Технологии восстановления и усиления фундаментов

§ 1.1. Технологии восстановления и усиления фундаментов

Важными параметрами, определяющими несущую способность здания, являются состояние и степень износа фундаментов. Косвенным параметром может служить осадка фундаментов. Сама по себе однородная осадка фундаментов не приводит к дополнительным напряжениям в конструктивных элементах, в то время как неоднородная осадка приводит к возникновению концентраций напряжений, превышающих прочностные характеристики стен, перекрытий и других несущих элементов.

Величина возникновения неоднородных осадок является следствием неоднородной потери несущей способности грунта в результате размыва грунтовыми или техногенными водами оснований в локальных зонах, возведения зданий вблизи существующих, нарушения условий их эксплуатации и т.п.

При достаточно однородной структуре грунтов и нормальной эксплуатации зданий величина осадки носит экспоненциальный характер. Осадку в момент времени t определяют по зависимости   где SК - конечная осадка; е - основание натурального логарифма; x - коэффициент, зависящий от свойств грунтов основания; t - время эксплуатации.

Зная значения осадок, накопившихся за время tНП, можно определить конечную осадку , где tНП - время от начала строительства до начала геодезических наблюдений.

На рис. 1 приведен график развития осадок фундамента во времени. SНП - осадка, накопившаяся до начала наблюдений; S'H - осадки в момент наблюдения.

Рис. 1. График развития осадок фундамента во времени 
1 - при нормальной эксплуатации здания; 2 - возникновение просадок при замачивании отдельных участков основания; 1*, 2* - нагрузки на фундамент при нормальной эксплуатации и замачивании; [S] - допустимая осадка

На характер осадок существенное влияние оказывает пространственная жесткость коробки здания (стен). На жесткость стен влияют такие геометрические характеристики, как отношение длины L и высоты Н. Этот показатель принят нормами за исходный в определении коэффициента условий работы здания при расчете давления на основание фундаментов.

Показатель жесткости здания имеет определяющее значение при выборе метода реконструктивных работ. Так, при среднем значении   для зданий массовой постройки при надстройке зданий старого фонда в процессе реконструкции показатель  - снижается до 1,5 и менее, что позволяет увеличить давление на основание на 20 %. В то же время с увеличением этажности возрастает продольная жесткость стен.

В результате обследования более 400 объектов было установлено, что для зданий старой постройки величина осадок фундаментов в 70,6 % случаев не превышает 0,7R. Абсолютная величина осадок как до надстройки, так и после значительно меньше нормативных значений. Это обстоятельство позволяет априорно принимать решение по надстройке зданий при их реконструкции.

Повышение несущей способности фундаментов как одних из основных конструктивных элементов зданий возможно несколькими технологическими и конструктивными приемами. Проектирование усиления фундаментов эксплуатируемых, а также реконструируемых зданий значительно сложнее проектирования новых конструкций. Это объясняется тем, что в каждом конкретном случае следует учитывать условия эксплуатации здания, причины проявления различных деформаций, стесненные условия производства работ.

Методы усиления и реконструкции фундаментов предполагают восстановление несущей способности; усиление за счет увеличения площади опирания; подведение под существующие фундаменты таких сборных конструктивных элементов, как плиты, столбы, сваи; усиление буроинъекционными и корневидными сваями и другие приемы. Каждый вариант технического и технологического решения должен быть адаптирован к конкретным условиям реконструируемого здания на основании результатов натурных обследований.

Наиболее распространенные дефекты фундаментов, их устранение и усиление выполняются следующими приемами.

Усиление кладки фундаментов цементацией. Технология предусматривает при образовании пустот в швах кладки и разрушении материала фундаментов осуществить инъекцию цементного раствора. Для этой цели освобождается поверхность фундамента, устраиваются инъекционные каналы и с помощью инъектора закачиваются цементная суспензия или раствор в тело фундамента.

Способ широко апробирован и применяется при незначительных разрушениях конструкций фундаментов.

При средней степени разрушения материала фундамента используют частичную замену кладки. Это весьма трудоемкий процесс, требующий вскрытия поверхностей фундамента, удаления разрушенных элементов кладки и ее восстановления. Поданным практического опыта, трудозатраты на восстановление 1 м3 кладки фундамента в 200-300 раз выше, чем при новом строительстве.

При значительных разрушениях материала фундамента последний забирается в обойму без уширения подошвы. В качестве обоймы выступают металлические каркасы в виде уголков или арматурной стали, которые в последующем обетонируются.

При увеличении нагрузки на фундамент и недостаточной его несущей способности производится устройство обойм с уширением подошвы фундамента. Варианты уширения и технология производства работ зависят от конкретных условий площадки.

Подведение свай под подошву фундамента осуществляется в случаях, когда при небольшой глубине заложения фундамента невозможно осуществить его уширение. Как правило, в этом случае используются составные сваи.

Усиление буронабивными сваями принимается при значительном увеличении нагрузок и большой толще слабых грунтов основания.

Устройство корневидных буроинъекционных свай производится при невозможности частичной разборки и усиления фундаментов в стесненных условиях строительства, при значительном увеличении нагрузок и наличии слабых грунтов основания.

§ 1.2. Технология усиления ленточных фундаментов монолитными железобетонными обоймами

Конструктивные решения усиления ленточных фундаментов монолитными обоймами: с односторонним расширением; двусторонним; расширением ростверка фундамента с использованием железобетонных обойм (рис. 2).

Рис. 2. Усиление ленточных фундаментов монолитными обоймами 
а - двустороннее уширение с анкеровкой; б - одностороннее расширение; в - двустороннее при большом развитии существующего фундамента; г - двустороннее при большой глубине заложения фундаментов; 1 - фундаменты; 2 - монолитные железобетонные обоймы; 3 - анкеры из прокатного металла или арматурных стержней; 4 - опалубка; 5 - балки; 6 - щебеночное основание; 7- опалубка; 8 - рабочий настил

Общая технологическая схема производства работ может быть использована для кирпичных, бутовых, бетонных и железобетонных ленточных фундаментов.

При выполнении комплекса работ по усилению фундаментов предусматривается следующая очередность процессов: понижение уровня грунтовых вод при их наличии; отрывка траншей с одной или двух сторон фундаментной стены; очистка поверхности фундаментов; послойная укладка бетонной смеси с вибрационным уплотнением; уход за бетоном; распалубка конструкций; проведение цикла гидроизоляционных работ; обратная засыпка и устройство отмостки; контроль качества и приемка работ.

Для повышения несущей способности фундаментов широко используется жесткая арматура из прокатных профилей, размещаемая в виде консольных элементов, при сквозном расположении с объединением балочной системой. В каждом конкретном случае производятся расчет фундамента на дополнительные нагрузки, определение геометрических параметров измерения, степени армирования и класса бетона.

Особое значение отводится созданию монолитности усиливаемого фундамента и железобетонных обойм. Это достигается путем устройства штраб и анкерных систем.

Работы по усилению фундаментов должны проводиться в соответствии с рабочей документацией и проектом производства работ. Они выполняются участками протяженностью не более 1/4длины фундаментной стены по одной из осей здания, но не более 10-12 м. Для коротких несущих стен допускается отрывка на всю длину. Работы на следующей захватке могут начинаться не ранее чем через двое суток по окончании бетонных работ. Этот цикл может быть сокращен при использовании ускоренных методов твердения бетона.

При глубине заложения фундаментов более 2 м условия производства работ будут меняться в зависимости от величины подпора грунта и состояния фундаментов, обеспечивающих их устойчивость.

Следует отметить, что усиление фундаментов монолитными обоймами является самым трудозатратным способом. Он требует большого объема вскрышных работ и ручной разработки грунта, мероприятий по обеспечению устойчивости стенок траншей, работ по устройству анкеров, дополнительному армированию, установке неинвентарной опалубки и т.д. Это приводит не только к значительным трудозатратам, но и повышению стоимости работ и расхода материалов.

Данная технология не исключает нарушений структуры грунта оснований фундаментов в результате атмосферных воздействий и отрицательных температур.

§ 1.3. Восстановление несущей способности ленточных фундаментов методом торкретирования

Достаточно эффективной технологией восстановления несущей способности фундаментов неглубокого заложения является устройство бетонной рубашки. После очистки стен фундаментов на ее поверхность наносятся 2-3 слоя торкрет-бетона. Технологический эффект повышается при использовании пневмонагнетателей с подачей смеси с дисперсным армированием.

На рис. 3 приведена технологическая схема производства работ. Процесс восстановления несущей способности включает этапы: механизированной отрывки траншей по периметру здания; ручной подчистки грунта и очистки поверхности фундаментов; увлажнения и промывки; нанесения нескольких слоев торкрет-бетона; устройства гидроизоляции; обратной засыпки пазух с послойным уплотнением; восстановления отмостки.

Рис. 3. Технология восстановления несущей способности фундаментов методом торкретирования 
а - общий вид процесса; б - схема организации площадки: 1 - компрессор; 2 - бак с водой: 3 - цемент-пушка; 4 - сопло; 5 - материальные шланги; 6 - зона складирования грунта; 7 - восстанавливаемый фундамент; 8 - стена; 9 - ограждение; 10 - арматурная сетка на поверхности фундамента; 11 - дренажная система; в - распылительное сопло для нанесения дисперсно-армированного бетона: 1 - шланг для подачи цемента; 2 - то же, для подачи фибры; 3 - шланг для подачи воды; 4 – водяное кольцо; 5 - сопло

При достаточно высокой степени износа фундаментов возможно их усиление путем расположения на поверхности арматурных сеток диаметром 4-6 мм с ячейкой 50-100 мм. Их крепление к телу фундамента осуществляется путем анкеровки, а также пристрелкой дюбелями.

После нанесения торкрет-слоев достигаются высокая адгезия и монолитность конструкции. Кроме повышения физико-механических характеристик и монолитности фундамента метод торкретирования позволяет создать водонепроницаемую оболочку, что весьма важно при наличии высоких уровней грунтовых вод.

Процесс торкретирования осуществляется с помощью оборудования, включающего: компрессор, бак с водой, цемент-пушку, комплект материальных шлангов и сопло.

Нанесение торкрет-слоев осуществляется последовательно, снизу вверх с перекрытием ранее нанесенного слоя не менее 0,15-0,5 м.

Для торкретирования используются заполнитель с модулем крупности не менее 2, цемент марок не ниже 400. Особые требования предъявляются к влажности песка, которая не должна превышать 3-5 %. Смесь песка с цементом подается по материальному шлангу к соплу.

Туда же подается по отдельному шлангу вода. Для обеспечения нормального технологического процесса давление в шланге с водой должно быть на 0,5-0,75 атм выше, чем в материальном шланге с цементно-песчаной смесью.

При торкретировании поверхностей сверху вниз состав материалов принимается в соотношении 1:3,75, 1:4,4. Приготовление смеси осуществляется в растворомешалках с длительностью перемешивания 1,5-2 мин. Для повышения физико-механических свойств торкрет-слоя в смесь добавляются суперпластификаторы в сухом состоянии из расчета 1-1,2 % массы цемента. При наличии заводов сухих смесей возможна доставка на объект готовых составов в затаренных емкостях.

Нанесение осуществляется с помощью сопла, отнесенного от поверхности на расстояние 0,5-0,8 м. При скорости выхода увлажняющей смеси 120-150 м/с химически несвязанная вода удаляется за счет воздушного потока. Жесткая смесь адгезируется с торкретируемой поверхностью. При выполнении комплекса работ используется компрессор. При этом осуществляется его очистка от масел и других загрязнений путем фильтрации через водяной затвор. Давление в цемент-пушке 2,0-3,5 атм при шлангах длиной 30-120 м соответственно.

Для обеспечения технологического регламента ведения работ осуществляется пооперационный контроль: влажности составляющих, дозирования цемента и заполнителей, расхода воды. Особое внимание уделяется параметрам давления, которое контролируется манометрами и редукторами.

После нанесения каждого слоя производятся его увлажнение и защита от прямого попадания солнечных лучей. Нанесение второго и последующих слоев производится после достижения прочности не менее 1,5-2 МПа.

Качество нанесения слоев контролируется визуально. Итоговым контролем являются определение степени адгезии с поверхностью фундамента, а также физико-механические характеристики защитных слоев. Путем отбора механических проб (кернов) в лабораторных условиях осуществляется комплекс испытаний.

§ 1.4. Усиление фундаментов сваями

При степени износа фундаментов, превышающих 50 %, и увеличении нагрузок за счет надстройки этажей усиление фундаментов целесообразно производить методом устройства буронабивных и корневидных свай. Этот весьма прогрессивный метод позволяет провести повышение несущей способности фундаментов с минимальными трудозатратами и предельным сокращением объемов земляных работ.

Ненарушенные структуры грунта позволяют максимально использовать их физико-механические характеристики. В зависимости от характера залегающих под подошвой фундамента грунтов сваи могут работать как сваи-стойки при опирании устья скважины на плотные грунты и сваи висячие, когда основная нагрузка воспринимается силами трения поверхности свай о грунт.

Бурение скважин производится бурильными станками колонкового типа, что позволяет выбуривать отверстия в усиливаемых фундаментах под различным углом наклона. Куст наклонных забетонированных скважин носит название корневидных свай (рис. 4,а).

Рис. 4. Схема усиления фундаментов 
а - корневидными сваями: 1 - усиляемый фундамент; 2 - стена; 3 - корневидные сваи; 4 - плотные грунты; б - технологическая последовательность выполнения работ: I - бурение скважин; II - армирование; III - бетонирование скважины с извлечением обсадной трубы; IV- готовая свая; 1 - рабочий орган буровой машины; 2 - обсадная труба; 3 - арматурный каркас; 4 - бетонная смесь

При использовании бурового оборудования в слабых и неустойчивых грунтах, а также при значительной глубине заложения свай используются обсадные трубы, предохраняющие стенки скважин от обрушения, а также бурение под слоем бентонитового раствора.

Технологический процесс устройства буронабивных свай приведен на рис. 4,б. Он включает четыре этапа: бурение скважин с установкой обсадных труб на заданную глубину и под требуемым наклоном; армирование скважин каркасом (как правило, цилиндрической формы); подачу, укладку и уплотнение бетона при одновременном извлечении по мере бетонирования обсадных труб; обустройство оголовка монолитной сваи.

Наибольшее распространение получила технология усиления фундаментов зданий буроинъекционными сваями. Они представляют собой разновидность буронабивных свай, имеют малый диаметр (50-250 мм) и большую длину (до 40 м).

При устройстве таких свай пластичную мелкозернистую бетонную смесь инъецируют под давлением 0,2-0,3 МПа в скважину с предварительно установленной арматурой. После заполнения скважины бетонной смесью ее устье тампонируют и опрессовывают, создавая избыточное давление растворонасосом или сжатым воздухом.

При усилении фундаментов жилых зданий буроинъекционными сваями их длина существенно сокращается, а технология разделена на несколько стадий (рис. 5).

Рис. 5. Технологическая схема усиления фундаментов буроинъекционными сваями 
I - бурение скважины в теле фундамента; II - нагнетание тампонажного раствора; III - повторное бурение; IV - установка армокаркасов и нагнетание цементно-песчаной смеси; 1 - фундамент; 2 - буровой станок; 3 - бур; 4 - инъекция тампонажного раствора; 5 - зона укрепления фундамента; 6 - инъектор; 7 - армокаркас; 8 - установка для инъецирования; 9 – ростверк сваи

На первой стадии осуществляется выбуривание наклонной скважины в теле фундамента на глубину, не превышающую заглубление 0,5 м. Затем осуществляется цементация фундамента под давлением 0,1-0,2 МПа с целью повышения его монолитности и ликвидации расслоения в швах. После набора прочности 0,2-0,3 МПа производится повторное выбуривание данной скважины, но на глубину, превышающую заложение фундамента. Затем погружается арматурный каркас и производится нагнетание цементно-песчаного раствора или мелкозернистой бетонной смеси с дальнейшей опрессовкой.

В результате многостадийной технологии обеспечивается повышение физико-механических характеристик кладки фундамента, а за счет создания свай достигается значительный прирост несущей способности фундамента в целом.

Для производства работ используются мобильные бурильные станки колонкового бурения с перфораторами.

Скважины выбуривают станками вращательного бурения СБА-500, которые производят бурение скважин через фундаменты, полы и другие конструктивные элементы под любым углом наклона. Малые габариты станка, отсутствие вибрации и ударов позволяют успешно использовать его в стесненных условиях реконструируемых зданий.

Технологический цикл устройства буроинъекционных свай включает: подготовку площадки; разметку мест бурения; устройство скважин первой стадии; тампонирование тела фундамента. После технологического перерыва в 2-3 дня, связанного с набором прочности тампонажного раствора, производят вторичное бурение на проектную глубину, превышающую глубину заложения фундаментов. Затем производят армирование и нагнетание бетонной смеси с последующей опрессовкой. При наличии слабых грунтов и большой глубине скважин используют обсадные трубы.

Малые габариты бурильной установки позволяют выполнять работы как с фасадной стороны здания, так и из подвальных помещений. Это обстоятельство существенно снижает материалоемкость и трудоемкость работ. Использование коронок с алмазным покрытием позволяет существенно ускорить цикл бурения.

Качество производства работ контролируется пооперационно: контроль ведется при разметке мест бурения, установлении угла наклона, глубины бурения. При тампонировании скважин проверяются качество тампонажного раствора, рабочее давление, расход материала. Дальнейшее бурение скважин требует оценки характера и глубины залегающих грунтов, что определяется по выбранным кернам. Устойчивость скважин обеспечивается установкой обсадных труб или бурением под слоем глинистого раствора при наличии грунтовых вод.

Особое место в пооперационном контроле отводится качеству бетонной смеси, ее технологическим и физико-механическим свойствам, характеру армирования и точности установки армокаркасов в проектное положение, соблюдению тепловлажностного режима твердения бетона. Все контролируемые параметры отражаются в материалах технологических карт и проекте производства работ.

Для уточнения несущей способности свай осуществляют контрольное бурение с заданными параметрами. Результаты испытания контрольных свай позволяют внести коррективы в конструктивное решение по усилению фундаментов.

Усиление фундаментов буроинъекционными сваями наиболее эффективно в условиях слабых грунтов. Принимая модель в виде тонких и относительно длинных изгибаемых строений, находящихся в упругом полупространстве, их устойчивость для линейно деформируемой среды оценивается под действием нагрузок. Длинная и гибкая свая-стойка может деформироваться вследствие выпучивания. Под действием силы потеря устойчивости достигается при изгибе по нескольким полуволнам. Для определения критической силы К. Терцаги предложил зависимость следующего вида:   где т - число полуволн синусоиды, по которой свая изгибается в грунте; r - радиус сечения сваи; EJ - изгибная жесткость сваи.

Число полуволн определяется из уравнения  где l - длина сваи; K - горизонтальный коэффициент постели.

Изгибающий момент в центрально нагруженной свае может быть оценен зависимостью Мизг = Pa/(1 - Р/Ркр), здесь Р - нагрузка на сваю; Ркр - критическая сила, вызывающая потерю устойчивости сваи; a - коэффициент кривизны, определяемый как отношение прогиба и длины сваи.

В практике усиления фундаментов, как правило, используются ложные сваи, которые рассчитываются по деформированной схеме. С учетом граничных условий по заделке оголовка сваи и на нижнем конце, опирающемся в плотные слои грунтов, А.Г. Шашкиным разработаны расчетные модели, которые приближаются к реальным условиям работы. Установлено, что потеря устойчивости свай невозможна, поскольку необходимая для этого критическая сила в 10 раз превышает несущую способность свай по грунту. Максимальные изгибающие моменты возникают в месте заделки головы сваи в теле фундамента, что требует при производстве работ дополнительного инъецирования этой зоны.

На рис. 6 приведены расчетные и экспериментальные данные по осадке наклонных свай, которые свидетельствуют о достаточно высокой степени адекватности результатов.

Рис. 6 
а - графики осадки наклонных свай по экспериментальным (1) и расчетным данным (2); б - схемы деформирования свай при критической нагрузке Р

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование буроинъекционных свай является одной из эффективных технологий усиления фундаментов жилых и исторически значимых зданий. Они применяются для восстановления бутовых и кирпичных фундаментов старой постройки с основанием на деревянных лежнях и сваях, которые при длительной эксплуатации утратили несущую способность.

Усиление основания и фундаментов буроинъекционными сваями костела Св. Екатерины в С.-Петербурге потребовало более 1200 свай в веерном расположении и опиранием на относительно прочную толщу песчаных грунтов. Дополнительная опрессовка свай позволила увеличить их диаметр на 10-15 %, уплотнить прилегающие слои грунта, тем самым повысить несущую способность.

Подобной технологией осуществляется усиление фундаментов жилых зданий ранней постройки в условиях слабых водонасыщенных грунтов с потерей несущей способности деревянных свай и лежней (рис. 7).

Рис. 7. Усиление фундаментов жилого здания буроинъекционными сваями 
1 - фундаменты; 2 - лежни из дубовых бревен; 3 - деревянные сваи; 4 - буроинъекционные сваи; 5 - зона плотных грунтов

Устройство буроинъекционных свай осуществляется как с внешней стороны здания, так и с уровня первого этажа. При этом глубина свай принимается из условия их опирания в плотные слои грунта.

Буроинъекционные сваи выполняют армированными из отдельных стержней диаметром до 25 мм класса А400 при их сечении от 93 до 135 мм и арматурными каркасами с рабочей арматурой из 4 стержней диаметром 16-18 мм из стали класса А400. При сечении свай 150- 200 мм используются мелкозернистые высокоподвижные бетонные смеси класса бетона не ниже В15.

2. Список литературы

1. А.А. Афанасьев, Е.П. Матвеев РЕКОНСТРУКЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Часть I Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий Москва 2008 – 221с.

2. А.А. Афанасьев, Е.П. Матвеев РЕКОНСТРУКЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Часть II Технологии реконструкции жилых зданий и застройки Москва 2008 – 200с.