Укрепление и усиление оснований

Для повышения прочности оснований эксплуатируемых зданий и сооружений и предотвращения развития в их конструкциях деформаций аварийного характера, а также для выполнения работ по ремонту и реконструкции существующих фундаментов и их осно­ваний широко применяют различные методы укрепления и усиле­ния оснований. В зависимости от технологии производства и про­цессов, происходящих в грунте, эти методы можно разделить на четыре основных вида:

· Механический (глубинный и поверхностный).

· термический,

· физико-хими­ческий

· химический.

Глубинное уплотнение оснований фундаментов существующих зданий в основном выполняется путем устройства наклонных сква­жин, заполняемых песком.

Таблица 4.1. Рекомендуемые способы закрепления лёссовых фундаментов грунтов оснований
Способ закрепления грунтов	Границы примене­ния	Сущность технологиче­ского процесса	Свойства закреплен­ного грунта
Силикатизация однорастворная Электросилика­тизация	Коэффициент фильтрации Кф=0,5...2 м/сут Кф=0,1 м/сут во влажных грун­тах	Нагнетание раство­ра силиката натрия Нагнетание раство­ра силиката натрия в зоне постоянного	Непросадочность, прочность 1... 3 МПа Непросадочность, прочность 0,6... 2 МПа
Смолизация	Кф=0,1...0,2 м/сут	электрического поля Нагнетание раство­ра карбамидной смо­лы	Непросадочность, прочность 0,7 ...1,5 МПа

Поверхностное усиление применимо только для уплотнения ма­ловлажных и влажных грунтов с коэффициентом водонасыщенности менее 0,7. Оно выполняется с помощью катков, виброплит, трамбовок и т. д. и в основном используется при новом строитель­стве или перекладке фундаментов.

Термозакрепление (обжиг) применяется в основном при закреп­лении просадочных грунтов. Топливо сжигают в герметически закрытых затворами скважинах, пробуренных вертикально, наклон­но или горизонтально в толще закрепляемого грунта. Новым в термическом закреплении является применение так называемого электротермического способа обжига грунта, основанного на ис­пользовании нихромных электронагревателей. Благодаря измене­нию мощности теплоисточника по высоте скважины в результате применения погружных элементов можно регулировать форму и размеры образующихся при обжиге термогрунтовых тел с учетом неоднородности напластования грунтов.

К физико-химическим способам закрепления грунтов относится цементация и использование грунтоцементных материалов. Цемен­тация грунта заключается в нагнетании в грунт через инъекторы цементного или цементно-песчаного раствора, который обеспечивает в закрепляемом основании создание отдельных столбов или мас­сивов из сцементированного грунта. Цементацию обычно применя­ют для закрепления песчаных и крупнообломочных грунтов, а так­же трещиноватых скальных пород.

К химическим способамзакрепления грунтов относятся силика­тизация, электросиликатизация, газовая силикатизация, аммониза-ция, смолизация и др. На практике наиболее часто применяется силикатизация и смолизация (табл. 4.1).

Основным материалом для силикатизации является жидкое стекло — коллоидный раствор силиката натрия. В зависимости от вида, состава и состояния закрепляемых грунтов применяется одно-и двухрастворная силикатизация.

Однорастворная силикатизация основана на введении (инъеци­ровании) в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов. Однорастворный способ используется для закрепления лёссовых просадочных и песчаных грунтов с коэффи­циентом фильтрации 0,5...5 м/сут. Двухрастворный способ силика­тизации применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффи­циентом фильтрации до 0,5 м/сут и состоит в поочередном нагне­тании в грунт двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция.

Аммонизация заключается в нагнетании в грунт под небольшим Давлением газообразного аммиака. Способ применяют для прида­ния лёссовым грунтам свойства непросадочности.

Смолизация представляет собой закрепление грунтов путем инъецирования в них водных растворов синтетических смол.

Технологические схемы инъецирования приведены на рис. 4.2.

4.4. Ремонт и усиление фундаментов

Практика показала, что проектирование усиления фундаментов почти всегда намного сложнее проектирования новых конструкций. Это объясняется тем, что в каждом случае приходится считаться с условиями эксплуатации объекта, со стесненными условиями работы, с разнообразием проявления деформаций зданий и соору­жений и др. Само выполнение работ по ремонту и усилению фунда­ментов — всегда крайне трудоемкий, тяжелый и ответственный процесс.

Наиболее часто приходится увеличивать площадь подошвы фун­даментов, подводить конструктивные элементы под существующие фундаменты, повышать их жесткость, передавать часть нагрузки на дополнительные фундаменты или полностью заменять фунда­менты, когда необходимо пред­отвратить развитие аварийных деформаций зданий и сооруже­ний.

Увеличение опорной площа­ди ленточного фундамента (рис. 4.3) производится сле­дующим образом.

В заводских условиях со­гласно проекту изготовляют железобетонные плиты-обой­мы / со шпонками 2 и анкер­ные стержни 4. Плиты-обоймы имеют отверстия 3. Одновре­менно на ремонтируемом объ­екте производится расчистка поврежденных поверхностей существующего фундамента и устройство углублений под шпонки и отверстий под анкерные стержни. При необходимости проводится разгрузка фундаментов путем устройства системы подкосов и рас­порок или передачи нагрузок на горизонтальные поддерживающие балки. Способы разгрузки указываются в проекте производства работ.

После доставки комплектов усиления производится монтаж плит-обойм с последующей стяжкой их анкерными болтами до обеспечения в них проектного натяжения.

Вертикальные стыки между плитами-обоймами после сварки выпусков рабочей арматуры между ними замоноличиваются бе­тоном.

Усиление существующего фундамента выполняется путем уст­ройства рубашек (рис. 4.4) и набетонок (наращиванием). В обоих случаях старая конструкция соединяется с новой. Качество этого соединения обеспечивает надежность последующей работы фунда­мента под нагрузкой.

Рубашка при усилении фундамента представляет собой сплош­ное обетонирование фундамента со всех сторон, за исключением нижней части, осуществляемое с дополнительным армированием и позволяющее увеличить размеры фундамента. Перед устройством

выполняется бетонная подготовка под нее. Набетонка устраивается при одностороннем усилении фундамента.

Прочность сцепления нового бетона со старым зависит от тща­тельности проведения мероприятий по подготовке конструкции к усилению, что подробно рассматривалось в предыдущей главе. Усиление ленточных фундаментов выносными буронабивными

сваями выполняется в та­кой последовательности(рис. 4.5).

Сначала согласно проек­ту производится устройство скважин и буронабивных свай 1 вдоль существующего ленточного фундамента 7, а затем эти сваи соединяются между собой с помощью ростверка 2. Одновременно выполняются ремонтно-вос-становительные работы су­ществующего фундамента 7 с устройством в нем штраб 8 и сквозных отверстий под балки 5.

После установок балок 5 в этих отверстиях между ростверками 2 и балками 5 устанавливаются домкраты 3 и подставки 4 и с их помо­щью производится передача нагрузки от существующего фундамента 7 на свайный фундамент, а затем осущест­вляется замоноличивание 6. балок 5 с ростверками 2 и бетонирование участков, за­нятых домкратами, после удаления последних. Таким же методом производится усиление столбчатых фунда­ментов неглубокого заложения.

Весьма эффективным для усиления фундаментов является при­менение корневидных свай, называемых также буроинъекционны-ми, что позволяет производить работы без разработки котлованов, обнажения фундаментов и нарушения структуры грунта в осно­вании.

Сущность способа усиления корневидными сваями заключается в устройстве под зданием своего рода подпорок — жестких корней в грунте, которые переносят большую часть нагрузки на более плотные слои грунта. При усилении корневидными сваями может предусматриваться создание единой конструкции в ростверковом и безростверковом варианте. Корневидные сваи могут быть вертикальными или нак­лонными. Скважины для корневидных свай бурят с помощью установок вращательного бурения, которые позволяют пробуривать скважины через расположенные выше стены и фундаменты. Диа­метр буров 80...250 мм. При бурении для обеспечения устойчивости стенок скважин используются обсадные трубы, вода, глинистая суспензия или сжатый воздух.

По сравнению с другими типами свай корневидные сваи обладают по­вышенным сопротивлением трению вдоль боковой поверхности, что обеспечивается путем частичной це­ментации грунта, находящегося в контакте со сваей. Благодаря про­хождению сквозь существующие конструкции корневидные сваи ока­зываются связанными с сооружени­ем, поэтому не требуется их допол­нительное соединение с существую­щими фундаментами.

После бурения в скважину уста­навливают арматурные каркасы, со­стоящие из отдельных секций, сты­куемых с помощью сварки. Длина секций обычно не превышает 3 м и лимитируется высотой помещения, в котором производят работы. Фиксаторы, устанавливаемые в кар­касе, предупреждают отклонение от оси скважины. После установ­ки или одновременно с ней в скважину опускают инъекционную трубу диаметром 25...30 мм, через которую нагнетают цементно-песчаный раствор, обжимающий стенки скважины и образующий небольшие местные выступы. Усиление оснований и фундаментов буроинъекционными сваями применяется очень часто для сохра­нения архитектурно-исторических памятников. Например, в Моск­ве Московским специализированным управлением Всесоюзного объединения «Гидроспецстрой» успешно проведено усиление фун­даментов здания МХАТа им. Горького. Проект усиления выполнен институтом «Гидроспецпроект».

В зарубежной практике ремонта и усиления фундаментов^ кор­невидные сваи применяют также при необходимости устройства глубоких выемок в непосредственной близости от существующих зданий. Сооружаемая «решетчатая» подпорная стенка удерживает от обрушения откос вместе с фундаментом. В отдельных случаях корневидные сваи органически связаны с существующим зданием как единое целое.

При усилении или ремонте (реконструкции) фундаментов, про­водимых в непосредственной близости от фундаментов существу­ющих зданий и сооружений на стесненной площадке и в сложных грунтовых условиях, целесообразно применять способ «стена в грунте».

При устройстве глубоких выемок и подвалов в непосредствен­ной близости от фундамента усиление производится глубокими сте­нами или прямоугольными столбами, возводимыми между выемкой и фундаментом (рис. 4.6, а). Для обеспечения устойчивости фунда­мента производится расчет защемления стены в грунте с учетом нагрузок от фундамента и грунта, находящегося за стеной. Если расчетное защемление выполнить затруднительно, то повышение устойчивости стен достигается устройством анкерных креплений, располагаемых между фундаментами (рис. 4.6, б, з).

Несущую способность столбчатых фундаментов можно увели­чить возведением у фундамента глубоких стен или столбов прямо­угольного сечения, опираемых на прочное основание (рис. 4.6, в). Стены или столбы могут иметь в плане двух- и четырехстороннее расположение (рис. 4.6, г, д). В некоторых случаях рационально устройство стен в виде замкнутого короба (рис. 4.6, е, ж). Возве­денные стены или столбы объединяются с усиливаемым фундамен­том железобетонной обоймой.

Для одновременного увеличения устойчивости основания и уси­ления фундамента могут быть устроены параллельные стены в виде глубоких лент, располагаемых с обеих сторон фундаментов. С целью повышения жесткости стены могут соединяться стенами-перемычками, устраиваемыми на меньшую глубину, чем основные параллельные стены. При таком решении устойчивость основания увеличивается, так как оно заключено в жесткую обойму.

В сложных условиях строительства и реконструкции при уси­лении могут применяться комбинации способа «стена в грунте» с устройством набивных и корневидных свай, часто с различными методами химического закрепления (усиления) грунта.

При производстве ремонтов фундаментов иногда возникает не­обходимость их замены, так как другие методы усиления или не обеспечивают требуемой несущей способности фундаментов, или же их выполнение по каким-либо причинам затруднено. К таким случаям относятся: значительное увеличение нагрузок на фунда­менты (предстоящая надстройка здания, недопустимая и угрожа­ющая устойчивости здания осадка фундаментов вследствие умень­шения несущей способности основания из-за резкого повышения или понижения уровня грунтовых вод), прокладка ниже подошвы заложения фундаментов существующего здания в непосредствен­ной близости от него подземных коммуникаций типа коллекто­ров и т. д.

Весь процесс замены фундаментов разделяется на два этапа.

Первый (подготовительный) этап включает осуществление ме­роприятий, обеспечивающих устойчивость здания в процессе выпол­нения работ второго этапа.

Второй этап производства работ по замене фундаментов вклю­чает устройство котлованов и траншей, разборку старого и устройство нового фундамента, а также ряд сопутствующих работ, выполняемых в большинстве случаев в стесненных условиях. Пере­кладка производится обычно отдельными участками длиной 1,5... 2 м. Перекладку очередного участка выполняют не ранее чем через

7 сут после окончания работ на предыдущих смежных участках.

7 первую очередь выполняют работы по перекладке наиболее сла­бых участков фундаментов.

Технологический процесс перекладки состоит из заводки разгрузочных балок, вскрытия и разборки от­дельных мест фундамента и устройства новой кладки. Для укладки разгрузочных балок в кирпичной стене отбойны­ми молотками пробивают горизонтальные борозды высотой и глу­биной соответственно сечению заводимой балки плюс 2...3 см с зачисткой поверхности. Борозды располагают под тычковым рядом кладки на 2...3 ряда кирпича выше обреза фундамента.

Пробивку борозд с другой стороны стены производят только после заделки разгрузочной балки в первой борозде. Балки укла­дывают на цементный раствор и закрепляют их деревянными или стальными клиньями, стягивают болтовыми соединениями, про­пущенными через отверстия, высверленные в кладке и стенке бал­ки, пространство между кладкой и вертикальной стенкой разгру­зочной балки заполняют цементным раствором состава 1 : 3 или бетоном на мелком щебне или гравии. Зазор между верхом балки и плоскостью борозды плотно заклинивают полусухим цементным раствором.

В местах, где предусмотрена перекладка фундамента, произво­дят отрывку шурфов с одновременным надежным креплением их стенок. Бутовый фундамент разбирают с помощью отбойных молот­ков, а при слабой расслоившейся кладке — вручную. После выкла­дывания нового фундамента до подошвы стены по выровненной поверхности раствора прокладывают гидроизоляционный слой, который сопрягается с гидроизоляцией соседних участков фунда­мента. Затем пространство между верхом вновь выложенного уча­стка фундамента и кладкой стены заделывают кирпичом и плотной заклинкой горизонтального шва полусухим цементным раствором, после чего производят обратную засыпку шурфа с последующим послойным трамбованием грунта.

Поскольку фундаменты зданий и сооружений испытывают зна­чительные статические, а иногда и динамические нагрузки, недоста­точное уплотнение грунта обратных засыпок приводит к просад­кам, вызывающим впоследствии разрушения строительных конструкций. Для выполнения работ по обратным засыпкам при­меняют бульдозеры, фронтальные и грейферные погрузчики, одно­ковшовые экскаваторы с оборудованием погрузчика и грейфера, для разравнивания грунта — бульдозеры и малогабаритные буль­дозеры-планировщики.

Для уплотнения грунта в стесненных условиях используют пнев­матические и электрические трамбовки, самопередвигающиеся вибрационные плиты, а также отбойные молотки со специальными насадками.

В связи с недостаточным выпуском средств механизации для уплотнения грунта в стесненных условиях на некоторых строитель­ных площадках для обратной засыпки применяют песок с последу­ющим уплотнением его путем замачивания.

Послойное уплотнение грунта в наименее доступных местах (нижняя часть пазух котлованов и траншей) выполняется вручную с помощью простейших деревянных или ручных электрических трамбовок. Применение ручных машин в 4...5 раз увеличивает про­изводительность труда при уплотнении грунта обратной засыпки по сравнению с выполнением работ вручную, но тем не менее тру­доемкость таких работ остается высокой, а толщина уплотняемого слоя не превышает 40...60 см при степени уплотнения 0,85...0,95.

Сокращение трудоемкости уплотнения грунта в стесненных условиях, улучшение качества и снижение стоимости уплотнения достигается при использовании навесного уплотняющего оборудо­вания к кранам, тракторам и экскаваторам, созданного сотрудни­ками ЦНИШЖТП Госстроя СССР.

Уплотнение грунтов в зимних условиях возможно, если отсыпка ведется непереувлажненными талыми грунтами с минимальными перерывами в работе и такой интенсивности, чтобы уложенный грунт не замерзал до его уплотнения. Несвязные грунты уклады­вают и уплотняют так же, как и в летнее время.