25. Усиление фундаментов.

Фундаменты являются важным элементом здания, обеспечивающим его прочность, устойчивость и долговечность, в связи с чем вопросам их усиления придается большое значение.

Понятие "усиление фундаментов" включает в себя несколько моментов: усиление грунтового основания, увеличение площади подошвы фундамента и его разгрузка за счет устройства дополнительных опор. Особенно неблагоприятна для большинства зданий неравномерная осадка фундаментов, обусловленная неоднородностью грунтового основания и ухудшением его свойств при замачивании. Поэтому при усилении фундаментов часто оказывается достаточным улучшить физико-механические характеристики грунтового основания.Наибольшее распространение получили цементация и силикатизация грунтов.

При усилении бутобетонных фундаментов старых зданий хорошо зарекомендовал себя метод железобетонной обоймы, который позволяет увеличить площадь подошвы фундамента и одновременно повысить его прочность. Для этого в фундаменте пробиваются сквозные отверстия, через которые пропускаются стальные или железобетонные балки с шагом 2-3 м. После укладки арматурных сеток или каркасов заливается бетонная смесь. Совместная работа обоймы и фундамента обеспечивается балками и силами трения по поверхности контакта.

С целью повышения эффективности обоймы перед ее устройством производится обжатие грунта основания бетонными блоками (банкетами) при помощи домкрата (табл.4.11, п.2).

Усиление осуществляется следующим образом: в предварительно пробитые в фундаменте отверстия вставляются балки (поз.1) и замоноличиваются бетоном класса В15-В20. Затем укладываются банкеты и на них - домкрат в распор с балкой. Усилие обжатия грунта домкратом фиксируется с помощью распорок, а затем - отвердевшим бетоном обоймы. Работы по усилению производятся; последовательно, участками по всей длине фундамента.

Если прочность материала фундамента низкая и не позволяет выполнить обжатие грунта выше упомянутым способом, то фундамент предварительно усиливают продольными балками, укладываемыми на растворе в специально устроенные ниши (табл.4.11, п.3).

Усиление фундаментов сваями получило в последнее время широкое развитие при реконструкции зданий. В табл.4.12, п.1 показан способ усиления набивными сваями, скважины под которые делаются посредством пневмопробойника импульсно-упорного действия. При сравнительно небольшой мощности воздействующего механизма пробойник позволяет получать в пылевато-глинистых грунтах скважины диаметром 12-20 см без выемки грунта, что очень удобно в стесненных условиях реконструкции. Кроме того, вокруг скважины создается зона уплотненного грунта, обеспечивающая благоприятные условия для работы сваи.

В табл.4.12 представлены способы усиления фундамента сваями, состоящими из последовательно вдавливаемых в грунт секций. Сваи могут быть из стальных труб или железобетонными. Задавливание секций, имеющих длину 0,5-1,5 м, осуществляется с помощью домкрата, установленного под фундаментом в специально вырытой нише или же по обе стороны от фундамента. Наращивание секций сваи производится до тех пор, пока сопротивление вдавливанию не достигнет заданного проектом предельного значения. Затем давление в гидродомкрате сбрасывается до величины, при которой определяется контрольное погружение. Величина контрольного погружения должна быть не более 0,1 мм за 30 минут наблюдений. Установки для вдавливания УБПС-640, 660, 3000 рассчитаны соответственно на усилия 640, 660 и 3000 кН, минимальный шаг свай составляет 450-600 мм.

Эффективность усилия в каждом конкретном случае определяется в зависимости от технического состояния существующего фундамента и ожидаемого после реконструкции увеличения нагрузки.

Таблица 4.11 Усиление фундамента наращиванием

1 Усиление без обжатия грунта основания

1 Балка I 16...24

2 Бетон наращивания кл. В12,5...В20

3 Арматурная сетка из стержней кл. А1Ø10... 12 с шагом 200

2 Усиление с обжатием грунта основания

1 Балка I 16...24

2 Бетон наращивания кл. В12,5...В20

3 Домкрат

4 Бетонный блок (сборный)

3 Усиление стальной обвязкой и обжатием грунта основания

1 Балка I 16...2

2 Бетон наращивания кл. В12,5...В2

3 Домкрат

4 Бетонный блок

5 Балка [ 20...26

Таблица 4.12 Усиление фундамента сваями

1 Усиление буронабивными сваями

1 Балка 16...24

2 Бетон кл. В12,5...В20

5 Буронабивная свая Ø120...200

6 Арматурный каркас

2 Усиление вдавливанием свай вне фундамента

7 Железобетонная балка (ростверк)

8 Стальные тяжи Ø20...25

9 Домкрат

10 Элемент свай

3 Усиление вдавливанием свай под фундаментом

9 Домкрат

10 Элемент сваи

11 Распределительная плита

12 Направляющая стойка

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. 10.1).

Рис. 10.1. Усиление фундаментов железобетонной «рубашкой»:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — железобетонная «рубашка»; 3 — арматура усиления; 4 — усиливаемая колонна; 5 — обойма колонны

Рис. 10.2. Усиление ленточного фундамента подводкой:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — разгружающая балка; 3 — подставка; 4 — распределительный ростверк; 5 — домкрат

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. 10.2). 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. 10.3).

Рис. 10.3. Усиление ленточных фундаментов наращиванием:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — арматурный каркас наращивания; 3 — металлические трубы; 4 — шпуры

Подводка новых частей фундамента может осуществляться рядом с существующим (рис. 10.4). В этом случае нагрузка от несущего элемента передается на фундамент усиления через подкосы и металлическую (железобетонную) обойму.

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.

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.

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, неспособных выдержать значительные динамические нагрузки, возможно осуществить вдавливание цельных свай в грунт с помощью гидродомкратов.

Рис. 10.4. Усиление фундаментов подводкой:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — дополнительные фундаменты; 3 — колонка; 4 — металлическая обойма; 5 — металлические подкосы; 6 — элемент усиления

Эффективным средством усиления фундаментов, особенно при неравномерных деформациях сооружения, являются составные сборные сваи «Мега», которые не требуют 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. 10.5).

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.

Рис. 10.5. 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

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. 10.6).

Рис. 10.6. Усиление фундамента с помощью корневидных свай:

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.

Рис. 10.7. Усиление фундамента ростверком, расположенным в пределах высоты фундамента:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — ростверк усиления; 3 — существующие сваи; 4 — сваи усиления

Плитный ростверк возможно устраивать в пределах высоты существующего фундамента (рис. 10.7) и путем подводки под него (рис. 10.8) 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.

Примеры объединения усиливаемых фундаментов с дополнительными сваями с помощью плитного ростверка приведены на рис. 10.7, 10.8.

Рис. 10.8. Усиление ленточного фундамента сваями с подводкой нового ростверка: 1 — усиливаемый фундамент; 2 — существующие сваи; 3 — ростверк усиления; 4 — сваи усиления; 5 — арматурные сетки; 6 — отогнутые стержни

Расчет усиления фундаментов выполняется по двум группам предельных состояний с учетом требований соответствующих нормативных документов СНиП

По первой группе выполняется расчет прочности конструкций фундамента и несущей способности грунта основания, по второй — расчет оснований по деформациям, который требует учета совместной работы здания с основанием.

Несущая способность существующего фундамента определяется с учетом его фактического состояния (степени износа), прочностных характеристик материалов и грунтов основания.

Рис. 10.9. Схемы усиления фундаментов на свайном (а) и естественном (б) основаниях:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — ростверк усиления; 3 — сваи усиления

Рис. 10.10. Усиление ленточного фундамента на естественном основании сваями с устройством рамной системы:

1 — усиливаемый фундамент; 2 — сваи усиления; 3 — железобетонный ригель; 4 — железобетонная подушка; 5 — омоноличивание пробитого под ригель отверстия

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.

Несущая способность трубобетонных вдавливаемых свай определяется по формуле

F_d = E_и x, (10.1)

где F_и — усилие вдавливания; у, — переходный коэффициент, принимаемый равным 0,9 для глинистых грунтов, 0,85 — для песчаных.

Расчет каждого отдельного элемента составной сваи типа «Мега» осуществляется как для сжатого элемента с учетом продольного изгиба и случайного эксцентриситета, определяемого в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01—84. Учитывая возможную несоосность при стыковке отдельных элементов, несущая способность всей сваи определяется умножением на поправочный коэффициент, который принимается при длине сваи до 4 м — 0,75; от 4 до 6 м — 0,6 и свыше 6 м — 0,5.

Рис. 10.11. Усиление ленточного фундамента на естественном основании сваями с устройством рамной системы: 1 — усиливаемый фундамент; 2 — сваи усиления; 3 — металлические балки; 4 — стена

Рис. 10.12. Усиление столбчатого фундамента на естественном основании с устройством ростверка, армированного металлическими балками: 1 — усиливаемый фундамент; 2 — ростверк усиления; 3 — металлические балки; 4 — сваи усиления