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 способам закрепления 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.