ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Усиление (укрепление) фундаментов

Причины, приводящие к необходимости усиления фундаментов

Фундаменты зданий, другие подземные конструкции со временем получают физический износ — результат воздействия на них природных и техногенных факторов. Минеральные материалы, из которых изготовлены фундаменты, выветриваются, обводняются и подвергаются выщелачиванию; деревянные элементы (лежни, ростверки, сваи) разлагаются, происходит коррозия металла арматуры, балок, стальных и чугунных свай.

В кладке фундаментов возникают трещины — результат неравномерной деформации грунтов. Недопустимый износ фундаментов может иметь опасное развитие с аварийными последствиями.

Основания сооружений (т. е. грунты) могут получить деформации (осадки, просадки, провалы) в ходе эксплуатации. Это приводит к износу сооружений, развитию трещин в стенах, кренов и прогибов, иногда к общей потере устойчивости. Факторы износа фундаментов и развития деформаций оснований бывают техногенными и природными.

К техногенным факторам износа относятся: неравномерная осадка оснований — процесс длительного уплотнения грунтов в результате воздействия нагрузки от массы зданий и сооружений. Как показывают наблюдения, осадки зданий развиваются десятками лет. К примеру, гостиница «Россия» в Санкт-Петербурге, законченная строительством в 1961 г., к 1963 г. имела среднюю осадку около 50 см, в последующем развитие осадки продолжалось со скоростью до 0,5 см/год, несущие продольные стены здания получили прогиб, в них развились опасные трещины.

Рис. 1. Осадка здания гостиницы «Россия» в Ленинграде (период наблюдений 1963-1983 гг.). а — план, эпюра осадки наружных стен 10-этажного здания и 2-этажных пристроек; б — поперечный разрез здания и его основания; в — эпюры осадок балок пристройки; I — ленточная глина; 2 — слоистый суглинок; 3 — торф; 4 — осадочные швы; 5 — места наибольших повреждений конструкций; б — точки установки деформационных марок

 Подработка территории, т. е. строительство подземных сооружений закрытым способом (метрополитены, тоннельные канализационные коллекторы) так же могут привести к неравномерным осадкам фундаментов.

Например, дворы, улицы, здания и сооружения над перегонными тоннелями метро оседают на 4…6 см в год, над станциями — на 6… 10 см, под наклонными эскалаторными тоннелями — на 30…40 см и более.

Искусственное понижение уровня грунтовых вод, которое происходит при устройстве дренажей, ливневой и общесплавной канализации. При этом увеличивается толщина зоны аэрации, осушаются и загнивают деревянные элементы (лежни, ростверки, сваи), фундаменты получают большую и неравномерную осадку.

Повышение уровня грунтовых вод, приводящее к «обводнению» оснований; при этом лессовые грунты получают просадку, доуплотняются рыхлые пески, может развиваться химическая суффозия некоторых минералов (гипс и др.), образование местных провалов в результате обрушения сводов карстовых полостей в известняках.

Надстройка зданий, которая увеличивает нагрузки на фундаменты, часто превышающие расчетное сопротивление R основания, что приводило к потере устойчивости фундамента или к осадке, возникали повреждения конструкций, повышался общий износ зданий.

Механическая суффозия грунта, т. е. вынос тонких фракций грунтов фильтрационным потоком в результате работы дренажей, канализации, а также при откопке траншей, строительных котлованов подземных сооружений.

Размыв грунта при прорыве водопровода или труб горячего водоснабжения, который вызывает образование каверн, промоин в грунте в местах ввода коммуникаций в здание, развитие опасных деформаций стен.

Воздействие вибрации на основания и конструкции зданий от влияния транспорта, промышленных установок, строительных механизмов. Вибрации приводят к уплотнению песков или разжижению водонасыщенного грунта и потере устойчивости основания.

Рост культурного слоя в городах — неуправляемый процесс накопления насыпных грунтов на территории городов и промышленных зон. В Санкт-Петербурге толщина культурного слоя достигает местами 3…6 м. В первые десятилетия существования города власти поощряли меры по подъему территорий, как средство борьбы с наводнениями. В XX в. территория города была расширена за счет подъема намывом прибрежных районов. Образовались свалки городского мусора, отходов промышленности. В результате кирпичная кладка стен, сводов, обладающая капиллярностью, обводнялась, теряла прочность, в зданиях возникала сырость.

К природным факторам износа относятся:

  • выветривание горных пород основания и материалов фундаментов;
  • деформации оползневых склонов;
  • протаивания толщи вечномерзлых грунтов с развитием просадки основания зданий;
  • землетрясения;
  • подмыв оснований зданий и сооружений, расположенных по берегам рек, морей, водохранилищ;
  • ветровая эрозия основания зданий и сооружений.

     

    Обычно техногенные и природные факторы действуют на основания сооружений совместно. Некоторые ситуации, приводящие к развитию деформаций оснований зданий, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Типичные ситуации, приводящие к опасному развитию деформаций оснований зданий и сооружений- а — строительство зданий в несколько очередей; б — фундаменты под новое массивное оборудование; в — строительство новых домов на месте снесенных, г — строительство новых зданий возле существующих; д — то же, но существующее здание на сваях; е — легкие пристройки массивных зданий: ж — образование осадочной воронки вокруг зданий, деформации от-мосток, дорог, коммуникаций, з — планировка подсыпкой участков возле ранее построенных зданий; и — встречный крен близко расположенных зданий; к — дополнительная осадка при надстройке; i — осадка основания металлического резервуара; м — осадка склада сыпучих материалов; 1 — эпюры осадок; 2 — эпюры дополнительных осадок; 3 — граница зоны уплотнения грунтов, 4 — осадочный шов; 5 -места возникновения повреждений конструкций: б — фундаменты; 7 — отмостка: 8- трубопровод; 9 — поверхность осадочной воронки; 10 — грунт подсыпки

 

Здания и сооружения со временем ветшают, получают моральный и физический износ, заменяются новыми. Известно, что в Нью-Йорке, на острове Манхеттен, были построены, а затем снесены и заменены новыми несколько «поколений» небоскребов. При реконструкции центра Парижа, Лондона, Брюсселя, других старинных городов сносились тысячи древних построек. В то же время многие города или отдельные районы городов объявлены ЮНЭСКО «историческими», к примеру Бремен и Любек в Германии, Гент и Брюгге в Бельгии, Дельфт в Нидерландах, многие города Италии, прежде всего Венеция, города «Золотого кольца» в России (Ростов Великий, Переяславль-Залесский, Углич, Суздаль, Владимир). Сотнями лет сохраняются некоторые исторические и архитектурные памятники, такие как собор Св. Софии в Киеве, Успенский собор на территории Московского Кремля, мечети и минареты в Самарканде и Стамбуле, пирамиды в Египте и тысячи других ценнейших строений. Очевидно, что сохранение старинных построек возможно посредством регулярных ремонтов, подновления отдельных элементов конструкций, включая и фундаменты.

В принципе, фундаменты, т. е. конструкции, расположенные в толще грунтов, защищены от прямых атмосферных и иных воздействий внешней среды. Они могут сохраняться веками даже после полного исчезновения надземной части зданий. Однако в определенных условиях фундаменты получают недопустимый износ, а грунты оснований — опасное развитие деформаций. В этих случаях в стенах зданий появляются трещины, постройки могут получать крен (например, Пизанская башня, Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге), прогиб, перекос, что может приводить к обрушению здания в целом или его отдельной части. В этих случаях возникает особая проблема — усиления фундаментов и оснований.

Актуальность этой проблемы стала очевидной в последние десятилетия, когда человечество стало бережно относиться к архитектурному наследию, поскольку города стареют, эксплуатируемые здания подвергаются капитальному ремонту и реконструкции. Важное место в этом направлении строительства занимают геотехнические проблемы — технология усиления и реконструкции оснований и фундаментов.

Конструкции и материалы фундаментов старинных зданий. Фундаменты зданий, построенных в XIX в. и ранее, в наше время часто требуют усиления. Фундаменты таких домов были выполнены из местных каменных материалов на известняковом растворе, часто включали деревянные элементы — бревна-лежни, иногда массивная кладка выполнялась поверх забитых в грунт деревянных свай.

На рис. 3 приведены разрезы фундаментов старинных зданий в Санкт-Петербурге, по данным многочисленных вскрытий и обследований, выполненных сотрудниками СПбГАСУ в разные годы в связи с разработкой проектов реконструкции зданий.


Рис. 3. Поперечные разрезы типичных ленточных (а, б. в, г, д. е. и) и плитных (ж. з) фундаментов стен домов, построенных в XVIII—XIX вв. в центре Санкт-Петербурга (по данным обследований, выполненных специалистами СПбГАСУ): 1 — кирпичная кладка: 2 — кладка из булыжника; 3 — кладка из колотых валунов: 4 — деревянные сваи: 5 — кладка из известнякового камня; б — лежни, ростверк; 7 — пол подвала: 8 — поверхность двора (улицы); 9 — бетон на битом кирпиче

Проектирование усиления фундаментов основано на общих принципах проектирования по предельным состояниям с анализом вариантов.

На практике требуется рассматривать следующие основные случаи необходимости усиления фундаментов:

а) при опасном износе фундаментов, развитии деформаций грунтов. В этом случае требуется выполнить усиление фундаментов зданий и сооружений, закрепление грунтов основания. Такая проблема возникает при разработке проектов реновации памятников архитектуры и опасном развитии повреждения конструкций заселенных домов, грозящих аварией;

б) при увеличении нагрузки на фундаменты и основание в целях осуществления надстройки зданий, замены оборудования на более массивное;

в) при увеличении глубины подвалов и других подземных объемов зданий;

г) при проектировании строительства на соседних участках. В таком случае может потребоваться превентивное закрепление основания в целях уменьшения дополнительной осадки.

Проектирование усиления фундаментов предваряется работами по обследованию технического состояния надземных конструкций, фундаментов зданий, а также инженерно-геологическими изысканиями и опытными работами. В исторических архивах чертежи фундаментов обычно отсутствуют.

Такие проекты в XIX в. и ранее не разрабатывали, выбор типа фундаментов, их формы, материала, глубины заложения и других параметров был прерогативой подрядчика, который опирался как на многолетнюю, часто сугубо местную традицию, вековой опыт, так и на общие указания государственных документов («Устав строительной Российской империи» и др.).

Поэтому исходная информация о фундаментах, средствах гидроизоляции подземных объемов здания, грунтах несущего слоя и обратных засыпок пазух фундаментов может быть получена посредством откопки шурфов с одной или двух сторон до подошвы фундаментов. Иногда приходится откапывать достаточно глубокие шурфы — до 3…4 м.

Вскрыв фундамент, обследователь делает обмеры, на основе которых выполняет чертежи (разрез и вид фундамента), устанавливает вид материала и раствора, отбирает образцы материалов и грунта из-под подошвы, которые исследует в лаборатории.

Наилучшие результаты можно получить, выбуривая из тела фундаментов цилиндрические образцы (керн), которые могут быть испытаны в лаборатории на прочность.

Бурение позволяет выявить наличие деревянных или иных свай, ростверков, установить положение их острия, не прибегая в откопке шурфов большой глубины.

Признаками недопустимых (опасных) деформаций оснований зданий являются характерные трещины в стенах (простенках, межоконных перемычках, кирпичных сводах и арках межэтажных перекрытий и др.), искажение формы коробки здания, которое устанавливается высотной съемкой цоколя или обреза фундамента (по ее результатам можно выявить прогибы, крены, перекосы стен), отклонение стен от вертикали, сдвиги перекрытий, перекосы лестничных маршей и ряд других признаков.

Усиление оснований и фундаментов рационально совмещать с капитальным ремонтом зданий. Иногда эти работы требуется выполнять и в заселенных домах или эксплуатируемых общественных зданиях. Строительная практика знает немало случаев, когда после усиления основания здание или его блок выправляли посредством домкратов или, наоборот, опускали, создавая с помощью бурения пустоты в несущем слое основания, которые приводили к управляемой осадке.

Особо ответственным и сложным является вопрос о возможности и условиях надстройки здания одним или несколькими этажами, поскольку при этом требуется установить:

  • достаточна ли прочность тела фундамента;
  • не потеряет ли несущий слой основания устойчивость от дополнительной нагрузки;
  • допустима ли осадка, которая возникнет в результате надстройки.

На этой основе выносится решение о необходимости усиления основания и фундамента, разрабатывается проект реконструкции фундамента и основания, определяется технология работ.

Расчет усиления фундамента и основания здания и сооружения

Первым шагом разработки проекта усиления основания является сбор нагрузок, передаваемых от наземной части здания по обрезу фундамента. Основой решения этой задачи являются обмерные чертежи, которые выполняются в ходе обследования здания. Оригинальные чертежи здания, если таковые удается отыскать в архивах, имеют вспомогательное значение, поскольку старые здания обычно подвергались перестройкам, включающим надстройку одним или несколькими этажами.

Сбор нагрузок выполняется обычным методом. При этом используются обмерные чертежи надфундаментных конструкций и результаты обмеров фундаментов несущих стен и колонн зданий, вскрытых шурфами.

Использование материалов инженерно-геологических изысканий, имеющихся в архивах или проводимых специально, не всегда приводит к удовлетворительным результатам, поскольку не учитывается фактор уплотнения грунтов основания под многолетним воздействием массы здания.

Более точные данные могут быть получены по результатам испытаний грунтов с использованием двух методов:

1) образцы-монолиты грунтов отбираются в шурфах из-под подошвы фундаментов, испытываются в лаборатории на компрессию и на сдвиг.

2) по данным ручного динамического зондирования грунта.

Первый метод приемлем, если несущий слой основания представлен связными грунтами, второй, — когда под фундаментами залегают пески.

Примером реализации первого метода может служить проект надстройки двумя этажами крупнопанельного пятиэтажного дома, построенного в 1961 г. Для определения величины расчетного сопротивления основания были использованы данные изысканий 1961 г. и результаты испытаний образцов грунтов, отобранных под подошвой фундаментов несущей стены, выполненные в 1998 г.

Из результатов сравнения следовало, что грунт получил существенное уплотнение и упрочнение, консистенция изменилась от текучей на тугопластичную, угол внутреннего трения увеличился с 6 до 24 градусов и т. д. В результате было установлено, что расчетное сопротивление основания до строительства Rol составляло 270 кН/м2, после 28 лет эксплуатации здания Rm =383 кН/м2, существующее давление по подошве фундаментов составляет 150 кН/м2, а после надстройки двумя этажами оно возрастет до 200 кН/м2. Следовательно, основание здания имеет значительный запас и надстройка двумя этажами без усиления фундаментов возможна. Установлено также, что основание имело двукратный запас уже на стадии строительства здания, а дополнительная осадка от надстройки не превысит 3 см.

Второй способ, основанный на результатах ручного динамического зондирования грунта, требует применения стандартного конического зонда, который закрепляется на жесткой штанге и погружается в грунт ударами груза определенной массы.

Показателем сопротивления грунта служит число ударов, обеспечивающих погружение зонда в грунт на 10 см (на «залог»). По величине «залога» определяется «условное динамическое сопротивление грунта», а по несущей способности — показатели механических свойств (ф, с, Е). Полученные данные используются для определения фактического расчетного сопротивления основания и дополнительной осадки (от надстройки).

Необходимость усиления фундаментов часто диктуется фактическим техническим состоянием фундаментов, признаками которого являются:

  • наличие разложенной древесины лежней, ростверков или свай;
  • низкое качество строительного камня (известняк, кирпич);
  • низкое качество или отсутствие кладочного раствора;
  • наличие трещин в кладке фундаментов, которые прослеживаются обычно в кладке стен;
  • смещения и вывалы кладки над проемами, выполненными для прокладки коммуникаций;
  • провалы и каверны в несущем слое основания — результат размыва грунта, микробного разложения древесины бревен и т. п.;
  • наличие слоев и линз торфа под подошвой фундаментов — результат неполной выторфовки.

Обычно перечисленные дефекты выявляются при обследовании стен, перекрытий, лестничных клеток здания, которые имеют очевидные дефекты — трещины, сдвиги массивов кладки, перекрытий, лестничных маршей.

Защита фундаментов от выветривания

Это мероприятие выполняется при физическом и химическом выветривании материала фундаментов, когда процессами выветривания кладка затронута неглубоко и нет сквозных трещин в фундаментах. Обычно это бывает, если фундаменты выполнены из бутовой или кирпичной кладки, обладающей невысокой прочностью и водостойкостью. Химическое выветривание может происходить при недостаточной стойкости цемента или заполнителя против агрессивных свойств среды.

При восстановлении поверхности фундаментов применяют оштукатуривание цементным раствором (торкретирование) по подготовленной (зачищенной) боковой поверхности фундаментов или оштукатуривание по металлической сетке, укрепленной на боковой их поверхности. Если процессы выветривания захватили фундамент на всю толщу, необходимо либо зацементировать кладку, укрепив тем самым существующий фундамент, либо выполнить обойму, восстановив несущие функции фундамента.

Цементация фундамента выполняется путем бурения с поверхности и из первого или подвального этажа в кладке фундамента скважин и нагнетания в них цементного раствора. Скважины бурят перфораторами или электродрелью диаметром 20—30 мм на расстоянии 50 см одна от другой, на глубину примерно 2/3 толщины фундамента. В скважины вставляют трубки диаметром 20—25 мм, через которые нагнетают цементный раствор. Трубки в устьях скважин заделывают густым раствором на глубину 10 см. Давление нагнетания 0,2—0,6 МПа. После пробных нагнетаний следует откопать опытные участки, проверить результаты и уточнить технологию работ, состав работ и пр.

В тех случаях, когда из-за выветривания и разрушения кладки фундаментов образовались трещины в надфундаментной части здания или сооружения, простое заполнение открытых трещин цементным раствором может быть недостаточным. Тогда рекомендуется повысить прочность здания или сооружения другими конструктивными мероприятиями.

Повышение прочности и уширение фундамента

Традиционные способы усиления фундаментов заключались, преимущественно, в увеличении ширины подошвы фундаментов, т. е. обеспечивают уменьшение удельного давления на грунт.

Кроме того, выполнялось углубление подошвы фундамента, чтобы обеспечить опирание на подстилающий плотный грунт, замену сгнивших деревянных элементов минеральным материалом. Это становилось возможным при углублении подвалов. Фундамент уширяли «прикладом» строительного камня на растворе с двух или с одной стороны; новая кладка придавала уширенному фундаменту призматическую или трапецеидальную форму.

Удачный пример таких работ — реконструкция финской церкви Св. Марии в Санкт-Петербурге в 1999-2001 гг. Главная проблема состояла в том, что под фундаментами несущих стен и внутренних колонн (столбов) был уложен сплошной ряд деревянных лежней, сгнивших на полсечения, поэтому в стенах и кирпичных сводах здания развились трещины. При больших затратах на реконструкцию здания было решено выполнить полное изъятие древесины с заменой на железобетонные подушки (рис. 5).

 

Рис. 4. Примеры традиционных способов усиления фундаментов: а — «прикладом» из природного камня; б — банкетом из бетона; в — железобетонной обоймой: 1 — бутовая кладка; 2 — кирпичная стена: 3 — «приклад» из камня: 4 — уширение стены (кирпич): 5 — металлические штыри-анкеры; 6 — бетон: 7 — стальная арматура

 
 Рис. 5. Реконструкция фундаментов и надземного объема финской церкви Св. Марии в Санкт-Петербурге. Поперечный разрез фундаментов, подвала и надземного объема (технологическая схема)

Реконструкция фундаментов наружных стен выполнялась захватками из двусторонних шурфов. Водопонижение осуществлялось из скважин-колодцев, которые были устроены в подвале здания. Уширение отдельных фундаментов (столбов) под внутренние колонны выполнить было сложнее, поскольку глубина заложения этих фундаментов была недостаточной, и требовалось не только уширить, но и углубить подошву фундаментов. В этих случаях фундаменты временно «вывешивались» с помощью металлических балок, под концы которых подкладывали брусья, между ними забивали клинья. Они обеспечивали обжатие системы «колонна — свод». После передачи нагрузки от колонны на временные опоры фундаменты подкапывали, углубляли до нужной величины (обычно до 1 м), образовавшуюся полость закладывали литой бетонной смесью. Наблюдения показали, что осадка стен была не более 2…4 см, колонн 1…3 см. Это привело к образованию незначительных трещин, которые были ликвидированы напорной инъекцией цементных растворов.

Усиление фундаментов домов, попавших в зону подработки при строительстве метрополитена, обычно осуществляется подведением под поврежденное здание сплошных фундаментных плит. Эти плиты выполняются из железобетона, имеют размеры секций подвалов здания. Плиты заделывают в штробы, которые вырубают в стенах подвалов, на уровне существующих полов. Такие плиты работают совместно с существующими фундаментами, повышают общую устойчивость основания за счет уменьшения удельного давления на грунт и повышения общей жесткости зданий.

Рассмотренные традиционные технологии было нетрудно выполнить в сухих грунтах, но весьма проблематично в грунтах водонасыщенных, ниже уровня грунтовых вод. В этих случаях «приклад» к существующему фундаменту обычно вели выше уровня его подошвы и выше уровня грунтовых вод. Такое усиление было недостаточно эффективным (см. рис. 4, а).

Работы по усилению фундаментов традиционными способами были трудоемкими, отнимали много времени и средств, имели ряд недостатков. Так, «приклад» и новые плиты опирались на необжатый грунт, который включался в работу только после развития некоторой осадки, что могло вызывать дальнейшее развитие деформаций здания. По указанным причинам часто старались избежать дорогостоящего и трудоемкого процесса усиления фундаментов, предпочитая разбирать здание и строить на его месте новое.

При реконструкции производства или здания, когда существенно возрастают нагрузки на фундамент, а также когда в результате неравномерных осадок появляются трещины в здании и фундаменте, рекомендуется усилить фундамент, выполнением обойм из бетона или железобетона. В старом фундаменте, а иногда и в цокольной части стен устраивают штрабы, бурят шпуры, в которые устанавливают закладные детали (балки, арматуру), обеспечивающие совместную работу старых фундаментов и обойм. Кроме того, в обоймах устанавливают арматуру, рассчитанную на обеспечение прочности стен в продольном направлении. Этим способом достигается также развитие опорной площади фундаментов, т.е. снижается давление на основание, а следовательно, уменьшаются осадки здания.

Для обеспечения совместной работы обоймы и фундамента из рваного бутового камня на слабом цементном растворе обойму выполняют в траншеях. В отверстия, просверленные перфораторами или пробитые в старом фундаменте, вставляют стяжки. Сцепление бетона с бутовой кладкой обусловливается неровной боковой поверхностью кладки, очищенной от грунта, промытой и продутой сжатым воздухом.

На рис. 7 показано усиление бетонного или из гладкой каменной или кирпичной кладки фундамента с одновременным увеличением опорной площадки, также с выполнением обоймы. Размер шпонок по высоте принимается исходя из обеспечения передачи поперечных усилий от обоймы существующему фундаменту. Желательно выполнять обойму с применением расширяющегося цемента. При необходимости в обойму вставляется продольная арматура, например при наличии трещин в фундаменте, лишающих фундамент необходимой жесткости.

Если требуется расширить фундамент с обжатием основания под полосами расширения или выправить фундамент и стену, то рекомендуется следующая технология (рис. 8): в траншеях устраивают из сборных блоков или из монолитного бетона банкетки на утрамбованной щебеночной подготовке; пробивают отверстия сквозь фундамент и штрабы вдоль фундамента; устанавливают в отверстия металлические балки; вдоль фундамента бетонируют железобетонные балки или устанавливают металлические; домкратами обжимают основание под банкетками и, если требуется, выравнивают фундамент и стену; между домкратами устраивают бетонное заполнение или подкладки; вынимают домкраты и омоноличивают конструкцию.

Рис. 6. Увеличение площади подошвы бутового фундамента: 1 — бетонная обойма; 2 — металлическая стяжка; 3 — стена; 4 — существующий ослабленный фундамент; 5 — щебень, втрамбованный в грунт
Рис. 7. Увеличение площади подошвы кирпичного или бетонного фундамента: 1 — железобетонная обойма; 2 — шпонки; 3 — продольная арматура

В аналогичной ситуации удобно применять домкраты Фрейсине, представляющие собой плоские плиты из двух сваренных по контуру стальных листов толщиной 1—2 мм. По периметру такой полой плиты выполняют полый валик диаметром до 80 мм. В домкраты нагнетают твердеющую жидкую смесь, например цементный раствор или эпоксидную смолу, которые после обжатия грунта основания сохраняют напряженное состояние за счет затвердевания (рис. 9).

 

Рис. 8. Расширение и выправление деформаций фундамента: 1 — существующий фундамент; 2 — бетонная банкетка; 3 — продольная железобетонная балка; 4 — поперечная металлическая балка; 5 — домкрат; 6 — щебень, втрамбованный в грунт; 7 — бетонное заполнение
Рис. 9. Расширение фундамента с применением плоских домкратов: 1 — плоский домкрат Фрейсине; 2 — железобетонная конструкция уширения; 3 — существующий фундамент; 4 — нагнетательная трубка

Конструкция таких домкратов очень проста и их можно изготовлять в мастерской по мере надобности. Форма домкратов в плане может быть квадратной, прямоугольной, круглой. Контроль за обжатием можно вести по манометру.

Необходимая площадь опорной поверхности деревянных клеток, банкеток, временных подкладок под домкратами определяется исходя из повышенных нагрузок на грунт во время вывешивания надземных конструкций. Эти временные нагрузки на насыпной уплотненный грунт принимаются до 500 кН/м2, на глинистый ненарушенный тугопластичный грунт — до 1000 кН/м2, на песчаный грунт — до 2000 кН/м2.

Пример увеличения опорной площади отдельно стоящего железобетонного фундамента показан на рис. 10.

 

  

Рис. 10. Расширение опорное площади и усиление отдельно стоящего фундамента: 1 — существующий фундамент; 2 — арматура существующего фундамента; 3 — новая арматура; 4 — новый бетон; 5 — поверхности вырубки существующего фундамента

 

Подведение свай

Современные способы усиления фундаментов и оснований базируются на двух принципах: «пересадке» здания на сваи и закреплении грунтов оснований инъекцией в грунт строительных растворов. Кроме того, эти работы обычно включают меры по усилению кладки фундаментов.

При наличии в геологическом разрезе основания прочного слоя, пригодного для опирания на него свай, в проектах усиления фундаментов следует рассматривать вариант подведения свай под существующие фундаменты (рис. 11 и 12).

Рис. 11. Подведение под фундамент буронабивных свай: 1 — свая; 2 — ростверк; 3 — домкрат, удаляемый перед обетонированием; 4 — надставки; 5 — балка; 6 — обетонирование; 7 — существующий фундамент; 8 — штрабы
Рис. 12. Сопряжение фундаментов существующего здания и пристройки: 1 — буронабивная свая; 2 — ростверк для пристройки; 3 — сетка, объединяющая ростверки; 4 — вырубаемый слой бетона; 5 — обнажаемая арматура существующего ростверка; 6 — существующий ростверк; 7 — забивная свая; 8 — поддерживающий консольный выступ

Сваи, применяемые при усилении фундаментов, существенно отличаются от свай, применяемых в обычных условиях. При усилении фундаментов используют буровые сваи, буроинъекционные, сваи вдавливания. Отличительной особенностью свайных технологий является необходимость применения малогабаритной техники, приспособленной для работы в низких помещениях (в подвалах, первых этажах зданий).

 

Рис. 13. Варианты конструктивных решений «пересадки» усиливаемых фундаментов на вертикальные сваи: а — с поперечными распределительными балками: б — с продольными: в — сечение по 1- I; 1 — усиливаемый фундамент; 2 — стена; 3 — сваи: 4 — балка поперечная; 5 — балка продольная, заделанная в штробе

Подведение свай вблизи стены чрезвычайно затрудняет работу. Для выполнения буронабивных свай необходимо, чтобы минимальное расстояние от свай до стены составляло не менее 2,5 м.

При этом поперечные балки получаются громоздкими, что осложняет их монтаж и вызывает большие расходы металла. Кроме того, бурение крупных скважин сопровождается сотрясением, а часто и увлажнением грунта, что может повлечь дополнительные осадки здания под нагрузкой.

Вертикальные (буровые, вдавливаемые) сваи располагают вдоль края усиливаемого фундамента в ряд, их объединяют монолитной железобетонной балкой, которую заделывают в штробы, выполненные в теле фундамента, или закрепляют анкерными устройствами. При двусторонней постановке вертикальных свай их объединяют попарно балками, которые пропускают через отверстия в старых фундаментах.

Внутри здания работы еще более осложняются из-за стесненности пространства и недопустимости нарушения технологических процессов предприятия, поэтому приходится иногда применять такие конструкции усиления, в которых стена подвешивается на консольные балки, и часть буронабивных свай работает на увеличенную нагрузку по сравнению с нагрузкой на существующие фундаменты.

Рис. 14. Усиление фундамента буронабивными сваями, расположенными снаружи здания: 1 — буронабивные сваи; 2 — анкеры; 3 — балка; 4 — фундамент здания; 5 — замоноличиваемая заделка балки

Зачастую забивка свай и бурение недопустимы по грунтовым условиям, по состоянию здания или по требованиям, исключающим шумы и вибрации. В этом случае применяются вдавливаемые сваи. Расположение свай может быть ближе к стене и даже под существующим фундаментом. Для этого надо сначала укрепить фундамент, а иногда укрепить и стену, затем, отрывая последовательно шурфы под фундаментом (на 1,8—2 м глубже их подошвы), подводить и вдавливать в грунт отрезки металлических труб, свариваемых одна с другой и заполняемых бетоном. Вдавливание производится домкратом. Иногда такие сваи вдавливают на глубину 25 м. Преимуществом этих свай является возможность определить их несущую способность в процессе производства работ.

За рубежом применяют вдавливаемые сваи из сборных железобетонных элементов длиной до 100 см — сваи Мега. Площадь сечения свай 20×20 и 30×30 см. Внутри свай имеется сквозное отверстие. Допустимая нагрузка: 400 кН на сваи 30×30 см и 200 кН на 20×20 см. Расстояние между сваями принимается 1,3—2 м.

Устройство буронабивных и вдавливаемых свай требует соединения этих свай со старым фундаментом, что выполняется либо с помощью металлоконструкций (см. рис. 6 и 8), вставляемых в проемы и штрабы фундамента, либо с помощью железобетонных обойм (см. рис. 7).

Длина свай усиления назначается в соответствии с геологическим разрезом основания так, чтобы пята свай достигала плотного грунта. Обычно длина свай изменяется от 3 до 20 м. Диаметр свай назначают в зависимости от применяемого оборудования, длины сваи, материала и других факторов; обычно он варьируется в пределах от 80 до 250 мм. Сваи рассчитывают по несущей способности и на продольный изгиб. Число свай и шаг свай в рядах назначают в зависимости от того, какую часть нагрузки от несущих стен и колонн требуется передать на сваи, полагая при этом, что часть нагрузки передается на основание существующими фундаментами.

Допустим, здание требуется надстроить, увеличив нагрузку по обрезу фундаментов несущих стен р на 10 %, несущая способность основания исчерпана, т. е. р = R (R -расчетное сопротивление основания). Следовательно, вся нагрузка от надстройки должна быть воспринята сваями.

Усиление фундаментов и основания при надстройке зданий Надстройка зданий широко практикуется и рассматривается как средство получения полезной площади с наименьшими затратами. К примеру, в дореволюционное время в Санкт-Петербурге при перемене владельца здания часто выполнялась реконструкция, менялась планировка, осуществлялась надстройка здания, изменялся облик фасада. Изучение исторических материалов показало, что надстройки выполнялись несколько раз и, допустим, одноэтажный дом превращался в двух- или трехэтажный.

Очевидно, что решение о возможности надстройки здания во многом определяется техническим состоянием фундаментов: устойчивостью основания и величиной дополнительной осадки. Еще в довоенное время в Ленинграде было принято правило, допускающее увеличение нагрузки на существующие фундаменты без усиления на 25…30 % от существующей нагрузки, что допускало надстройку на один этаж без поверочных расчетов основания.

Методы инъекционного закрепления системы «основание-фундамент»

Буроинъекционные сваи отличаются от буровых тем, что в ствол скважины строительный раствор (обычно мелкозернистый пескобетон) подается под давлением от 1 до 3 МПа. Эта операция называется «опрессовкой» скважин, при этом грунт, окружающий сваю уплотняется, и фактический размер сваи получается большим, чем номинальный диаметр скважины, на 5… 10 %. Бурение скважин осуществляют разными методами: «проходными» шнеками, с обсадными трубами или с промывкой скважин буровым глинистым раствором. Наклонные сваи пробуривают через кладку фундамента и грунт основания до слоя достаточно плотного грунта. Эти сваи можно выполнять с двух сторон, с одной стороны (под разными углами), с уровня улицы, с пола подвала, с перекрытий над подвальным этажом.


Рис. 15. Конструктивные решения пересадки фундаментов на буроинъекцион-ные сваи: а, в — односторонняя постановка сваи; б, г — двусторонняя постановка свай; а, б — устройство свай с пола первого этажа здания; в, г — устройство свай в подвале; I — фундаменты; 2 — стена; 3 — перекрытие; 4 — лежни (бревна); 5 — буроинъекционные сваи

Метод инъекционного закрепления состоит в том, что грунт насыщают строительными растворами, которые заполняют поры, придают грунтам повышенные механические свойства и образуют замкнутые объемы. Растворы, нагнетаемые в грунт, заполняют полости или зоны ослабленного (разрыхленного) грунта, компенсируют объем древесины лежней, свай и ростверков, утраченный при гниении. С течением времени растворы отверждаются, при этом достигается уширение подошвы фундаментов и увеличение глубины заложения подошвы, т. е. обеспечивается повышение несущей способности основания и уменьшение его деформируемости.

Использование струйной технологии Ее суть состоит в том, что высоконапорная струя позволяет перемешивать грунт с цементным раствором и получать новый материал — цементогрунт, обладающий достаточно высокими механическими свойствами.

Рис. 16. Инъекционное закрепление: а — кладки: б — грунта несущего слоя (здание Нового Эрмитажа. Реализованный проект, 2001 г.): 1 — фундамент: 2 — кирпичная стена: 3 — инъекционная скважина; 4 — полусгнившие лежни; 5 — массив закрепленного грунта; б — подвал
Рис. 17. Высоконапорная инъекция «джет граут» — технологическая схема: а — бурение скважины: б — начало струйного нагнетания; в — объем закрепленного грунта (завершение работы)

 

Рис. 18. Использование технологии «джет граут» для пересадки фундаментов стен на закрепленный грунт и образования подпорной стены подземного гаража; 1 — стена дома: 2 — бутовый фундамент; 3 — массив закрепленного грунта под фундаментом; 4 — массив закрепленного грунта возле фундамента (подпорная стенка подземного объема); 5 — котлован; 6 — подвал существующего дома: 7 — водоупор

В последнее время начинают применяться для укрепления фундаментов буроинъекционные сваи, называемые также корневидными. Для устройства этих свай нет необходимости выполнять большие земляные работы, пробивать вручную проемы и штрабы в старых фундаментах, зачищать боковую поверхность для сцепления нового бетона с материалом старого фундамента, расходовать стальной прокат.

С поверхности земли и с уровня пола первого этажа или подвала бурят вертикально и наклонно через существующий фундамент скважины до опирания на прочный грунт. Диаметр скважины обычно составляет 100—250 мм. Этот вид укрепления фундаментов наиболее индустриален.

Корневидные сваи особенно целесообразно применять для усиления старых фундаментов при реконструкции здания с увеличением нагрузок на фундамент, а также при опасности нарушения естественного основания глубокими выемками или подземными выработками возле здания. Известны примеры закрепления старых фундаментов зданий в тех случаях, когда рядом строится новое здание, под нагрузкой которого возможны деформации основания под старым зданием. В отличие от буронабивных свай, корневидные сваи бурят с помощью станков с малыми габаритами и массой, не нарушающими фундамент и грунт основания.

Рис. 19. Усиление фундаментов корневидными сваями: а — висячими; б — усиление фундамента сваями-стойками; 1 — буроинъекционные (корневидные) сваи; 2 — фундамент; 3 — слабый грунт; 4 — прочный грунт

Технологическая линия по бурению скважин и устройств буроинъекционных свай состоит из буровых станков СБА-500, растворонасосов СО-48 (С-854) или СО-49 (С-855), ситогидроциклонной установки 4СГУ-2, приемных емкостей и раствороводов. В зависимости от грунтовых условий применяется бурение шнеком, шарошечным долотом, колонковой трубой как без крепления скважин обсадными трубами, так и под защитой либо обсадных труб, либо глинистого раствора. Для бурения по кирпичной, каменной кладке или по бетону используются коронки повышенной прочности.

Высокопрочные коронки могут выбурить даже арматуру больших диаметров. После окончания бурения в скважину, заполненную глинистым раствором, опускают арматурный каркас. Обычно это делают секциями длиной 1—3 м в зависимости от высоты помещения, из которого ведется бурение скважин.

Вне помещений длина каркасов может быть больше. Затем в скважину опускают инъекционные трубки, через которые подается цементно-песчаный раствор. Для уточнения несущей способности свай рекомендуется проводить полевые испытания. Принципиальные проектные решения по усилению фундаментов и укреплению оснований в процессе проектирования рекомендуется согласовывать со строительной монтажной организацией, привлекаемой к выполнению работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аллас Э.Э., Мещеряков А.Н. Укрепление оснований гидротехнических сооружении. — М. — Л.: Энергия, 1966. — 115 с.

2. Брансден Д., Дорнкемп Дж. Неспокойный ландшафт. — М.: Мир, 1981. — 191 с.

3. Ганичев И.А. Устройство искусственных сооружений и фундаментов. — М.: Стройиздат, 1981 — 543 с.

4. Гендель Э.М. Инженерные работы при реставрации памятников архитектуры. — М.: Стройиздат, 1980. — 198 с.

5. Герсеванов И.М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов и их практическое применение. — М.: Стройиздат, 1948. — 247 с.

6. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (уч. для вузов). — М.: Стройиздат, 1981. — 319 с.

7. Зурнаджи В.А., Филатова М.П. Усиление оснований и фундаментов при ремонте зданий. — М.: Стройиздат, 1970. — 96 с.

8. Камбефор Г., Пуглис Р. Подъем здания с помощью инъекций раствора. Пер. с франц., 1971. — 23 с.

9. Кнорре М.Е., Моргунов Н.С, Коль с.А. и др. Опытный кессон Волгоярстроя. — М. — Л.; Госстройиздат, 1939.

10. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. — М.: Стройиздат, 1980. — 133 с.

11. Леггет Р. Города и геология. Пер. с англ. — М.: Мир, 1976. — 558 с.

12. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений. — М.: Стройиздат, 1978. — 375 с.

13. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. СНиП 2.02.01-83. — М.: Стройиздат, 1984.

14. Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

15. Швец В.Б. Тарасов Б.Л., Швец Н.С. Надежность оснований и фундаментов. — М.; Стройиздат, 1980. — 157 с.

16. Улицкий В М, Шашкин А Г Геотехническое сопровождение реконструкции городов М Изд-во АСВ, 1999