Усиление фундаментов

Работы по усилению фундаментов выполняют в следующих случаях: при разрушении отдельных участков фундаментов от просадок, размывании грунтов, ранее осуществленных конструктивных изменениях в здании, при увеличении полезной нагрузки в здании.

В зависимости от причин, приведших к положению, когда несущая способность фундаментов не удовлетворяет предъявленным к ним требованиям, реконструкцию осуществляют одним из способов, указанных в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Основные способы усиления зданий

Перекладкусуществующих фундаментов выполняют на отдельных местах небольшой протяженности, ее ведут участками длиной не более 2000 мм. Новую кладку тщательно подклинивают под старую. Швы разделывают жестким цементным раствором.

Обоймыустраивают вокруг фундаментов способами, изложенными в параграфе, посвященном ремонту стен.

Торкретирование применяют для укрепления кладки, ослабленной по поверхности за счет выщелачивания раствора. Этот способ позво­ляет не только упрочнить конструкцию, но и сделать ее менее водо­проницаемой.

Цементацию фундаментов выполняют, если монолитность кладки нарушена по всей толщине. Этот способ проще, чем замена кладки на новую.

Процесс цементации кладки аналогичен процессу цементации грун­тов и состоит из тех же операций. Инъекторы внедряют в кладку дву­мя способами, зависящими от характера кладки. В тех случаях, когда фундаменты выполнены из мелких камней и раствор потерял проч­ность, ииъекторы вводят в кладку путем забивки. В кладку из крупных камней забить инъектор не всегда удается, поэтому здесь предвари­тельно бурят отверстия. В теле кладки инъекторы располагают в шах­матном порядке на расстоянии 500—1000 мм друг от друга. После их установки поверхность кладки замазывают глиной или засыпают плот­но утрамбованным грунтом. Это необходимо для предотвращения выте­кания раствора.

Цементную суспензию приготавливают в пропорции 1 :1—1:10 (цемент; вода) и нагнетают в кладку под давлением до 10 атм (1 МПа).

Увеличения площади подошвы фундаментов достигают путем вы­полнения с одной или обеих сторон дополнительных приливов (рис. 73, а I). Новые части фундаментов выполняют из кирпича, бетона и чаще всего железобетона. Для совместной работы старых и новых час­тей фундамента соприкасающиеся поверхности тщательно омоноличивают. Надежность соединения обеспечивают штрабами и анкерами. Особо прочно анкеруют низ уширения. Для лучшей передачи давления от стен на новые части фундаментов в кладку закладывают попереч­ные двухконсольные балки-опоры. Они могут быть металлическими или железобетонными.

Работы по усилению фундаментов ведут отдельными захватами про­тяженностью не более 2000 мм. Очередность выполнения работ на захватках

Рис. 73. Усиление фундаментов:

а — увеличение опорной площади: I, II— устройство приливов; III— подводка сборных подушек; IV — установка сборных блинов с последующим обжатием грунта; V — усилен не фундаментов колонны обоймой; VI — заглубление методом опускных колодцев; б — передача нагрузки на свайном поле; I — устройство выносных сваи; II— то же, коротких в габаритах существующих фундаментов; III— схема вдавливания свай; в — заглубление фундаментов с вывешиванием стен на поперечных балках; 1 — новые монолитные части фундамента; 2—анкеры; 3 — опорная поперечная балка; 4- сборные блоки; 5 — зачеканка жестким раствором; б — обойма колодца; 7 — рандбалка; 8 —набивные сваи; 9 — то же. вдавливаемые в грунт; 10 — домкраты; 11— разбираемая часть фундамент.

назначают таким образом, чтобы исключить одновременное выполнение процесса усиления на смежных участках.

Наружную поверхность фундаментов очищают, максимально рас­крывая швы кладки. Для очистки используют пескоструйные аппараты и щетки с ворсом из стальной проволоки. Штрабы, обеспечивающие монолитность соединения приливов и старой кладки, пробивают при помощи отбойных молотков. Арматуру забивают в отверстия, сверлен­ные электродрелями со сверлами, имеющими победитовые наконечни­ки. Арматуру заводят на глубину 250—300 мм или пропускают сквозь кладку.

Участки основания под приливами фундаментов уплотняют, чтобы выравнять несущую способность необжатых грунтов с уплотненными весом здания грунтами. Этого достигают, втрамбовывая в грунт щебень или бетон. Уплотнение способствует равномерности осадки фундамен­тов в поперечном направлении.

Приливы-утолщения из железобетона выполняют в такой последо­вательности. Сначала устанавливают арматурные каркасы. Их надежно прикрепляют к стержням выпусков из кладки. После этого устанав­ливают опалубку и укладывают бетонную смесь. Ее уплотняют глубин­ными вибраторами.

В конструкцию, показанную на рис. 73, a II, бетон укладывают в две очереди. Нижнюю часть приливов бетонируют, делая рабочий шов у низа заложения поперечных двухконсольных балок. После того как бетон получил 70% прочности, в фундаменте пробивают гнезда и уста­навливают балки. Верхний слой бетона укладывают, одновременно омоноличивая балки. Разборку опалубки, обратную засыпку грунта и восстановление отмостки вокруг здания и полов осуществляют после того, как бетон второй очереди набрал прочность не менее 50% от расчетной.

Конструкцию уширення фундамента (рис. 73, a III) применяют, когда в основании обнаруживают деревянные лежни, сгнившие из-за изменения гидрогеологических условий. Такие фундаменты усиливают путем замены лежней железобетонными подушками. Работы по установ­ке железобетонных подушек выполняют короткими несмежными захватками в последовательности, обеспечивающей устойчивость соору­жения.

Сборные железобетонные приливы монтируют с одновременным обжатием грунта под новыми участками. Работу выполняют в следующемпорядке. Вначале участками освобождают от грунта фундаменты здания. Сборные элементы монтируют одновременно с двух сторон кладки. В нижней части элементы стягивают между собой анкерами-стяжками, пропускаемыми через толщу кладки фундамента. Затем верхние части элементов рычагами отжимают от фундамента, а образовавшиеся щели заполняют жестким бетоном на мелкой щебенке (рис. 73, al V). При этом происходит дополнительное натяжение арматуры и обжатие грунта основания. Таким образом, новые элементы сразу включают в работу совместно со старыми фундаментами.

Устройство выносных свай преследует цель передачи нагрузок на нижележащие грунты. Сваи размещают по обе стороны фундамента. Во избежание сотрясений при забивке заранее заготовленных свай и связанных с этим возможных повреждений конструкций применяют сваи, бетонируемые на месте, так называемые набивные.

Их изготовляют следующим образом. Вначале бурят скважину, в нее опускают обсадную трубу, армируют сваю путем установки гото­вого арматурного каркаса, а бетонируют, подавая в ствол небольшие порции бетонной смеси. Ее уплотняют одновременно с выдергиванием обсадной трубы на высоту уложенного слоя бетона. В водонасыщенных грунтах бетонную смесь подают в скважину методом подводного или пневматического бетонирования.

Набивные сваи устраивают и не применяя обсадную трубу. В этом случае для укрепления стенок ствола скважины используют растворы бетонитовых глин. Залитый в ствол раствор обеспечивает образование на стенках плотной и устойчивой грунтовой корки толщиной 5-8 мм, Бетонную смесь подают по способу восходящего раствора. Для этого в скважину опускают трубу-бетонопровод с воронкой. Уплотнение сме­си происходит под давлением столба бетонитового раствора.

В зернистых грунтах набивные сваи устраивают, используя мате­риал породы. При этом способе скважину бурят, не удаляя грунт из отверстия. После того как скважина пробурена на проектную глубину, в нее растворонасосом через отверстие в буре нагнетают цементную суспензию. Вращением бура при его извлечении из скважины эту сус­пензию перемешивают с грунтом.

Для передачи нагрузки на готовые сваи по ним укладывают обвя­зочные балки, воспринимающие давление от поперечных консольных балок, которые закладывают в тело фундамента (рис. 73, б I). Перед заделкой опор свайный ростверк обжимают путем забивки между кладкой и балками металлических клиньев или поджимая ростверк к кладке при помощи домкратов. Зазоры в сопряжениях кладки и балок тщательно заделывают жестким раствором на расширяющемся цементе.

Длину свай устанавливают расчетом. При этом работу грунта осно­вания под подошвой существующего фундамента в расчет не прини­мают и оставляют в запас прочности.

Короткие сваи под подошвой фундаментов устанавливают для повы­шения расчетного сопротивления грунта на 30—40%. Этот" способ дорог, трудоемок и требует строгого соблюдения правил безопасности работ. Однако он достаточно надежен и может быть применен в тех случаях, когда нельзя уширить фундамент или усилить основание.

Суть способа заключается в том, что под подошвой фундамента отрывают отдельные шурфы. Их глубину принимают равной половине глубины укрепляемых грунтов. В шурфах устанавливают с шагом 1000—1500 мм короткие конические сваи, верхний диаметр которых на 30% превышает нижний. Сваи вдавливают в грунт при помощи домкратов, упираемых в подошву фундамента. Пустоту между оголов­ком сваи и подошвой фундамента заполняют новой кладкой или бето­нируют. Зазор между новой кладкой и старым фундаментом зачеканивают жестким раствором (рис. 73, 6 II).

Заглубление фундаментов путем подведения новой кладки является одним из сложных мероприятий. Его выполняют в исключительных случаях, когда необходимо углубить подвал или обеспечить устойчи­вость здания в связи с устройством по соседству новых подземных сооружений.

Фундаменты заглубляют, подводя под существующую конструкцию бетонную или железобетонную стену заданной высоты (рис. 73, е). При заглублении вначале вывешивают степы здания на временных опорах. Для этого на уровне обреза фундамента в степы заводят попе­речные балки. В тех случаях, когда стены недостаточно прочны, над балками в специальные штрабы устанавливают разгрузочные балки-обвязки. Поперечные балки опирают на клети, устанавливаемые на грунт и являющиеся временными опорами здания. Передачу нагрузки на клети осуществляют при помощи домкратов.

Усиление фундаментов под колоннами выполняют посредством устройства монолитных железобетонных обойм. При этом предусматри­вают совместную работу нового и старого фундамента. Для этого уста­навливают анкеры, вертикальные грани уступов старых фундаментов стесывают с уклоном внутрь, а иногда обойму поднимают на уровень ¹/₃ стойку колонны (рис. 73, а V). Грунт под подошвой методами, изложенными выше.

Выбор способа усиления фундаментов реконструируемого здания основывают на всестороннем анализе конструкций и геологических условий местности. Усиление фундаментов является дорогостоящим мероприятием, особенно при необходимости расширения площади опоры на основание. В среднем расширение 1 м фундамента составлю 5—7 руб/т дополнительной нагрузки.

Кладку фундаментов укрепляют в аварийных случаях, когда требуется безотлагательное восстановление разрушенных конструкций. К расширению фундаментов прибегают в случаях, когда такая реконструкция оправдана экономически.

Во избежание проведения дорогостоящих и трудоемких работ уширению при реконструкции зданий прибегают к разгрузке перанапряженных участков фундаментов. Разгрузку осуществляют за q использования облегченных конструкций заменяемых перекрытий, перераспределения нагрузки путем изменения конструктивной схемы введения в нее дополнительных опор.

Усиление жестких фундаментов может осуществлять­ся путем увеличения их подошвы или с помощью свай различного типа.

При проектировании усиления необходимо максималь­но использовать существующий фундамент, обеспечив его совместную работу с элементами усиления.

Несущую способность фундаментов реконструируемо­го объекта определяют с учетом фактических прочност­ных и деформативных характеристик материала фунда­мента и грунтов основания, а при свайных фундаментах используют также результаты полевых испытаний (зон­дирование, статические испытания и др.).

Увеличение размеров подошвы фундаментов необходимо при росте нагрузок, недостаточной несущей способ­ности грунтов основания, а также при существенном повреждении фундаментов в процессе эксплуатации. Эф­фективными средствами увеличения подошвы фундамен­тов являются железобетонные «рубашки», наращивание, частичная или полная подводка новых фундаментов.

Железобетонная «рубашка» представляет собой моно­литную оболочку, которая охватывает существующий фундамент со всех сторон. Арматура оболочки образует пространственный каркас, и для обеспечения совместной работы старого фундамента с конструкцией усиления обязательно стыкуется на сварке с предварительно обна­женной арматурой усиливаемого фундамента. Рабочую арматуру «рубашки» устанавливают вдоль граней усили­ваемого фундамента (рис. 3.1).

При повреждении фундаментов в процессе эксплуата­ции для восстановления его несущей способности устраи­вают конструктивную «рубашку», размеры которой при­нимают в зависимости от диаметра арматуры, величины защитного слоя, а также от технологической возможно­сти укладки бетона в тело «рубашки».

Если, кроме усиления фундаментов требуется также усиление колонны, то бетонирование обоймы для колон­ны и «рубашки» следует выполнять одновременно. Если колонна не требует усиления, «рубашку» фундамента за­водят выше нижней части колонны на величину не менее большей стороны колонны и не менее пяти толщин «ру­башки».

При усилении фундамента наращиванием увеличение его подошвы осуществляется с одной, двух или трех сто­рон. При наращивании, так же как и при устройстве «ру­башек», необходимо обеспечивать стыковку на сварке оголенной арматуры старого фундамента с новой арма­турой усиления.

Одним из вариантов наращивания является передача части нагрузки с существующего фундамента на отдель­ные плиты с помощью металлических или железобетон­ных балок, пропущенных через отверстия в усиливаемом фундаменте (рис.3.2). В этом случае опорные плиты предварительно обжимаются с помощью домкратов или гравитационной нагрузкой до расчетной. Ленточные неармированные фундаменты могут наращиваться с помощью арматуры, заанкеренной в тело фундамен­та и обетонированной на расчетную ширину усиления (рис.3.3).

Подводка новых частей фундамента может осущест­вляться рядом с существующим (рис. 3.4). В этом слу­чае нагрузка от несущего элемента передается на фун­дамент усиления через подкосы и металлическую (же­лезобетонную) обойму. Уст­ройство нового фундамента под существующим выпол­няется с частичной или пол­ной разгрузкой существую­щего фундамента на локаль­ных небольших по ширине участках. Причем эта под­водка может быть сплош­ной или частичной. При под­водке новых фундаментов следует обеспечить плотное прилегание подошвы суще­ствующего фундамента с новым. При подводке под ленточные фундаменты кон­струкции усиления рекомен­дуется размещать на пря­мых участках с максимальными нагрузками, так как подводка новых фундаментов в углах и пересечениях вызывает серьезные трудности.

Рис. 3.3. Усиление ленточных фундаментов наращиванием:

1 – усиливаемый фундамент; 2 – арматурный каркас; 3- металлические трубы; 4- шпуры

Рис. 3.4. Усиление фундаментов подводкой:

1 – усиливаемый фундамент; 2 – дополнительные фундаменты; 3- колонна; 4- металлическая обойма; 5- металлические подкосы; 6- элемент усилия

Усиление фундаментов с помощью свай осуществля­ется путем устройства свай по контуру существующего фундамента или под ним. Такое усиление применяется при значительных и неравномерных осадках грунтов ос­нования при существенном увеличении нагрузок на фун­даменты, для повышения устойчивости основания в слу­чае приложения к фундаментам значительных горизон­тальных сил и т. д.

Выбор конструкции свай зависит от внутренних габа­ритов реконструируемого здания или сооружения, харак­тера действующих нагрузок, конструкций усиливаемого фундамента, наличия соответствующего оборудования для производства свайных работ.

Цельные сборные железобетонные сваи могут приме­няться, когда габариты цеха позволяют разместить крупногабаритную сваебойную технику и когда динамические нагрузки при забивке свай не приводят к повреждениям окружающих конструкций. При наличии вблизи зоны за­бивки свай несущих конструкций, не способных выдержать значительные динами­ческие нагрузки, воз­можно осуществить вдавливание цельных свай в грунт с помощью гидродомкратов.

Эффективным сред­ством усиления фунда­ментов, особенно при неравномерных дефор­мациях сооружения, являются составные сборные сваи «Мега», которые не требу гот больших габаритов по­мещения и включаются в работу сразу после вдавливания. Недо­статком этих свай яв­ляется достаточно вы­сокая трудоемкость ра­бот по их устройству, а также необходимость выполнения временно­го котлована под подо­швой фундамента, что снижает его несущую способность в процессе усиления (рис.3.5). При устройстве усиле­ния сваями «Мега» конструкция существующего фунда­мента должна быть проверена на воспринятия усилия от реакции вдавливания.

Рис. 3.5. Усиление фундамента с помощью свай Мега:

1 – усиливаемый фундамент; 2 – распределительный элемент; 3- домкрат; 4- подпорка; 5- головной элемент; 6- рядовой элемент; 7- нижний элемент сваи

Для воспринятия значительных растягивающих уси­лий применяют винтовые сваи. При усилении фундамен­тов используют также монолитные сваи различных типов: буронабивные сваи требуют громоздкого оборудования, однако могут применяться в любых грунтовых условиях, в том числе и тех, где забивные сваи неприменимы; пневмонабивные, виброштампованные сваи и сваи Страуса могут применяться в помещениях с ограниченной высо­той и не требует сложного технологического оборудова­ния. Первые два типа свай используют в любых гидрогеологических условиях, сваи Страуса можно применять только при отсутствии грунтовых вод.

При передаче на фундамент дополнительных горизон­тальных и вертикальных нагрузок эффективны буроинъекционные (корневидные) сваи, которые могут также просверливаться через существующий фундамент, ис­пользуемый в этом случае как ростверк (рис.3.6).

Рис. 3.6. Усиление фундамента с помощью корневидной сваи:

1 – усиливаемый фундамент; 2 – корневидные сваи

Вместо свай типа «Мега» могут применяться комби­нированные металлические трубчатые сваи, погружае­мые посекционно в грунт гидродомкратами. Их затем за­полняют монолитным бетоном.

Включение в работу существующего фундамента свай усиления выполняется с помощью монолитного плитного ростверка или распределительных балок, которые обра­зуют со сваями рамную систему.

Плитный ростверк возможно устраивать в пределах высоты существующего фундамента (рис. 3.7) и путем подводки под него (рис.3.8). Первые варианты анало­гичны работам при устройстве «рубашек» или наращи­вания, требуют соединения арматуры существующего фундамента с арматурой ростверка и используются в том случае, если возможно уширение фундамента в пределах его высоты. Подводка нового ростверка под существую­щий фундамент достаточно трудоемка и применяется в случае невозможности уширения фундамента в пределах его высоты, при его повреждениях, а также слабых грунтах под его подошвой или при повреждении головок существующих свай.

Рис. 3.7. Усиление фундамента ростверком, расположенным в пределах высоты фундамента:

1 – усиливаемый фундамент; 2 – ростверк усиления;

3- существующие сваи; 4- сваи усиления

Перечисленные выше способы усиления могут приме­няться как при опирании реконструируемых фундаментов на естественное основание, так и па свайное при усиле­нии ленточных и столбчатых фундаментов из различных материалов (рис. 3.9).

Примеры объединения усиливаемых фундаментов с дополнительными сваями с помощью плитного роствер­ка приведены на рис.3.7, 3.8.

Рис. 3.9. Схемы усиления фундаментов на свайном (а) и

естественном (б) основаниях:

1- усиливаемый фундамент; 2 – ростверк усиления: 3 - сваи усиления

На рис.3.10…3.12 приведены схемы усиления ленточных и столбчатых фундаментов с помощью рамной системы, состоящей из дополнительных свай, железобетонных или металлических распределительных балок.

Рис. 3.10. Усиление ленточного фундамен­та на естественном основании сваями с устройством рамной системы:

1- усиливаемый фундамент; 2 – сваи усиления: 3 – железобетонный ригель; 4 – железобетонная подушка; 5- омоноличевание пробитого под ригель отверстия

Рис. 3.11. Усиление ленточного фундамен­та на естественном основании сваями с устройством рамной системы:

1- усиливаемый фундамент; 2 – сваи усиления: 3 – металлические балки;

4 – стена

Рис.3.12. Усиление столбчатого фундамен­та на естественном основании с устройством ростверка, армированного металлическими балками:

1- усиливаемый фундамент; 2 – ростверк усиления: 3 -металлические балки; 4 –сваи усиления

При жестком соединении существующего фундамен­та с конструкцией усиления способом наращивания или «рубашкой» расчет уширенного фундамента на естест­венном основании осуществляется по обычной методике.

При подводке но­вых частей фундамен­тов рядом с существу­ющим нагрузка на них определяется в соответ­ствии с принятой рас­четной схемой, а их расчет осуществляется как отдельных фунда­ментов. При подводке целых фундаментов их размеры определяются из условия, чтобы мак­симальные и средние абсолютные осадки не превышали допустимых по СНиП 2.02.01-83. При этом учитывается стабилизация осадок существующих фунда­ментов.

Расчет свайного усиления выполняется в зависимости от конст­руктивного решения су­ществующего фунда­мента и его состояния. При плохом состоянии свайного фундамента, а также при опирании фундамента на есте­ственное основание количество свай усиления определя­ется из расчета воспринятия всей нагрузки. При хорошем состоянии существующего свайного фундамента количе­ство свай усиления определяют из расчета передачи на них только дополнительной нагрузки.