Усиление фундамента зданий и сооружений

• Необходимость усиления фундамента
• Проектирование усиления фундаментов
• Расчет усиления основания
• Защита фундаментов от выветривания
• Повышение прочности и расширение фундамента
• Примеры расширения фундамента
• Подведение свай
• Особенности использования буронабивных свай
• Методы инъекционного закрепления

Необходимость усиления фундамента

Основания домов и подземные конструкции со временем физически изнашиваются в результате воздействия техногенных и природных факторов, поэтому усиление фундамента является важной частью капитального ремонта. Материалы фундаментов обводняются, выветриваются и подвергаются выщелачиванию. Деревянные элементы (ростверки, лежни, сваи) разлагаются, металлические конструкции подвергаются коррозии.

Схема устройства, необходимого для усиления фундамента дома.

В результате неравномерной деформации грунтов в кладке оснований возникают трещины. Недопустимый уровень износа может привести к аварийным ситуациям. Поэтому может возникнуть необходимость усилить фундамент.

Грунты в ходе эксплуатации могут получить деформации (просадки, осадки, провалы). Это приводит к появлению трещин в стенах, кренов и прогибов, износу сооружений и потере устойчивости. Методы усиления разнообразны и зависят от множества факторов.

Техногенным фактором износа является неравномерная осадка в виде процесса длительного уплотнения грунтов из-за воздействия нагрузки от массы здания.

Схема усиления фундамента.

К неравномерной осадке фундаментов может привести подработка территории – строительство закрытым способом подземных сооружений (канализационные коллекторы, метрополитены). Например, улицы, дворы, здания над тоннелями метро оседают на 5-6 см в год, над станциями – на 7-10 см, под эскалаторными тоннелями – на 30-40 см и более.

При обустройстве дренажей, ливневой и общесплавной канализации происходит искусственное понижение уровня грунтовых вод. Это дает увеличение зоны аэрации, что приводит к осушению и загниванию деревянных элементов (ростверки, лежни, сваи). Вследствие этого основания дают большую неравномерную осадку.

При повышении уровня грунтовых вод основания обводняются. Лессовые грунты подвергаются просадке, рыхлые пески доуплотняются, развивается химическая суффозия минералов, происходит образование провалов из-за обрушений сводов карстовых полостей.

Схема усиления фундамента винтовыми сваями.

Надстройка зданий существенно увеличивает нагрузки и часто превышает расчетное сопротивление основания. Это вызывает потерю устойчивости фундамента или осадку, повреждения конструкций, повышение общего износа зданий. Чтобы не допустить этого, нужно усилить фундамент.

Прорыв водопровода приводит к размыву грунта, вызывающего образование каверн и промоин в местах ввода коммуникаций в здание, опасных деформаций стен.

Транспорт, промышленные установки, строительные механизмы оказывают вибрационное воздействие на здания. Вибрация приводит к уплотнению песков или потере устойчивости основания из-за разжижения водонасыщенного грунта.

Природными факторами износа являются:

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

Проектирование усиления фундаментов

Усиление фундамента методом инъектирования.

Такое проектирование основывается на общих принципах проектирования с учетом предельных состояний.

Необходимость усилить основания возникает в следующих случаях.

До проектирования усиления необходимо провести работы по обследованию состояния надземных конструкций и старого фундамента, инженерно-геологические изыскания. Способы усиления зависят от результатов исследований.

Для старинных зданий ситуация усугубляется отсутствием чертежей оснований. Например, в XIX веке и ранее выбор типа оснований, формы, глубины заложения, материала осуществлялся самим подрядчиком. В то время обычно опирались на местные традиции и вековой опыт.

В этих условиях информация о фундаментах, грунтах несущего слоя, гидроизоляции подземных частей может быть получена путем откопки шурфов с одной или обеих сторон до подошвы фундаментов. В некоторых случаях приходится делать довольно глубокие шурфы до 3-4 м.

Схема усиления фундамента путём передачи нагрузки на дополнительные опоры.

После вскрытия делаются обмеры, на основе которых выполняются чертежи, устанавливается вид материала и раствора, отбираются образцы грунта и материалов из-под подошвы для исследования.

Лучшие результаты получаются выбуриванием из тела фундаментов цилиндрических образцов (керн) для испытаний на прочность в лабораторных условиях. Бурение выявляет наличие деревянных и других свай и ростверков, положение их острия.

Основные признаки недопустимых опасных деформаций оснований зданий:

• характерные трещины в стенах (межоконных перемычках, простенках, кирпичных сводах межэтажных перекрытий);
• изменение формы коробки здания, устанавливаемое высотной съемкой обреза фундамента или цоколя;
• отклонение стен от вертикали;
• перекосы лестничных маршей;
• сдвиги перекрытий.

Схема усиления фундамента бетоном.

Усиление фундаментов целесообразно совмещать с капитальным ремонтом. Иногда такие работы требуется выполнить в эксплуатируемых общественных зданиях и заселенных домах. Строительная практика предусматривает усиление основания с помощью домкрата или бурения пустот в несущем слое с целью проведения управляемой осадки.

Ответственным и сложным вопросом является изучение возможности надстройки здания. Для этого необходимо установление:

• достаточности прочности тела фундамента;
• допустимости осадки, которую вызовет надстройка;
• возможности потери несущим слоем устойчивости от дополнительной нагрузки.

После этого делается решение о необходимости усиления, разрабатывается проект реконструкции. От этого зависит выбор способов усиления для фундамента.

Расчет усиления основания

Усиление наружного фундамента.

Разработка проекта усиления основания начинается со сбора нагрузок, которые передаются от наземной части по обрезу фундамента. Для решения этой задачи выполняются обмерные чертежи в ходе обследования сооружения. Оригинальные чертежи имеют вспомогательное значение, так как старые здания обычно подвергаются перестройкам, включая надстройку дополнительными этажами.

Сбор нагрузок осуществляется обычным методом. Используются обмерные чертежи конструкций и результаты обмеров фундаментов колонн и стен.

Использование результатов прошлых инженерно-геологических изысканий иногда является неприемлемым, так как не учитывается фактор многолетнего уплотнения грунтов основания.

Более точные данные получаются следующими методами:

Первый метод является приемлемым, если несущий слой состоит из связных грунтов, второй – в случае нахождения под фундаментом песка.

Необходимость усиления часто вызвано фактическим состоянием оснований в случае наличия следующих признаков:

Схема усиления фундамента бетонными банкетами.

• низкое качество строительного камня (кирпич, известняк);
• наличие разложенной древесины ростверков, лежней, свай;
• низкое качество, отсутствие кладочного раствора;
• смещения кладки над проемами для прокладки коммуникаций;
• трещины в фундаментах;
• наличие линз и слоев торфа под подошвой, оставшиеся в результате неполной выторфовки;
• провалы и каверны в несущем слое, сформировавшиеся в результате микробного разложения древесины, размыва грунта и т. п.

Эти дефекты выявляются при обследовании перекрытий, стен, лестничных клеток, которые наиболее подвержены трещинам, сдвигам массивов кладки и перекрытий.

Защита фундаментов от выветривания

Оно выполняется при химическом и физическом выветривании материала фундаментов. Обычно это случается с фундаментами из кирпичной или бутовой кладки, обладающей невысокой водостойкостью и прочностью. Химическое выветривание происходит при недостаточной стойкости цемента в отношении агрессивных свойств среды.

Рисунок 7. Увеличение площади основания: 1 – железобетонная обойма; 2 – шпонки; 3 – арматура.

Для восстановления поверхности применяется оштукатуривание цементным раствором (торкретирование) по подготовленной боковой поверхности или оштукатуривание по металлической сетке. Если выветривание охватило фундамент на всю толщину, нужно зацементировать кладку путем укрепления фундамента или выполнить усиление обоймами посредством восстановления несущих функций фундамента.

Цементация фундамента осуществляется бурением в кладке фундамента скважин с поверхности первого или подвального этажа. Далее в них нагнетается цементный раствор. Скважины бурятся перфораторами на расстоянии 50 см одна от другой с диаметром 20-30 мм и на глубину около 2/3 толщины основания. В скважины вводятся трубки и через них нагнетается цементный раствор. В устьях скважин трубки заделываются густым раствором на 10 см. Давление нагнетания устанавливают на уровне 0,3-0,6 МПа. После проведения пробных нагнетаний нужно выкопать опытные участки, проверить результаты, уточнить состав работ и технологию.

В случаях, когда из-за разрушения кладки фундаментов и выветривания появились трещины в надфундаментной части, заполнения трещин только цементным раствором может быть недостаточно. Повышение прочности здания может быть достигнуто дополнительными конструктивными мероприятиями.

Повышение прочности и расширение фундамента

Рисунок 8. Расширение фундамента и выправление деформаций: 1 – фундамент; 2 – банкетка; 3 – железобетонная балка; 4 – поперечная балка; 5 – домкрат; 6 – щебень; 7 – бетонное заполнение.

Традиционные способы усиления заключаются в увеличении ширины подошвы фундаментов для обеспечения уменьшения удельного давления на грунт.

Также выполняется углубление подошвы основания с целью замены минеральным материалом сгнивших деревянных элементов и обеспечения опирания на подстилающий плотный грунт. Это является оптимальным при углублении подвалов. Основание расширяется строительным камнем на растворе. Новая кладка придает основанию трапецеидальную или призматическую форму, что позволит усилить фундамент.

Усиление фундаментов в зоне строительства метрополитена осуществляется подведением сплошных плит под здание. Такие плиты делаются из железобетона. Плиты заделываются в штробы, вырубаемые в стенах подвалов на уровне полов. Плиты работают вместе с существующими основаниями и повышают устойчивость основания за счет повышения общей жесткости зданий и уменьшения давления на грунт.

Представленные технологии нетрудно выполнить в сухих грунтах, но проблематично в водонасыщенных. В этих условиях «приклад» к фундаменту делали выше уровня подошвы и уровня грунтовых вод. Такое усиление зачастую является недостаточно эффективным.

Рисунок 9. Расширение фундамента с использованием домкратов: 1 – домкрат Фрейсине; 2 – железобетонная конструкция расширения; 3 – фундамент; 4 – нагнетательная трубка.

Усиление фундаментов традиционным способом является непростым делом. Существует ряд недостатков. Новые плиты и «приклад» опираются на необжатый грунт, включаемый в работу после некоторой осадки, что может вызвать развитие деформации здания. Поэтому в некоторых случаях старое здание разбирается и на его месте строится новое, что позволяет избежать трудоемкого и дорогостоящего процесса усиления.

При реконструкции существенно растут нагрузки на фундамент. В результате неравномерной осадки образуются трещины в сооружении. В этих условиях рекомендуется усиление фундаментов посредством выполнения обойм из железобетона или бетона. В старом основании и цоколе устраиваются штробы и бурятся шпуры. В них устанавливаются закладные детали (арматура, балки), которые обеспечивают совместную работу старых оснований и обойм. Дополнительно в обоймах устанавливается арматура для обеспечения прочности стен в продольном направлении. Таким способом достигается развитие опорной площади, то есть снижается давление на основание и уменьшается осадка здания.

Для совместной работы обоймы и основания из бутового камня на слабом цементном растворе обойма выполняется в траншеях. В отверстия, сделанные перфоратором, вставляются стяжки. Сцепление бетона с бутовой кладкой обеспечивается неровной поверхностью кладки, которая очищается от грунта, промывается и продувается сжатым воздухом.

Примеры расширения фундамента

Рисунок 10. Расширение опорной площади и усиление основания: 1 – фундамент; 2 – арматура; 3 – арматура; 4 -бетон; 5 – поверхность вырубки фундамента.

На Рис. 7 показано усиление из бетона, гладкой каменной или кирпичной кладки с увеличением опорной площади и выполнением обоймы.

Размер шпонок по высоте определяется на основании необходимости обеспечения передачи поперечных усилий от обоймы. Рекомендуется выполнение обоймы с применением расширяющегося цемента. При необходимости вставляется продольная арматура. Например, при трещинах, которые лишают фундамент необходимой жесткости.

При расширении основания с обжатием под полосами расширения или выправке фундамента и стены используется технология, представленная на Рис. 8.

Рисунок 11. Подведение буронабивных свай под фундамент: 1 – свая; 2 – ростверк; 3 – домкрат; 4 – надставки; 5 – балка; 6 – обетонирование; 7 – фундамент; 8 – штробы.

В траншеях устраиваются банкетки на щебеночной подготовке из сборных блоков или монолитного бетона. Далее пробиваются отверстия через фундамент и штробы вдоль фундамента, в отверстия устанавливаются металлические балки, а вдоль фундамента бетонируются железобетонные или металлические балки. Потом обжимают основание домкратами под банкетками. В случае необходимости фундамент и стена выравнивается. Устраивается бетонное заполнение между домкратами. В конце процесса домкраты вынимаются и конструкция омоноличивается.

В такой ситуации удобно использовать домкраты Фрейсине, которые представляют собой плоские плиты из двух сваренных стальных листов небольшой толщины в 1-2 мм. По периметру плиты выполняется валик с диаметром до 80 мм. В домкраты нагнетается жидкая твердеющая смесь. Например, эпоксидная смола или цементный раствор, сохраняющие напряженное состояние из-за затвердевания после обжатия грунта основания. Расширение с применением плоских домкратов представлено на Рис. 9.

Рисунок 12. Сопряжение фундаментов здания и пристройки: 1 – буронабивная свая; 2 – ростверк для пристройки; 3 – сетка, объединяющая ростверки; 4 – вырубаемый слой бетона; 5 – обнажаемая арматура ростверка; 6 – существующий ростверк; 7 – забивная свая; 8 – поддерживающий консольный выступ.

Конструкция подобных домкратов крайне проста. Их можно изготовить в любой мастерской. Форма домкратов может быть прямоугольной, квадратной и круглой. Контроль обжатия ведется по манометру.

Необходимая площадь поверхности банкеток, деревянных клеток, временных подкладок под домкратами рассчитывается с учетом повышенных нагрузок на грунт в период установки и использования надземных конструкций. Временные нагрузки на уплотненный насыпной грунт достигают до 500 кН/м?, на ненарушенный тугопластичный глинистый грунт – до 1000 кН/м? и на песчаный грунт – до 2000 кН/м?.

Пример увеличения опорной площади железобетонного основания представлен на рисунке 10.

Подведение свай

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

Суть современных способов усиления фундаментов основаны на 2 принципах: «пересадке» сооружения на сваи и закреплении грунтов с помощью инъекции строительных растворов в грунт.

Если в геологическом разрезе основания есть прочный слой, пригодный для опирания свай, то при усилении фундаментов рассматривается вариант подведения свай (см. Рис. 11 и 12).

Сваи, используемые при усилении, отличаются от свай, используемых в обычных условиях. При усилении оснований используются буровые и буроинъекционные сваи, сваи вдавливания. Особенность свайных технологий заключается в необходимости применения малогабаритной техники для работы в низких помещениях (подвалы, первые этажи зданий).

От возможностей их применения зависит выбор способов усиления фундаментов.

Особенности использования буронабивных свай

Рисунок 14. Усиление буронабивными сваями фундамента: 1 – буронабивные сваи; 2 – анкеры; 3 – балка; 4 -фундамент здания; 5 – замоноличиваемая заделка балки.

Подводка свай возле стены затрудняет работу. При выполнении буронабивных свай минимальное расстояние от свай до стены должно составлять не менее 2,5 м.

Поперечные балки громоздки, что осложняет их монтаж и требует больший расход металла. Бурение скважин сопровождается сотрясением и увлажнением грунта, что может вызвать дополнительные осадки сооружения под нагрузкой.

Вертикальные (вдавливаемые, буровые) сваи располагаются вдоль края фундамента. Они объединяются монолитной железобетонной балкой, которая заделывается в штробы, или закрепляются анкерными устройствами. При осуществлении двусторонней постановки вертикальных свай они объединяются попарно балками, пропускаемыми через отверстия в фундаментах.

Внутри работы осложняются из-за маленького пространства и недопустимости нарушения режима работы предприятия. Поэтому иногда применяются конструкции усиления, когда на консольные балки подвешивается стена, а часть буронабивных свай несет увеличенную нагрузку в сравнении с нагрузкой на фундаменты.

Рисунок 15. Конструктивные решения по пересадке фундаментов на буроинъекционные сваи: а, в -односторонняя постановка сваи; б, г – двусторонняя постановка свай; а, б – устройство свай с первого этажа; в, г – устройство свай в подвале; 1 – фундаменты; 2 – стена; 3 – перекрытие; 4 – лежни (бревна); 5 -буроинъекционные сваи.

Зачастую недопустима забивка свай и бурение по грунтовым условиям, по состоянию здания или по требованиям, которые исключают шум и вибрацию. В таких случаях используются вдавливаемые сваи. Расположение свай допустимо ближе к стене и под фундаментом.

Сначала укрепляют основание и стену. Затем, отрывая шурфы под фундаментом, подводят и вдавливают в грунт металлические трубы, свариваемые друг с другом и заполняемые бетоном. Вдавливание осуществляется домкратом. Иногда сваи вдавливаются на глубину до 25 м. Преимуществом таких свай является возможность определения их несущей способности во время проведения работ.

За рубежом используются вдавливаемые сваи из элементов длиной до 100 см (сваи «Мега»). Площадь сечения свай равна 20?20 и 30?30 см. Внутри свай находится сквозное отверстие. Допустимая нагрузка установлена на уровне 200 кН на 20?20 см и 400 кН на сваи 30?30 см. Между сваями расстояние устанавливается на уровне 1,5-2 м.

Схема усиления фундамента при помощи опускного колодца.

Для устройства вдавливаемых и буронабивных свай нужно соединить эти сваи с фундаментом, что осуществляется с помощью металлоконструкций, помещаемых в проемы фундамента, или железобетонных обойм.

Длина свай усиления должна соответствовать геологическому разрезу основания таким образом, чтобы нижний конец свай достигал плотного грунта. Длина свай составляет от 3 до 20 м. Диаметр свай определяется в зависимости от оборудования, длины, материала и других факторов. Обычно он находится в пределах 80-250 мм.

Сваи нужно рассчитать на продольный изгиб и по несущей способности. Число и шаг свай определяется в зависимости от объема нагрузки от несущих стен и колонн, который нужно передать на сваи, с учетом передачи части нагрузки на основание.

Методы инъекционного закрепления

Усиление фундамента устройством монолитной плиты.

Отличие буроинъекционных свай от буровых заключается в подаче в ствол скважины строительного раствора под давлением от 1 до 3 МПа. Эта операция называется опрессовкой скважин. Грунт уплотняется и размер сваи увеличивается на 5-10%. Бурение осуществляется разными методами: с обсадными трубами, проходными шнеками или промывкой скважин глинистым раствором. Наклонные сваи пробуриваются сквозь грунт и кладку фундамента до слоя плотного грунта. Такие сваи можно сделать с двух сторон.

Метод инъекционного закрепления заключается в насыщении грунта строительными растворами, они заполняют поры и придают грунтам улучшенные механические свойства, при этом образуя замкнутые объемы. Нагнетаемые растворы заполняют области ослабленного грунта или полости.

Со временем растворы отвердевают и достигается расширение подошвы фундаментов. Происходит увеличение глубины заложения подошвы, то есть обеспечивается повышение несущей способности.