Конструктивные решения и проектирование реконструкции зданий


Усиление оснований эксплуатируемых зданий



бет2/4
Дата10.07.2016
өлшемі496 Kb.
#189572
1   2   3   4

Усиление оснований эксплуатируемых зданий
Известно, что после периода приработки конструктивных элементов здания, составляющего 20-25 лет успешной эксплуатации, основания фундаментов функционируют, как правило, в "недонапряженном" состоянии. Большинство грунтов оснований под нагрузкой от массы здания уплотняются за счет уменьшения пористости грунтов, что приводит к увеличению их несущей способности. В общем случае, в зданиях старой постройки (преимущественно до середины XX века) имеется существенный запас прочности.
В то же время основания эксплуатируемых зданий и сооружений постоянно подвергаются широкому спектру воздействий, что может отрицательно сказаться на их несущей способности. Так, существенным фактором является воздействие влаги. Во-первых, возможно общее повышение уровня грунтовых вод (например, в результате сооружения водоема вблизи существующего здания и т.п.)- Во-вторых, К основаниям могут поступать поверхностные воды из-за плохого качества отмосток (тротуаров и других замощений), некачественной засыпки пазух котлованов после ремонта и т.д. В-третьих, вода может поступать из неисправных инженерных сетей (водопровода, канализации, теплотрассы). В этом же ряду факторов находится и суффозия - вымывание мелких частиц грунта водным потоком.
Климатические условия России определяют возможность появления в основаниях сил морозного пучения при наличии следующих условий:
пучинистого грунта;
увлажнения оснований;
значительных отрицательных температур в течение продолжительного периода времени (т.е. большой глубины промерзания).
При определенном сочетании гидрогеологических условий в пределах слоя сезонного промерзания грунты основания увеличиваются в объеме под действием сил кристаллизации льда в порах грунта. Опасен не только сам процесс замерзания и пучения грунтом оснований. Серьезные проблемы возникают и в процессе оттаивания. Во-первых, меняются физико-механические характеристики грунтов из-за накопления влаги под фундаментом в период замерзания. Во-вторых, очень опасно быстрое и неравномерное оттаивание весной (например, с южной стороны).
Таким образом, снижение несущей способности оснований чаще всего вызывается:
изменением гидрогеологических условий участка, на котором расположен эксплуатируемый объект;
изменением с течением времени физико-механических свойств насыпных грунтов;
влиянием па грунты основания транспортных и технологических динамических нагрузок.
Повышение несущей способности оснований осуществляется одним из трех методов: химическим, термическим или физико-механическим. Практика показывает, что наиболее эффективным и распространенным является химический метод, история которого восходит к началу XIX века. В 1802 Г. французский инженер А. Бериньи впервые успешно применил цементный раствор для закрепления крупнозернистых песков. С 1866 г. для той же цели начали широко использовать силикаты натрия. В СССР различные методы упрочнения оснований применяются, начиная с 1930 г.
В табл.2 приведены основные решения по усилению оснований зданий и сооружений. Следует сказать, что это достаточно технически сложные методы упрочнения грунтов, при котором между частицами грунта искусственным способом создают дополнительные связи, обеспечивающие повышение его прочности и уменьшение сжимаемости.

Таблица 2


Классификация основных методов усиления оснований


#G0Метод усиления

Область применения

Итоговая прочность, МПа

Наименование

Конструктивно-технологическое решение







Цементация

Нагнетание цементного раствора

Крупнозернистые пески с коэффициентом фильтрации К = 2-80 м/сут

1-4

Однорастворная силикатизация

Нагнетание раствора силиката натрия

Лессы с К = 0,1-2 м/сут

0,6 - 0,8


Нагнетание раствора силиката натрия с отвердителем

Мелкие пылеватые пески с К = 0,5-5 м/сут

0,4-0,5

Двухрастворная силикатизация

Последовательное нагнетание растворов силиката натрия и хлористого кальция

Пески средней крупности и мелкие с К = 2-80 м/сут

1,5-2

Электросилика-

тизация


Последовательное нагнетание растворов силиката натрия и хлористого кальция в условиях электрического поля постоянного тока между зубчатыми электродами (100 кВт ч/м)

Глины, суглинки и супеси с К = 0,01-0,1 м/сут

0,4-0,8

Смолизация

Нагнетание раствора карбамидной смолы с отвердителем

Пески средней крупности и мелкие с К = 0,5-5 м/сут

1,5-2 *

Термический способ

Сжигание топлива в скважинах

(t = 600-650 °С; продолжительность 5-7 суток)



Лессы при К = 0,1-1 м/сут

Г-1.5

Механическое уплотнение

Устройство буронабивных наклонных свай

Для любых грунтов

0,6-0,8




Устройство "стены в грунте"

Для любых грунтов

1-2

Комбинированный метод водовоздушной струи

Создание столбов укрепленного грунта в результате перемешивания с цементной суспензией или растворами смол

Пески, илистые и глинистые породы с коэффициентом фильтрации К = - 0,01-80 м/сут

0,15-7


Примечание к табл.2. Методы силикатизации, смолизации и комбинированный метод водовоздушной струи обеспечивают водонепроницаемость массива грунта.

Цементацию грунтов основания применяют только при наличии крупнопористой структуры, обеспечивающей радиус проникновения суспензии в пределах 0,3-15 м. Прочность цементированною грунта основания вблизи скважины-инъектора достигает 2-2,5 МПа при расходе цемента 20-40% объема закрепленного грунта
Силикатизация грунтов возможна для очень широкого диапазона значений коэффициента фильтрации. При К меньше 0,1 м/сут приходится прибегать к электросиликатизации, т.е. стимуляции перемещения раствора с помощью электрического тока (электроосмосу).
Смолизацию оснований применяют, как правило, для закрепления песчаных грунтов при высоком уровне грунтовых вол. Смолу и отвердитель нагнетают в скважину при рабочем давлении до 1 МПа.
Обжиг лессовидных и пористых глинистых грунтов превращает их в камневидную массу обожженной породы в радиусе 1-1,5 м от скважины (при расходе топлива до 100 кг на 1 м длины скважины).
Комбинированный метод водовоздушной струи (ССР-method): в массив основания под высоким давлением (до 60 МПа) подаются воздух, цементная суспензия или растворы синтетических смол. При этом происходит активное разрыхление породы, обеспечивающее глубокое проникновение закрепляющих компонентов в се толщу.
Однотрубный вариант метода водовоздушной струи позволяет создавать столбы укрепленного грунта диаметром до 0,6 м в результате вращательного движения струи в горизонтальной плоскости (последовательность закрепления фунта по высоте обеспечивается вертикальным перемещением трубы с соплом). Под действием мощной струи происходит относительно равномерное смешивание частиц грунта с компонентами укрепляющего раствора. Для создания столбов диаметром до 2 м и для устройства стенок-диафрагм из укрепленного грунта используют трехтрубный вариант метода (вода, воздух и закрепляющие компоненты подаются по трем разным трубам). Прочность массива закрепленного грунта при использовании метода водовоздушной струи может достигать 7 МПа в крупнозернистых песках и 0,15-0,25 МПа в илистых и глинистых породах. В обоих вариантах возможно эффективное закрепление грунтов основания на глубину до 15-20 м от дневной поверхности.
При использовании различных методов нагнетания растворов в скважину производится до насыщения массива грунта, которое фиксируется как скачок давления (15-25%) в системе нагнетания раствора. С целью уменьшения вязкости раствора возможен подогрев карбамидной смолы или жидкого стекла до температуры 60-80 °С, а также использование различных пластификаторов. Как правило, и химический, и термический методы обеспечивают радиус закрепления не более 1,5-2 м.
Если принять стоимость работ по термическому закреплению 1 м грунта за единицу, то силикатизация обойдется в 2-3 раза дороже, а цементация и смолизация в 4-5 раз дороже термического метода. В зарубежной практике последних лет наиболее широко используется комбинированный метод водовоздушной струи - самый технологичный, относительно дешевый и обеспечивающий необходимую прочность оснований (в результате подбора рабочего давления, состава упрочняющей суспензии, скорости перемещения рабочего органа и др.).
Особо следует сказать об осадках, сопровождающих химический метод закрепления грунтов. Нагнетаемые под подошву фундамента реактивы активно распространяются в сторону от фундамента, перемещая и некоторое количество частиц грунта (своего рода "вторичная суффозия"). Чтобы избежать временного ухудшения физико-механических характеристик фунтов основания под подошвой фундамента (следовательно, дополнительных осадок), рекомендуется заблаговременно устроить "завесы" из закрепленного грунта по обеим сторонам от фундамента, препятствующие вторичной суффозии (рис.1).


Рис.1. Поэтапное укрепление грунта основания фундамента:

1 - положение инъекторов для формирования завес; 2 - основное положение инъекторов для усиления грунта под подошвой фундамента; 3 - фундамент сооружения




Фундаменты эксплуатируемых зданий
Во все времена строители уделяли особое внимание прочности и надежности фундаментов. Поэтому, даже наиболее архаичные фундаменты (бутовые и бутобетонные) чаще всего отличаются высокой Долговечностью и надежностью. Можно утверждать, что в настоящее время у эксплуатируемых зданий (за исключением, может быть, церквей и дворцов) не встречаются фундаменты из постелистого камня.
В зданиях, построенных в первой половине XX века, встречаются фундаменты из рваного камня, которые работают в более напряженном состоянии, определяемом зонами концентрации напряжений на выступах камней и их расклинивающем действии друг на друга.
И сегодня в застройке центральных районов старых городов иногда встречаются здания на фундаментах из хорошо обожженного кирпича-железняка. Здания на фундаментах из бутового камня и кирпича-железняка, как правило, многократно переустраивались (надстраивались), поэтому фундаменты их во многих случаях перегружены и требуют особого внимания, особенно при увеличении нагрузки.
В практике переустройства зданий и сооружений в XXI веке придется сталкиваться главным образом с фундаментами бетонными и железобетонными (монолитными, сборными, свайными и др.).
Основные виды их разрушений: механические повреждения (деформации имеют вид трещин и изломов) и коррозия материалов. Состояние фундаментов (а следовательно, и выбор методов их восстановления и усиления) зависит от целого ряда причин, включая воздействие грунтовых вод, агрессивных сред, температурных колебаний, использованных материалов, конструктивных особенностей фундамента. Важно подчеркнуть, что вышеперечисленные дефекты оснований и фундаментов решающим образом отражаются на техническом состоянии здания или сооружения в целом. Необходимость восстановления или усиления существующих фундаментов чаше всего связана не с их предельным износом или разрушением, а с изменением физико-технических характеристик грунтов основания, либо с увеличением нагрузок (табл.3).

Таблица 3



Основные причины неудовлетворительного состояния фундаментов эксплуатируемых зданий


#G0Ошибки

Характеристика несоответствия условиям эксплуатации и последствия

Проектирования

Не приняты во внимание все особенности грунтов оснований, включая локальные включения. Например, наличие насыпных грунтов, обладающих сверхнормативными осадками и менее стойких к воздействию протечек хозяйственных вод из неисправных систем инженерных коммуникаций.
Несоблюдение установленной глубины заложения (опасность пучения и неравномерных осадок при оттаивании).
Наличие двух рядом расположенных фундаментов, значительно отличающихся глубиной заложения.

Производства работ

Нарушение структуры грунтов под фундаментами (например, расположение глинистых фунтов под подошвой фундамента, заложенного на недостаточную глубину).
Использование в технологическом процессе возведения фундаментов машин и механизмов с динамическим характером воздействия на массив грунта (опасным, например, в отношении водонасыщенных пылеватых грунтов).
Засыпка пазух котлованов водопроницаемыми грунтами.
Некачественное выполнение отмосток и придомовых замощений.
Выполнение ремонтно-строительных работ с нарушением технологии (скажем, устройство проемов в фундаментах без предварительной установки разгружающих балок или отрыв котлованов около существующих фундаментов на глубину, превышающую проектную).

Эксплуатации здания

Вымывание, унос (суффозия) или разжижение грунтов при неисправности подземных инженерных систем (водоснабжения, канализации, теплотрасс).
Систематическое замачивание грунтов основания из-за неудовлетворительного состояния отмосток, систем удаления ливневых вод и пр.
Увеличение глубины подвальных помещений с нарушением нормируемого перепада отметок между подошвой фундамента и подготовкой под полы подвала (менее 500 мм).
Перераспределение нагрузок на фундаменты без учета их действительной несущей способности.
Устройство пристроек и надстроек без выполнения поверочных расчетов оснований и фундаментов.

Работы по восстановлению и усилению фундаментов, как правило, начинают со вскрытия участками тела фундамента. Если необходима замена участка фундамента, то па время проведения работ обязательно выполняется усиление вышележащих элементов здании. Например, усилия от массы перекрытий можно с помощью системы стоек передать непосредственно на грунт, минуя стены. Другой вариант усиления - установка в нижней части стены над поврежденными участками фундамента металлических балок, расположенных в горизонтальной штрабе.


Выбор метода ремонта определяется состоянием фундамента, его конструкцией, материалом и пр. (рис.2-5).


Рис.2. Причины образования трещин в несущих стенах из-за неудовлетворительного состояния основания и фундаментов:

А - наличие слабых грунтов под средней частью здания; Б - наличие слабых грунтов у торца здания; В - обширная выемка грунта в непосредственной близости от здания; Г - отсутствие осадочного шва между частями здания разной высоты; Д - близкое расположение нового многоэтажного здания возле существующего малоэтажного здания




Рис.3. Усиление бутового фундамента и стен подвала:

А - методом цементации бутового фундамента; Б - усиление фундамента и стен подвала железобетонными обоймами; 1 - кирпичная стена здания; 2 - горизонтальная рулонная гидроизоляция; 3 и 4 - трубки для нагнетания цементного раствора; 5 - наплывы раствора на поверхности фундамента; 6 - железобетонная обойма; 7 - кирпичная стена подвала; 8 - бутовый фундамент




Рис.4. Установка разгрузочных балок в стене здания:

1 - кирпичная стена здания; 2 и 3 - обрез фундамента и гидроизоляция; 4 - поврежденный участок фундамента; 5 - разгрузочная балка, обернутая металлической сеткой и установленная с расклиниванием в горизонтальных штрабах; 6 - стяжные болты (шаг 1200 мм); 7 - бетон омоноличивания разгрузочной балки




Рис.5. Способы усиления и разгрузки ленточных фундаментов:

А - уширение подошвы фундамента железобетонными балками; Б - устройство железобетонной обоймы; В - передача нагрузки на выносные опоры (буронабивные сваи); Г - передача нагрузки на сваи, расположенные, вне здания; 1 - существующий ленточный фундамент; 2 - железобетонная балка по втрамбованной щебеночной подготовке; 3 - железобетонная монолитная обойма; 4 - забивные костыли-анкеры диаметром 16-20 мм, объединенные сварными арматурными каркасами; 5 - система разгрузочных и опорных металлических балок; 6 - монолитный железобетонный ростверк; 7 - буронабивные сваи; 8 - сваи, работающие на вдавливание; 9 - сваи, работающие на выдергивание

Для восстановления прочностных характеристик каменной кладки фундаментов используют метод цементации - нагнетания в пустоты фундаментного массива цементного раствора иол давлением до 1 МПа. При поверхностных разрушениях в кладку фундамента заделываются в шахматном порядке (шаг 500) анкерные штыри, к которым крепится арматурная сетка. Затем по арматурной сетке устраивается "рубашка" из раствора на крупнозернистом песке методом оштукатуривания или торкретирования.
Метод усиления с помощью железобетонных обойм - устройство поперечных связей между обоймами из арматурной стали или поперечных балок. Иногда устройство обойм совмещают с методом цементации. Обоймы удерживают раствор, препятствуя его вытеканию из массива фундамента в грунт и позволяя значительно повысить давление инъецирования. Железобетонная обойма должна иметь толщину не менее 80 мм, армирование выполняется сеткой 150 х 150 мм, диаметр арматуры 10 мм (табл.4).

Таблица 4



Основные методы восстановления и усиления фундаментов эксплуатируемых зданий


#G0Метод реконструкции фундамента

Область применения

(состояние фундамента)



Наименование

Конструктивно-технологическое решение




Укрепление кладки фундамента без расширения подошвы

Нагнетание (инъекции) цементного раствора в трещины и пустоты в теле фундамента

Снижение прочности кладки по всей толще фундамента, расслоение кладки




Штукатурка или торкретирование

Снижение прочности наружного слоя массива фундамента, незначительные трещины в нем

Устройство обойм

Устройство железобетонных или металлических обойм усиления (в том числе, и напрягаемых для столбов и простенков)

Недостаточная несущая способность, возможное увеличение нагрузки

Применение разгружающих конструкций

Устройство жестких поясов из металлического проката, размещенных в горизонтальных штрабах и обеспечивающих перераспределение нагрузки

Наличие ослабленных участков в теле фундамента




Передача нагрузки на систему выносных опор в виде банкетов, отдельных свай (или кустов), кессонов через систему балок и прогонов

Наличие ослабленных участков в стенах, углах здания, при возможности выполнения ремонтных работ только снаружи и пр.

Изменение конструктивной схемы фундамента

Устройство дополнительных (промежуточных) опор

Значительные осадочные деформации. Увеличение нагрузки




Подведение фундаментной плиты




Иногда возникает необходимость переустройства столбчатых фундаментов в ленточные, а ленточных - в плитные. При этом очень важно обеспечить совместную работу существующих фундаментов с вновь устраиваемыми конструктивными элементами фундаментов (для лучшего сопряжения необходима система насечек, штраб и перевязки арматуры). Края вновь возводимых фундаментных плит в обязательном порядке подводятся под существующие фундаменты. Отдельные участки ребристой плиты соединяются между собой системой железобетонных перемычек, проходящих сквозь отверстия в теле существующего фундамента или под подошвой.


Усиление существующих фундаментов сваями предполагает «пересадку» фундамента на выносные сваи или подведение свай под подошву фундамента. Для передачи нагрузки от усиливаемых фундаментов на сваи используют систему монолитных железобетонных (или стальных омоноличиваемых) поперечных балок.
Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике переустройства зданий получил метод усиления фундаментов мелкого заложения с помощью выносных буронабивных и вдавливаемых свай. Применение корневидных (буроинъекционных, вертикальных и наклонных) свай позволяет проводить этот вид работ без разработки котлованов и траншей, без нарушения структуры основании. Современные установки вращательного бурения позволяют пробурить скважины даже через вышерасположенные конструкции здания.




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4




©www.dereksiz.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет