Современные технологии усиления оснований и фундаментов

В мировой и отечественной практике в последние 40 лет широко применяются новые технологии, основанные в том числе на традиционных способах усиления оснований и фундаментов. Разрабатываются и принципиально новые технологии, в основу которых положена высокая степень механизации работ. При этом до минимума сводятся ручные операции.

В каждом конкретном случае могут быть подобраны технологические приемы в зависимости от определяющих факторов, в том числе от цели реконструкционных работ (спасение аварийно-деформированного здания, увеличение нагрузки на фундамент, возведение нового здания рядом со старым, прокладка глубоких инженерных сетей и строительство метро в условиях городской застройки). Здесь важными факторами являются: конструктивные особенности здания, состояние грунтов в основании, гидрогеологические характеристики площадки.

Проанализированные выше традиционные технологии, связанные с уширением подошвы фундаментов, на современном этапе могут быть трансформированы следующим образом. На уровне подвала устанавливают железобетонную плиту 2 (рис.6.6), закрепленную в теле фундамента. Чтобы плита надежно включалась в работу, под нее можно инъецировать цементный раствор для опрессовки верхних слоев грунта. Такой способ усиления был успешно реализован авторами на жилом доме по Большеохтинскому пр., 31, слабые грунты в основании которого не обеспечивали восприятия нагрузок от существующих фундаментов. Подведение плиты позволило предотвратить развитие неравномерных осадок и сохранить здание.

Рис. 6.6. Увеличение опорной площади с помощью монолитной железобетонной плиты: а - с опрессовкой грунта; б - с подведением многосекционных свай вдавливания; 1 - существующий фундамент; 2 - железобетонная плита; 3 - труба для инъекции расширяющегося цементного раствора; 4 - цементный раствор между плитой и грунтом; 5 - сгнившие деревянные сваи; 6 - домкрат; 7 - опорное коромысло; 8 - вдавливаемые сваи

Если несущей способности такой плиты недостаточно, в ней можно оставить отверстия и в них вдавить стыкованные многосекционные сваи 8 (см. рис.6.6,б). Описанная идея была реализована нами в 1980 г. при усилении фундаментов печатного цеха в связи с установкой офсетной машины «Планета» на Петербургской фабрике «Детская книга». Плита возводилась внутри здания дореволюционной постройки с минимальной глубиной заложения. Это исключало большой объем земляных работ в стесненных условиях действующего производства. Наблюдения показали, что, несмотря на увеличение нагрузки и изменение вибрационного режима при работе новой машины, дополнительные осадки не проявлялись.

В ряде случаев опорную площадь фундаментов можно увеличить за счет сборных плит, устраиваемых в подвалах здания (рис.6.7,а). При этом нагрузки на плиты передаются через нажимные рамные конструкции, упирающиеся в монолитное перекрытие. Недостатком технологии является многодельность работ в стесненных условиях подвалов. К тому же, как правило, кладка над обрезом фундамента бывает расструктуренной из-за постоянного увлажнения, связанного с поднятием культурного слоя. Такие мероприятия должны проводиться в комплексе с усилением опорной части кладки стены. Достоинством технологии является отсутствие необходимости вскрытия грунтов в основании фундаментов.

Рис. 6.7. Усовершенствованные методы усиления фундаментов на основе традиционных: а - устройство сборных либо монолитных рам в подвале; б, в - выносные консоли и плиты

Предлагаемые рядом авторов выносные консоли и железобетонные плиты (рис.6.7,б и в) интересны по постановке задачи, но также имеют недостатки:

ребристые плиты с анкерами в уровне отмостки подвержены воздействию нормальных сил морозного пучения, которые в условиях сурового климата могут достигать значительных величин;
при поднятии консолей разрушается кладка, а легкие здания могут получить неравномерные поднятия зимой и просадки летом;
в результате миграции влаги в процессе промерзания грунт значительно увеличивается в объеме («распучивается»), а после его оттаивания нарушается структура и резко снижаются основные прочностные и деформационные характеристики.
Для подтверждения сказанного приведем примеры усиления производственных и жилых зданий в г. Железногорск-Илимский Иркутской области. Глубина сезонного промерзания достигает здесь 2,9 — 3,0 м. Грунты сильнопучинистые за счет высокого уровня подземных вод и наличия тонкодисперсных частиц (супеси и суглинки). Исследования, проведенные СПбГАСУ (ЛИСИ) в начале 60-х гг. при участии автора главы в период закладки города и горнорудного комбината, показали морозоопасность таких грунтов.

Выполненные в конце 80-х гг. усиления с использованием консольных ребристых плит оказались малоэффективными, без надежной защиты от промерзания грунтов они разрушились в первую же суровую зиму.

Нами разработана и реализована конструкция усиления буровыми сваями-шпорами с устройством железобетонной плиты (рис.6.8).

Рис. 6.8. Устройство короткой сваи-шпоры и железобетонной плиты: 1 - стена; 2 - железобетонная плита; 3 - инъецированный цементный раствор; 4 - свая в кондукторе; 5 - уширенная часть сваи; 6 - деревянный лежень; 7 - бутовый фундамент

В данном случае железобетонную плиту можно включить в совместную работу с фундаментом и грунтами основания. Промерзание не влияет на конструкции, усиливаемые внутри здания. Подобная комплексная технология была использована при усилении фундаментов театрального здания на Петроградской стороне в Петербурге.

Чтобы исключить нежелательные для старых зданий и слабых грунтов динамические воздействия, практикуют погружение свай вдавливанием. Учитывая стесненность существующих помещений, часто используют многосекционные сваи. Уфимским НИИпромстроем разработаны нормативные документы, регламентирующие технологические особенности использования таких свай. В 80-х гг. на объектах реконструкции в нашей стране начали широко внедрять набивные и буронабивные сваи усиления. ЛенжилНИИпроектом с участием автора этой главы были разработаны альбомы и типовые нормали по технологии устройства указанных свай в условиях слабых грунтов.

Технологические особенности вдавливания многосекционных свай в виде выносных опор приведены на рис.6.9,а.

Рис. 6.9. Усиление фундаментов с использованием свай: а - многосекционные сваи вдавливания с двухсторонней балкой-упором; б - вдавливание свай под стену или подошву фундамента; в - буроинъекционные сваи с контактным слоем

При использовании свай вдавливания необходимы надежные упоры. Несущую способность сваи можно регулировать в процессе вдавливания многосекционных элементов. Последние могут быть изготовлены из железобетона в виде секций со специальными стыками, позволяющими быстро выполнять соединение. Можно использовать металлические трубы, однако, при этом следует учитывать возможность их коррозии. В Петербурге эта проблема решалась двумя путями: с помощью установки арматурного каркаса и армирования всего объема трубы и посредством использования готовых трубобетонных элементов.

Вообще, сведения о коррозии самые противоречивые. По данным японских исследователей, широко использующих металл для усиления при реконструкции, коррозия металла не зависит от состава стали, грунтовых условий, наличия сварки. При самой современной антикоррозийной защите она составляет до 0,01 мм в год. Не вдаваясь в детали этой специальной проблемы, отметим лишь, что в условиях городской застройки при блуждающих токах, обилии солей в грунтовых водах создаются самые благоприятные предпосылки для коррозии металла.

В Финляндии, Швеции, Венгрии получили распространение многосекционные сваи типа «Меrа». Они были широко использованы для усиления оснований и фундаментов в Хельсинки, Стокгольме, Будапеште, Турку. В ряде случаев сваи подводили непосредственно под фундамент. Такие сваи могут быть круглого и квадратного сечения, масса элемента — до 100 кг. Сваи изготовливали из железобетонных трубчатых элементов длиной до 100 см, что позволяло легко перемещать их перекатыванием по площадке. Последовательность работ по вдавливанию свай такова (см. рис.6.9,б). Нижний первый элемент с заостренным наконечником (в слабых грунтах без заострения) погружается домкратом. В качестве упора служит распределительная железобетонная балка. Наращивание сборных стыкованных элементов производят до тех пор, пока острие не достигнет плотных грунтов, что обеспечит необходимую несущую способность системы в целом. Последним устанавливают головной элемент, площадь поперечного сечения которого много больше площади поперечного сечения сваи. После погружения сваи до проектной отметки под нагрузкой, превышающей расчетную в 1,5 — 1,8 раза, ее заклинивают специальными стойками. Стойки устанавливают между распределительной балкой и оголовком сваи, а полученное отверстие заполняют бетоном.

Фирмы «Похьявахвистус» и «Весто» в Финляндии и Швеции применяли вдавливаемые сваи из кольцевых железобетонных элементов. Стыковку осуществляли с помощью специального раструба; внутреннюю полость сваи после погружения бетонировали.

Недостатком технологических приемов усиления оснований и фундаментов вдавливаемыми сваями является большой объем земляных работ. При этом вскрытие шурфом (траншеей) перегруженного фундамента до его подошвы опасно, а в условиях слабых грунтов при высоком уровне подземных вод — малореально. Кроме этого, вдавливание свай может привести к расструктуриванию (перемятию) слабого глинистого грунта, что подробно изложено в гл.8.

В последние 20 лет в практике усиления все шире используют буроинъекционные сваи, как вертикальные, так и наклонные. После специальных работ по опрессовке такие сваи имеют неровную поверхность, поэтому за рубежом они получили название «корневидных».

Основные преимущества корневидных свай:

Полностью исключаются ручные земляные работы. Бурение скважин ведется непосредственно через фундамент, не затрагивая коммуникаций, проходящих около зданий и в подвалах.
Используя малогабаритное оборудование, можно вести работы из подвала высотой 2,0 — 2,5 м. В случае необходимости работы можно вести с первого этажа здания.
Совершенно не изменяется внешний вид конструкции, что немаловажно при работе на памятниках архитектуры.
Можно вести работы на действующих предприятиях без остановки производственного процесса.
Затраты ручного труда на всех технологических операциях минимальные; способ экономичен, с низким расходом материалов.
Очевидна экологическая чистота способа по сравнению с химическими методами закрепления, что важно в условиях жесткого экологического контроля.
Отметим отдельные недостатки указанных свай:

Недостаточная изученность работы тонких свай в слабых грунтах.
Низкая несущая способность из-за небольшого диаметра и, соответственно, малой боковой поверхности и площади острия.
Сложность надежного закрепления головы сваи в случае ветхого фундамента, который в последующем работает как ростверк. Отсутствие соответствующего расчета.
Неопределенность в формировании необходимого диаметра при устройстве буроинъекционных свай в слабых грунтах.
Неизученность работы тонкой длинной сваи как элемента, армирующего толщу слабого грунта.
Невозможность устройства ствола сваи из тяжелого бетона (скважину малого диаметра можно заполнить только цементными растворами).
Несмотря на все отмеченные недостатки, в Италии, ФРГ, Франции, Швеции и России с помощью таких свай успешно усилены здания, включая аварийно-деформированные памятники, и даже возведены новые фундаменты в сложных условиях примыкания новых зданий к старым на слабых грунтах.

В Риме усилен собор св. Андрея, в Венеции — наклонная башня «Бурано» на острове с этим же названием. Успешно работают в этом направлении специализированные фирмы «Fondedile», «Bauer», «Кеller», «Miver», «Fundex» и др. [31, 79, 112, 114].

В Москве усилены здания уникальных памятников — Третьяковской галереи, театра МХАТ, музея Андрея Рублева и др. [32, 41].

В Петербурге выполнено оригинальное усиление оснований и фундаментов костела Св. Екатерины (Невский пр.,32) при общем количестве свай более 1200 шт. (крупнейший объект России по объемам усиления — см.рис. 6.16); Приоратского дворца в Гатчине. Эти работы выполнялись по проекту и при научном руководстве автора главы силами фирм «Геореконструкция» и «Геощит».

Во многих случаях, как отмечалось на международных геотехнических конгрессах в Неаполе (1996) и Гамбурге (1997), не существует реальной альтернативы применению буроинъекционных свай для спасения исторических зданий.

Рис. 6.10. Схема устройства стенки из свай с использованием струйной технологии (jet grouting): 1 - буровая скважина до плотных грунтов; 2 - инъектор; 3 - формируемая свая; 4 - компрессор; 5 - насос для подачи воды; 6 - емкости цемента и песка; 7 - растворонасос

Анализируя материалы последних международных конференций, симпозиумов, а также отечественных публикаций и разработок, можно отметить в качестве перспективного направления метод «jet grouting» — высоконапорных инъекций твердеющего раствора в грунт. Этот метод, известный также под назанием «струйная технология», разработан в середине 70-х гг. в Японии и широко используется в ФРГ, Италии, Франции.

Технологическая последовательность работ по такому методу заключается в следующем (рис. 6.10): производят бурение скважины 1; в скважину погружают инъектор 2 со специальным калиброванным отверстием — соплом; подают под большим давлением (до 100 МПа) инъекционный раствор; осуществляют подъем инъектора с одновременным его вращением; формируют сваю нужного диаметра или стенку из свай.

Важным фактором укрепления массива грунта или усиления фундаментов с использованием струйной технологии является возможность поддержания больших давлений (до 80 — 100 МПа). Это предъявляет определенные требования к используемому оборудованию, подводящим трубопроводам и пр.

В качестве примера можно привести успешно реализованные проекты усиления оснований и фундаментов берегового устоя моста через Дунай (рис.6.11) и памятника военной архитектуры в Вене (казармы Россауэр). Последний был построен в 1870 г. на деревянных сваях (см. рис.6.11, б). Необходимость усиления определили 2 фактора: резкое увеличение нагрузок в связи с заменой перекрытий и гниение голов свай из-за понижения горизонта подземных вод. Разрабатывались конкурсные варианты усиления оснований и фундаментов. Была выбрана струйная технология. Фактически принятая технология удовлетворяла всем расчетным геотехническим и конструктивным требованиям:

Рис. 6.11. Усиление оснований зданий и сооружений с использованием струйной технологии: а - подпорная стена берегового устоя моста через Дунай; б - памятник военной архитектуры в Вене (казармы Россауэр); 1 - буровой станок SC-1 (Кеller); 2 - существующий фундамент; 3 - деревянные сваи; 4 - укрепленные массивы грунта; 5 - ступени спуска; 6 - подпорная стена канала

• исключение из работы деревянных свай со сгнившими головами;
• передача давления от массивного 5-этажного здания с размерами в плане 136х275 м на прочные гравийно-щебенистые грунты;
• исключение нарушений в работе коммуникаций, идущих вдоль здания с наружной стороны;
• полная стабилизация всех осадок при увеличенной нагрузке.

Учитывая необычность такого рода усиления и дискуссионность отдельных технологических моментов, остановимся подробно на деталях, имеющих отношение к дальнейшему анализу.

Для инъекции растворов использовали буровую установку на гусеничном ходу SC-1 фирмы Кеller (ФРГ). Габариты установки позволяли ей перемещаться через проем шириной 0,8 м и работать в подвальном помещении при высоте 2,8 м.

Основные преимущества струйной технологии в условиях слабых грунтов: возможность ведения работ в любых неблагоприятных грунтовых и в стесненных условиях; экологическая чистота всех технологических операций.

Однако струйная технология имеет и ряд недостатков, основными из которых являются: опасность локальных деформаций в процессе временного размыва грунтового массива под фундаментом до набора прочности; высокая стоимость и материалоемкость из-за больших объемов закрепления грунта; повышенная опасность при работе с высоким давлением.

В любом случае струйные технологии перспективны и успешно использовались нами в опытном порядке при усилении фундаментов цеха прессования сухого остатка очистных сооружений в пос. Ольгино Ленинградской области и стоматологической поликлиники в Невском районе Петербурга.

Весьма эффективным является использование технологии высоконапорных инъекций в комплексе с другими современными технологиями, примером чего является усиление дома № 6 на Конногвардейском бульваре, возле которого осуществлялось строительство подземного перехода (см. гл.9).

Анализ показывает, что при обоснованном выборе и реализации современных технологий усиления оснований и фундаментов можно решать реконструкционные проблемы любой сложности.

Рис. 6.12. Пример сложной реконструкции зданий на слабых грунтах: 1 - существующее здание на слабом грунте; 2 - стальная решетка; 3 - трубобетонные сваи; 4 - набивные сваи; 5 - подпорные стенки; 6 - грунтовые инъекционные анкера

В качестве примера относительно сложной реконструкции можно привести строительство нового 40-этажногоадминистративного здания в г. Бостон (США). Фактически оно встраивалось в существующую 10 — 11- этажную застройку исторических зданий конца прошлого века. При этом в уровне последних этажей старые здания соединялись с вновь возводимыми специальными галереями. Из-за наличия большого слоя слабых грунтов под существующими зданиями и необходимости устройства нескольких подпорных стенок возникло много геотехнических проблем. Чтобы разрешить эти проблемы и свести до минимума возможную разность осадок зданий, были выполнены следующие работы (рис.6.12):

• грунт между зданиями армировался решеткой из набивных свай, объединенных ростверком;
• для укрепления склона использованы 2 ряда железобетонных подпорных стен и свайные фундаменты из 14-метровых трубчатых свай, заходящих своим острием в плотные ледниковые глины;
• фундамент самого здания был выполнен в виде мощной железобетонной плиты толщиной 1,5 м, по контурам которой устроено 400 железобетонных свай.
• Здесь успешно использовано несколько технологических приемов, включая усиление оснований и анкеровку подпорных стен инъекционными анкерами.

 

Таким образом, в каждом конкретном случае возникают многоплановые инженерные геотехнические задачи, решение которых требует исчерпывающей информации о грунтах, изменениях их свойств в процессе длительной эксплуатации, в процессе ведения работ по устройству вблизи них новых фундаментов либо подземных сооружений. Вопросы усиления оснований и фундаментов должны решаться в комплексе с вопросами усиления надземных конструкций. Примером может служить усиление памятника архитектуры в Риме (рис.6.13). Здесь, наряду с усилением фундаментов корневидными сваями, выполнено усиление основных надземных конструкций, включая кирпичную кладку стен. Необходимо учитывать, что анкеровка кирпичных стен металлическими стержнями со временем может оказаться неэффективной и опасной из-за коррозии металла, в результате которой происходит увеличение объема корродирующего металла и, следовательно, нарушение целостности укрепляемых конструкций.

Однако основным источником наиболее существенных деформаций остаются неправильный учет свойств грунтов или недоучет возможных последствий, связанных с их расструктуриванием в процессе ведения реконструкционных работ

Ф.21. РЕКОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ, СТРОИТЕЛЬСТВО В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ