=20°; g= 2 т/м³ при Е=100 кг/см²)». Эти данные не согласуются с результатами изысканий треста ГРИИ. О причинах такого откровенного волюнтаризма остается только догадываться.

В результате шурфования, проведенного  институтом “Фундаментпроект”, было обнаружено несоответствие выполненных конструкций проектным решениям: фундаментные подушки местами оказались уложенными с промежутками, местами фундаментами служили блоки. В ряде частей здания (в углах секций) были обнаружены отклонения реальных размеров фундаментов от проектных решений. 

2. Анализ инженерно-геологических условий площадки

Геоморфологически площадка, территория, на которой было построено здание,  входит в пределы прибрежной зоны Приморской равнины, поднятой насыпными свалочными грунтами с абс.отметок ~ 0,0 м до ныне существующих 3,5...4,2 м Б.С. Юго-западная часть здания примыкала к склону Сельдяного канала, засыпанного в конце  1960-х годов. Грунты отсыпались на заторфованные отложения. Мощность насыпных и заторфованных грунтов составляет 3,5...4,2 м. По результатам изысканий 2002 г. (выполненных после обрушения здания) верхняя толща характеризуется крайней неоднородностью по плотности сложения и составу, содержит заторфованные грунты не только в подошве, по и внутри толщи насыпных грунтов. Заторфованные грунты характеризуются низкими строительными свойствами.

Под насыпными грунтами залегают морские и озерные отложения, представленные песками средней плотности переменной мощности (1,3...2,0 м с восточной стороны здания; 0,5...1,5 м – с западной). Минимальная толща песков отмечена  в районе разрушенной секции. С абс.отметок минус 1,5... минус 1,7 м они подстилаются мягкопластичными суглинками озерно-ледниковых отложений мощностью 0,5...1,4 м, ниже которых с абс.отметок минус 2,0...минус 3,1 м Б.С. залегают ледниковые отложения. Последние представлены двумя горизонтами морены – лужской и московской, разделенными межстадиальными озерно-ледниковыми отложениями. Залегающие в верхней части моренной толщи лужские супеси мягкопластичной консистенции по данным статического зондирования характеризуются лобовыми сопротивлениями 5...10 кг/см²; они обнаружены практически по всему периметру здания за исключением северо-восточного угла. Мощность супесей достигает 5,0...5,5 м. Они подстилаются тугопластичными суглинками, а с абс. отметок минус 9,3... минус 11,9 м Б.С. – межледниковыми супесями полутвердой консистенции. Кровля полутвердых супесей московской морены находится на абс. отметках минус 15,3... минус 15,8 м Б.С.

Уровень грунтовых вод при изысканиях 1969 г. (май) был зафиксирован на абс. отм. +0,7 м Б.С., в 2002 г. (июнь) – на абс.отм. +2,0...+1,8 м Б.С. В период аварии колебание уровня воды в р.Неве было незначительным (не более +30 см над ординаром).

В целом инженерно-геологические условия неблагоприятны для возведения фундаментов мелкого заложения. Наличие насыпных и заторфованных грунтов требует даже для малоэтажной застройки проведение работ по выторфовке и устройству песчаной подушки. 

3. Краткая характеристика аварийных деформаций

03.06.2002 г. произошло обрушение южной секции общежития. Обрушению предшествовало интенсивное развитие крена здания в южном направлении с образованием раскола между смежными секциями (рис.2).

Рис.2

Согласно сведениям, полученным у эксплуатационных служб, 22.05.2002 наблюдалось подтопление подвала. 30.05 и 31.05 в ГУП «Водоканал» поступали сообщения о вытекании воды на газоне и в районе фундаментов здания. 1.06.2002 г. был перекрыт один из вводов водоснабжения в здание. 3.06.2002 г. ремонтная служба ГУП «Водоканал» осмотрела подвал (подвал был без воды) и приступила к ремонту ввода водопровода, для чего была начата откопка приямка глубиной 1,4 м с размерами в плане 1,0х1,5 м (по сведениям ГУП «Водоканал»). Непосредственно после откопки послышался «хлопок» со стороны подвала, обнаружилась трещина в здании. Ремонтные рабочие были эвакуированы. В котлован со стороны здания стал осыпаться песок. В здании начался пожар. Через 45 минут южная секция обрушилась.

По данным геодезической службы треста ГРИИ наибольшие осадки получила южная стена здания (до 0,5 м). При размерах обрушившейся секции в плане 14,75х16,10 м объем «призмы» осадок составляет порядка 50 м³. 

4. Расчетный анализ причин деформирования здания

Достоверная оценка причин разрушения возможна только с учетом совместной работы основания, фундаментов и надземных конструкций здания. Серия численных расчетов выполнялась с применением разработанного в НПО «Геореконструкция-Фундаментпроект» программного комплекса «FEM models» [1,2]. Этот программный комплекс позволяет моделировать совместную работу основания и надземных конструкций здания с учетом нелинейной работы грунта.

Для моделирования работы основания использовалась упругопластическая модель с предельной поверхностью, описываемой критерием Кулона-Мора, предполагающая упругое поведение среды ниже предела текучести и простое (без упрочнения и разупрочнения) пластическое течение при напряжениях на пределе текучести. Для моделирования работы кирпичной кладки применялись пластинчатые элементы, предполагающие упруго-хрупкое поведение материала. Пределы прочности кирпичной кладки при различных видах нагружения принимались в соответствии со СНиП II-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции». Расчетная схема задачи представлена на рис. 1.

Для выявления характера деформирования здания за период его существования был проведен совместный расчет здания и основания на проектные нагрузки. Изыскания 2002 г. не дали ответа на вопрос, была ли выполнена под зданием песчаная подушка, или же основанием фундаментов служат насыпные грунты. В связи с этим в расчетах рассматривалось 2 варианта:

– с учетом песчаной подушки в основании фундаментов, заменяющей слабые насыпные грунты;

– без учета подушки при устройстве фундаментов непосредственно на насыпных грунтах; в этом случае характеристики насыпного грунта принимались в соответствии с результатами изысканий 1968 г.

Расчеты показали, что при учете работы фундаментной подушки здание получает осадки с абсолютной величиной 9-12 см. При расчете здания, основанием которого служат насыпные грунты, расчетные осадки достигают 24-26 см. При этом в основании фундаментов наблюдаются весьма значительные зоны пластических деформаций. Особенно большие зоны наблюдаются под углами блоков. Такие зоны свидетельствуют о том, что расчетное сопротивление грунта в основании фундаментов превышено.

Совместный расчет основания и конструкций здания позволил не только вычислить абсолютные величины осадок, но также выявить пространственный характер распределения неравномерностей осадок. Расчетами установлено, что несмотря на большую разницу абсолютных величин осадок общая картина деформирования здания и распределения относительных осадок по двум вариантам практически совпадает. По обоим вариантам наблюдается картина неравномерного деформирования наружных и внутренних стен. Наибольшие осадки претерпевают внутренние стены здания. Максимальная неравномерность осадок (0.003) наблюдается у аварийной секции, что свидетельствует о низкой пространственной жесткости здания.

Как показывает расчет с учетом упруго-хрупкой работы кирпичной кладки, такая неравномерность осадок приводит к образованию серии вертикальных трещин в стенах (рис. 3), характерной для зданий с жесткими железобетонными перемычками. В отличие от зданий старой застройки с клинчатыми перемычками, для которых свойственны наклонные осадочные трещины, наличие жестких перемычек приводит к тому, что деформации межоконного блока происходят в форме его поворота как жесткого целого. Именно такие трещины наблюдаются в сохранившихся блоках здания, а также в соседнем здании, построенном по тому же проекту (рис.4). Расчетная картина  деформаций совпадает с наблюдаемой в действительности. В частности, трещина в районе опирания перемычки свидетельствует о большей осадке угла секции. Развитие серии таких вертикальных трещин приводит к опасности локального обрушения перемычек, а также к разделению здания на отдельностоящие вертикальные «столбики», что практически лишает его конструкцию пространственной жесткости.

Рис.3

Рис.4

Дальнейшие расчеты выполнялись с целью выявления возможных причин обрушения. Как показали расчеты, для здания в целом характерна деформация в форме «гамака» и не характерна деформация с наклоном секции от здания. Если предположить сильную неоднородность основания в пределах пятна застройки (отсутствие под аварийной секцией песчаной подушки, понижение рельефа в районе засыпанного Сельдяного канала), то такой наклон получает расчетное подтверждение, однако в этом случае остается необъясненным тот факт, что подобные деформации проявились только перед обрушением здания, а не сразу после его постройки.

Поэтому наиболее вероятной причиной резкого деформирования секции с наклоном в сторону от других секций следует считать некоторое техногенное воздействие. Рассматривались следующие возможные виды воздействий:

• выемка грунта в непосредственной близости от фундаментов;
• потеря устойчивости основания в результате изменения прочностных характеристик при неоднократном замачивании техногенными водами с развитием суффозионных процессов или в результате выемки грунта;
• вынос грунта из-под фундаментов.

Как показали расчеты, при локальной выемке грунта, даже до глубины ниже подошвы фундамента, маловероятен наблюдавшийся перед обрушением значительный крен всей секции. Поскольку пространственная жесткость здания мала, то при локальной выемке более вероятен вариант обрушения части секции (нескольких простенков или одной стены), но не секции в целом. Наблюдавшийся характер обрушения секции мог быть вызван достаточно большой выемкой грунта, практически вдоль всей торцевой стены, что маловероятно.

Как показывает обследование, под частью стен отсутствуют полагающиеся по проекту фундаментные подушки, а основание на глубину до 1,5 м ниже подошвы фундаментов существенно разуплотнено (динамический зонд погружался с минимальным сопротивлением). В связи с этим основание фундаментов может находиться в состоянии, близком к предельному. В этом случае даже незначительное воздействие (например, локальная выемка грунта) может привести к потере устойчивости основания, выпору грунта и обрушению здания. Локальная выемка грунта, таким образом, не является непосредственной причиной обрушения, а выполняет роль своего рода «толчка», выводящего систему из состояния неустойчивого равновесия.

Достаточно вероятной в данной ситуации представляется третья возможная причина аварийного деформирования – вынос грунта из-под подошвы фундаментов. Необходимым условием такого выноса является наличие высокого градиента напора. Такой градиент возможен, например при нарушении герметичности подземных коммуникаций, расположенных ниже подошвы фундаментов. Вынос грунта мог быть инициирован протечками коммуникаций, наблюдавшимися непосредственно перед обрушением. Как показывают расчеты, в случае выноса грунта в подземные коммуникации характер деформирования здания может быть близким к наблюдавшемуся перед обрушением (наклон всей секции, а не деформирование ее частей) (рис. 5).

Рис.5

Таким образом, причиной мгновенного катастрофического обрушения можно считать комплекс неблагоприятных факторов, включающий в себя неадекватность проектного решения геотехнической ситуации, отклонения от проектного решения при возведении здания, влияние неблагоприятных техногенных факторов. Получение дополнительных данных по комплексному обследованию состояния сохранившихся секций здания и окружающей территории поможет сделать более точные выводы о причинах обрушения.

Выводы

Проведенные расчеты позволили выявить следующие предпосылки, которые привели к возможности обрушения здания:

а) проект устройства фундаментов не обеспечивал допустимых значений неравномерностей осадок;

б) грунт под частью здания находился в предельном состоянии, что было обусловлено не соответствием реально выполненных фундаментов проектному решению;

в) выявленные неравномерности осадок, как показывает расчет, приводят к образованию системы вертикальных трещин в стенах. Такая система трещин наблюдается в сохранившихся секциях и в соседнем здании (корпус 2). Близкая картина образования трещин наблюдается и в других зданиях той же серии, в особенности при наличии в основании слабых сильносжимаемых грунтов. Развитие системы вертикальных трещин приводит к разделению здания на отдельные «столбики», что практически означает потерю им пространственной жесткости. Образование вертикальных трещин и характер обрушения здания свидетельствует о том, что предполагавшееся по проекту армирование стен арматурными сетками, вероятно, в ряде мест не было выполнено. Установленная при обследовании недостаточная ширина площадки опирания панелей перекрытия на стены (6-7 см) также способствовала их обрушению по всем этажам.

Как показывают расчеты, непосредственная причина обрушения носит техногенный характер. Причинами, вызвавшими разрушение, могут являться:

а) выемка грунта в непосредственной близости от фундаментов;

б) потеря устойчивости основания в результате изменения прочностных характеристик грунтов при неоднократном замачивании техногенными водами с развитием суффозионных процессов или в результате выемки грунта;

в) вынос грунта из-под фундаментов.

Последняя причина, исходя из выполненного численного моделирования, представляется наиболее вероятной.