Укрепление и усиление фундаментов проводят в следующих

случаях:

· при снижении прочности материала фундамента в результате

его разрушения, физического и химического выветривания или

износа;

· при реконструкции здания, вызывающей увеличение нагрузок

или появление дополнительных воздействий, например, вибрации от оборудования;

· при новом строительстве рядом расположенного здания,

подземного сооружения, прокладке коммуникаций и т.д.

· при появлении деформаций в конструкциях, общем крене

здания.

Используют следующие методы усиления фундаментов:

· укрепление тела фундамента путем инъекций, которое

применяется при небольших разрушениях материала фундамента

и незначительном повышении нагрузок на фундаменты;

· устройство обойм без уширения или с уширением подошвы

фундамента;

· подведение конструктивных элементов под существующие

фундаменты - плит, столбов, стен, осуществляемое при

необходимости повышения несущей способности основания или

углубления фундаментов;

· подведение новых фундаментов с использованием, главным

образом, свай различный видов - вдавливаемых, буронабивных,

буроинъекционных, бурозавинчивающихся и др., которое

осуществляется при значительном увеличении нагрузок и

значительной глубине залегания несущего слоя грунта;

· переустройство столбчатых фундаментов в ленточные и

ленточных в плитные;

· устройство щелевых (шлицевых) фундаментов.

 

 

 

Рассмотрим характерные приемы усиления, предложенные в 50-х гг. текущего столетия (рис.6.1), вошли в последние нормали ЛенжилНИИпроекта.

Рис. 6.1. Традиционные технологии усиления фундаментов: а - прикладкой вперевязку; б, г - бетонными обоймами; в - железобетонными обоймами; 1 - стена; 2 - новая кладка вперевязку со старой; 3 - старая кладка; 4 - металлические штыри; 5 - бетонная обойма; 6 - железобетонная обойма; 7 - щебеночная подготовка; 8 - бетонные банкеты; 9 - рабочая балка; 10 - распределительная балка; 11 - зачеканка литым бетоном

Увеличение площади подошвы фундаментов достигалось преимущественно за счет создания железобетонных обойм либо банкетов (одно- и двухсторонних). В старое время для уширения фундаментов применяли прикладки, которые выполняли вперевязку с существующей кладкой (см.рис.6.1,а). Опирание прикладок осуществлялось на различном уровне. Так, откопка старых фундаментов в Выборге, Новгороде, Пскове показала, что прикладки оставались в насыпном грунте и фактически не оказывали влияния на условия дальнейшей эксплуатации зданий. Они включались в работу лишь при больших деформациях после соответствующего уплотнения грунтов в основании уширенной части.

Рис. 6.2. Схема уширения подошвы фундамента (с эпюрами давления в плоскости подошвы) по Б.И.Далматову: 1 - существующий фундамент; 2 - конструкция уширения; 3 - арматура; 4 - эпюра давления до уширения; 5 - эпюра давления после уширения и догрузки фундамента

Рассмотрим традиционные варианты усиления фундаментов, связанные с увеличением площади подошвы, с позиций геотехники и технологичности применительно к слабым водонасыщенным грунтам.

Уширения подошвы фундамента без предварительной опрессовки малоэффективны. Как указывалось выше, они вступают в работу лишь при увеличении нагрузки, когда появляются дополнительные осадки. Это наглядно видно на рис.6.2. К сожалению, дополнительные осадки могут оказаться предельными для старого здания, требующего усиления.

Усиление оснований и фундаментов, как правило, производится в том случае, когда грунты перегружены, т.е. под краями фундаментов имеются развитые зоны пластических деформаций. При вскрытии таких фундаментов (даже локальных) до уровня подошвы может произойти выпор грунта в траншею или шурф (рис.6.3).

Основные приемы усилений оснований и фундаментов сводятся к следующему. Усиливаемый фундамент разбивают на отдельные захватки (участки) длиной 1,5 — 2,0 м. На этих участках отрывают вручную траншеи шириной 1,2 — 2,0 м до подошвы. После этого в фундамент забивают металлические штыри (либо погружают в заранее пробитые отверстия через 50 см в шахматном порядке). Устанавливают опалубку и бетонируют уширение. После разработки траншеи бетонируют примыкающие к граням фундамента банкеты без омоноличивания их с кладкой существующих фундаментов. Затем в пробитые проемы устанавливают стальные балки, которые являются упорами для гидравлических домкратов. Эти домкраты обжимают грунты в основании устраиваемых уширений. После опрессовки домкраты извлекают и бетонируют банкет (см. рис. 6.1,г).

Рис. 6.3. Возможный выпор грунта при откопке траншеи до подошвы существующего фундамента (при усилении с использованием традиционных технологий)

Инженером Н. И. Стробахиным предложен оригинальный метод опрессовки грунта основания под уширением. Он заключается в установке с двух сторон старого фундамента дополнительных железобетонных сборных блоков уширения. Нижнюю часть этих блоков стягивают анкерами из арматурной стали (рис.6.4); верхнюю — раздвигают клиньями либо домкратами. Это дает возможность обжать неуплотненный грунт и включить его в работу под уширением. Оценивая достоинства самой идеи, отметим, что реализация предлагаемого приема связана с определенными сложностями, особенно в слабых грунтах. Вскрытие такого грунта до подошвы фундамента опасно по причинам, указанным выше (см. рис.6.3). Зона уплотнения может оказаться незначительной по сравнению с зонами расструктуривания грунта.

Как показали наблюдения, значительная часть нагрузки будет передаваться через подошву старого фундамента. Это можно считать допустимым, так как уширения улучшают в целом условия передачи нагрузки, исключая выпор из-подподошвы. Однако выпор может произойти в процессе производства работ. Само появление возможного выпора должно прогнозироваться расчетом.

Рис. 6.4. Усиление фундаментов дополнительными блоками, обжимающими грунты оснований при их повороте (по Н. И. Страбахину): 1 - существующий фундамент; 2 - щель, раскрываемая при повороте блоков; 3 - железобетонный блок; 4 - анкерное крепление; 5 - отверстия для анкеров

Таким образом, даже при простейшем традиционном методе усиления проблемы технологии и геотехники тесно переплетаются.

Все рассмотренные технологические приемы усиления сложны и дорогостоящи, а главное, выполняются преимущественно вручную. Кроме того, в местах, где горизонт подземных вод достаточно высок, стоимость работ резко возрастает в связи с необходимостью откачки воды из траншей. Откачка должна вестись с таким условием, чтобы исключить нарушение естественного сложения грунтов в основании фундаментов реконструируемого здания. В противном случае работы по усилению только усугубят состояние здания в целом.

Весьма опасна для ветхих фундаментов заделка металлических штырей в тело фундамента. Автор этой главы был свидетелем, когда при усилении фундаментов больничного корпуса на Земледельческой ул. в Петербурге в процессе заделки штырей (1984) был разрушен вскрытый на большом участке фундамент, что привело к разборке 2-этажногокапитального здания (вместо планируемой надстройки).

По целому ряду причин полностью неприемлем в условиях слабых грунтов рекомендуемый в литературе способ подведения новых фундаментов с увеличением глубины заложения подошвы. Такие способы нетехнологичны и могут быть реализованы лишь в достаточно прочных грунтах при низком горизонте подземных вод, где, как правило, не требуется усиление фундаментов.

В мировой практике существует богатый арсенал различных химических реагентов, способных закрепить грунт основания на достаточно длительный период. К достоинствам химических способов относятся: высокая степень механизации всех операций; возможность упрочнения грунтов до заданных проектом параметров в их естественном залегании; сравнительно малая трудоемкость, резкое сокращение ручного неквалифицированного труда по откопке траншей, а также сравнительно невысокая стоимость исходных материалов (возможность использования отходов производства). Нами в начале 60-х гг. для улучшения свойств грунтов основания широко использовался кубовый остаток — отход производства кремнийорганических соединений (этилсиликат натрия). Были укреплены грунты в основании фундаментов здания тяговой подстанции трамвая в г. Усолье-Сибирское Иркутской области. Деформации этого относительно легкого здания произошли из-за неравномерных поднятий силами морозного пучения и соответствующих просадок при оттаивании расструктуренного грунта. Фундаменты имели заглубление 1,2 м от планировочной отметки при промерзании грунтов в этом регионе до 2,7 — 3,0 м. С использованием этилсиликата натрия были стабилизированы аварийные осадки двух складских неотапливаемых построек и одного жилого здания на морозоопасных и просадочных грунтах.

Химическое закрепление грунтов позволяет успешно решать многие задачи реконструкции при достаточно сложных инженерно-геологических условиях. Приведем характерный пример из практики в Петербурге. В 1959 — 60 гг. для предотвращения аварийных осадок стен сценической части здания Мариинского театра было выполнено химическое закрепление грунтов в основании ленточных фундаментов. Закреплению подлежал песок пылеватый с коэффициентом фильтрации 0,5 — 1,5 м/сут и пористостью n = 0,44. Толща песков составляла 3 — 4,5 м ниже подошвы фундамента. Закрепление производили по традиционной схеме с использованием карбамидной смолы плотностью 1,076 — 1,08 г/см3 и 3% -го раствора соляной кислоты.

Вначале нагнетали раствор соляной кислоты (400 л), затем — 50 л воды и после этого — раствор смолы (400 л). Нагнетание осуществлялось плунжерными насосами ПСБ-4 и НР-3 при давлении 0,3 МПа. Объем одной заходки, приходящейся на 1 инъектор, составил 0,6 — 0,7м3.

В последние годы появились работы о возможности создания нетоксичных либо слаботоксичных составов для закрепления грунта с использованием карбамидных смол. Указывается, что при соблюдении предлагаемых технологически сложных приемов можно снизить канцерогенность этих смол. В связи с усиленным вниманием к охране окружающей среды необходимо более строго подходить ко всем рекомендуемым «универсальным» химическим реагентам. Так, несомненно вредное воздействие на окружающий незакрепленный грунт и подземные грунтовые воды широко рекомендуемых кислот и щелочей высокой концентрации. Специальными исследованиями В. Е. Соколовича во ВНИИОСПе была выявлена токсичность и экологическая несостоятельность целого ряда реагентов, рекламируемых для закрепления грунтов в условиях реконструкции, в частности, акриловых, фенольно-формальдегидных, фурановых, хромлигниновых и карбамидных смол с несвязным формальдегидом.

В рекомендациях по укреплению водонасыщенных слабых грунтов защелачиванием (Уфа, НИИпромстрой) предлагается нагнетать под давлением в слабые пылевато-глинистые грунты концентрированные растворы каустика. Предполагается, что под воздействием высококонцентрированного каустика произойдет частичное поверхностное растворение глинистых минералов с образованием щелочных алюмосиликатных гелей, способных надежно закреплять слабые грунты. Расчет указывает на чрезмерное количество опасного реагента на 1 м3 закрепляемого глинистого грунта (от 100 до 160 кг). Под небольшое общежитие в Нижнем Новгороде необходимо закачать 300 т каустической соды. Учитывая высокий уровень грунтовых вод, помимо всего прочего, можно ожидать подщелачивания вод. Сам автор Ф. Е. Волков отмечает, что «защелачивание глинистых грунтов сопровождается их активным химическим пучением, приводящим к сильным деформациям сооружений, возведенных на таких грунтах».

Представляется обоснованным отказ многих специалистов от использования большей части химических реагентов, за исключением традиционно применяемых силикатов (одно- и двухрастворная силикатизация).

Однорастворная силикатизация, предложенная НИИОСП в довоенные годы, заключается в том, что в грунт нагнетается предварительно подготовленная композиция из гелеобразующей основы (жидкого стекла) и отвердителя. При невысокой вязкости смеси она может нагнетаться даже в слабофильтрующие песчаные грунты (с коэффициентом фильтрации 1 — 5 м/сут).

Сравнительно новая технология, разработанная В. Е. Соколовичем в начале 70-х гг. в развитие изложенной выше, была названа газовой силикатизацией. Сущность способа состоит в том, что в закрепляемый грунт первоначально (под давлением до 0,2 МПа) вводят углекислый газ с целью активации поверхности минеральных частиц, а затем — раствор жидкого стекла с плотностью 1,19 –1,30 г/см3 (в зависимости от водопроницаемости грунта). Газовая силикатизация, к сожалению, мало расширяет пределы применимости способа, ее применение ограничивается песчаными разностями с коэффициентом фильтрации до 0,5 м/сут.

Рис. 6.5. Электрохимическое закрепление слабых грунтов в основании фундаментов: 1-6 - номера захваток

Б. А. Ржанициным была предложена электросиликатизация (рис.6.5), при которой одновременно с нагнетанием в слабофильтрующие грунты однорастворной гелеобразующей смеси на основе силиката натрия на инъекторы подается напряжение от источника постоянного тока. Расход электроэнергии составляет обычно до 30 кВт на 1 м3 закрепляемого грунта. Расход растворов такой же, как при обычной силикатизации. По данным Г. Н. Жинкина и В. Ф. Калганова [31], количество гелеобразующей смеси, введенной в супесь (kф = 0,01 м/сут) в течение 28 ч по способу электросиликатизации, в 2,5 раза больше, чем при обычной однородной силикатизации.

Вполне безопасным с точки зрения воздействия на окружающую среду, согласно В. Е. Соколовичу, является закрепление грунтов с использованием портландцемента. Как известно, затвердевший портландцемент состоит в основном из гидросиликата кальция, практически нерастворимого в воде. В силу этого представляются перспективными инъекционные и буросмесительные способы. Технология их применения основана на смешивании слабых грунтов с водоцементной суспензией. Автор исследовал это направление в комплексе со струйной технологией.

В материалах XII Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению (Рио-де-Жанейро, 1989) как перспективные предложены смеси типа «Актизол», в состав которых входят: цемент, бентонит, силикатная и минеральная добавки. Считается наиболее эффективным применение таких смесей для укрепления аллювиальных (наносных) грунтов и устройства надежных противофильтрационных завес. Основными преимуществами смеси являются отсутствие загрязнения окружающей среды, возможность использования многих типов цемента, высокая подвижность при коротком времени схватывания.