книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

собность свайного фундамента при учете сейсмического воздейст­ вия может оказаться значительно меньше, чем при статических нагрузках.

Кроме того, производится обязательный расчет сваи на горизон­ тальную составляющую сейсмической нагрузки. Соответствующие методики расчета приведены в главе СНиП 2.02.03 — 85 «Свайные фундаменты».

Особенности конструирования сейсмостойких фундаментов. Ос­ новные требования к конструированию фундаментов в. сейсмичес­ ких районах заключаются в применении мероприятий, повыша­ ющих жесткость сооружений. Поскольку столбчатые фундаменты обладают меньшей устойчивостью, для зданий повышенной этаж­ ности (более 5 этажей) целесообразно применять ленточные, пере­ крестные и сплошные плитные фундаменты. Стыки перекрестных фундаментов обязательно усиливаются арматурными сетками (рис. 17.11, а). Если отдельные фундаменты колонн каркасных зданий не могут воспринимать сдвигающие усилия от действия сейсмических нагрузок, их следует соединять с соседними железобетонными фун­ даментными балками (рис.

17.11, б).

Конструкции фундамен­ тов стен подвалов и под­ земных частей зданий вы­ сотой до 9 этажей включи­ тельно могут выполняться как в сборном варианте, так и в монолитном желе­ зобетоне. В зданиях выше 9 этажей следует предусма­ тривать монолитный вари­ ант подземной части (рис. 17.11, в).

В фундаментах и стенах подвалов из крупных бло­ ковдолжна выполняться перевязка кладки в каждом ряду, а также во всех углах и пересечениях. Глубина перевязки блоков принима-

521

В зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов углы и пересечения стен должны быть усилены путем закладки в горизонтальные швы арматурных сеток.

По верху сборных ленточных фундаментов и фундаментных плит следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм с продольной арматурой диаметром 10 мм в количест­ ве, зависящем от расчетной сейсмичности. Через 300...400 мм про­ дольные стержни должны быть связаны поперечными диаметром

6мм.

Впоследние годы разработаны принципиально новые решения

активной сейсмозащиты зданий и сооружений (В. С. Поляков и др., 1988). Одно из таких решений — сейсмоизолирующий скользя­ щий пояс — заключается в устройстве специальных опор между фундаментом здания и сооружением с низким коэффициентом тре-

ГЛАВА 18

РЕКОНСТРУКЦИЯ И РЕМОНТ ФУНДАМЕНТОВ, УКРЕПЛЕНИЕ ИХ ОСНОВАНИЙ, СТРОИТЕЛЬСТВО В УСЛОВИЯХ СТЕСНЕННОЙ ЗАСТРОЙКИ ГОРОДОВ

18.1. Общие положения

Под реконструкцией зданий и сооружений понимается выполне­ ние работ, необходимость которых возникает в связи с изменением их геометрических размеров и расчетных схем (перестройка, над­ стройка, пристройка, перепланирование и т. д.), возрастанием по­ стоянных или временных нагрузок, устройством в пределах пятна застройки заглубленных или подземных помещений. Проведение ремонтных работ часто бывает связано со строительством вблизи существующего новых зданий или сооружений, прокладок или пере­ кладок коммуникаций, естественным износом конструкций, ухудше­ нием свойств и состояния грунтов основания.

Анализ инвестиционной политики в строительстве в текущий период и на перспективу указывает на рост доли реконструкции зданий и сооружений в общем объеме строительных работ. Это объясняется тем, что реконструкция, дает возможность быстро ме­ нять назначение зданий, используя уже готовые объемы. Это осо­ бенно характерно для больших городов, где уплотняется застройка, реконструируются целые кварталы, осваивается подземное простра­ нство. Одним из важных требований мировой практики реконструк­ ции является сохранение исторических архитектурных памятников, определяющих облик города.

522

Наряду с гражданскими объектами широкомасштабно осущест­ вляется реконструкция промышленных предприятий, которая и здесь связана с уплотнением застройки промышленной зоны, установкой нового оборудования, прокладкой или перекладкой под­ земных коммуникаций и т. п.

В перечне основных строительных работ, сопровождающих ре­ конструкцию и ремонт зданий и сооружений, наибольшие затрудне­ ния обычно вызывают работы, связанные с усилением фундаментов и укреплением их оснований. Разнообразие возникающих задач, необходимость выполнения работ в условиях крайне стесненной обстановки, часто при продолжающейся эксплуатации зданий, за­ ставляет почти каждый случай рассматривать как особый. Зачастую работы по усилению фундаментов и укреплению оснований прихо­ дится выполнять из подвальных помещений или из первых этажей зданий. Все это требует разработки специальных щадящих тех­ нологий и конструктивных решений, обычно не применяющихся в новом строительстве, других методов организации работ, соот­ ветствующего технологического оснащения.

Одновременно с технической необходимо развивать научную и нормативную базу этой области строительства, которая, учиты­ вая новые решения в фундаментостроении и накопленный за по­ следние годы опыт, призвана обеспечить надежность, экономич­ ность и экологическую безопасность принимаемых решений по реконструкции и капитальному ремонту зданий и сооружений.

В условиях плотной городской или промышленной застройки реконструируемые или ремонтируемые здания и сооружения, как правило, находятся вблизи или в непосредственном примыкании к другим эксплуатируемым сооружениям. Поэтому важнейшей со­ ставляющей проекта и выполнения работ по реконструкции и ремо­ нту является обеспечение условий нррмальной эксплуатации рас­ положенных рядом зданий. Здесь как нигде в других областях строительства справедлив основополагающий в медицине принцип: «не навреди»!

18.2. Причины, вызывающие необходимость укрепления оснований и усиления фундаментов

Как уже неоднократно отмечалось, грунты основания по сравне­ нию с материалами строительных конструкций зданий обладают неизмеримо большей изменчивостью, т. е. способностью менять свои свойства и состояние под воздействием природных и техноген­ ных факторов. В значительной мере это же относится и к фундамен­ там — элементам конструкции в течение всего срока существования находящимся в грунтовой среде. Поэтому обеспечение надежности зданий и сооружений, под которой в строительстве понимается

523

способность сооружения функционировать в нормальных условиях эксплуатации в пределах заданного срока службы, зачастую требует укрепления их основании и усиления фундаментов. Тем более это относится к реконструируемым зданиям, где изменения вызывают­ ся проявлением не только внутренних процессов, но и внешних воздействий.

Опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений в раз­ личных климатических и инженерно-геологических условиях позво­ ляет выделить факторы, которые прежде всего следует принимать во внимание при составлении проектов инженерных изысканий

ивыполнении работ по реконструкции и ремонту. При этом необ­ ходимо иметь в виду, что эти факторы, как правило, проявляются во взаимодействии между собой.

Изменение состояния и свойств грунтов основания в процессе эксплуатации зданий н сооружений. Длительная эксплуатация зданий

исооружений может приводить к развитию как позитивных, так

инегативных процессов в грунтах основания. К позитивным от­

носится уплотнение грунтов основания в верхней части сжимае­ мой толщи под подошвой фундаментов, следствием чего является уменьшение их пористости, увеличение прочностных и деформаци­ онных свойств, повышение несущей способности грунтов. Опыт показывает, что уплотнение грунтов под действием нагрузок от сооружения может распространяться до глубины 1,7...26, где 6 — ширина подошвы фундамента. Причем наиболее интенсивное уп­ лотнение присходит в зоне до 0,5... 16. Вследствие этого, как ука­ зывает П. А. Коновалов (НИИОСП), расчетное сопротивление несущего слоя фундаментов длительно эксплуатируемого зда­ ния может увеличиваться до 56% для глинистых и до 44% для песчаных грунтов по сравнению с первоначальным его значением. Аналогично в наблюдениях зафиксировано и повышение модуля деформации грунтов в пределах зоны уплотнения сжимаемой тол­ щи основания.

Таким образом, если здание к началу реконструкции находится в сохранном состоянии, а инженерно-геологические условия основа­ ния в процессе его эксплуатации остались неизменными, допол­ нительные нагрузки, возникающие в результате реконструкции, бу­ дут восприниматься уже более прочными и менее деформируемыми грунтами, чем при первоначальном строительстве. Этим и объясня­ ется возможность в ряде случаев надстройки эксплуатируемых зда­ ний на один-два этажа без усиления существующих фундаментов и укрепления основания.

Вместе с тем, в основании длительно эксплуатируемых зданий часто фиксируются и негативные процессы, приводящие к ухудше­ нию свойств грунтов. К ним относится увеличение влажности грун­ тов в верхней части основания, вызванное нарушением условий аэрации на застроенной площадке, сезонным промерзанием и 01та-

524

иванием грунтов основания; особенно при небольшой глубине зало­ жения фундаментов. Заметное место занимает и повышение влаж­ ности грунтов вследствие утечек техногенных вод из коммуникаций, расположенных вблизи или в пятне застройки здания. В случае промышленных предприятий утечки производственных отходов мо­ гут существенно влиять на повышение агрессивности подземных вод по отношению к материалам фундаментов и подземных соору­ жений, приводить к резкому снижению характеристик прочностных свойств грунтов основания.

В крупных городах в последние десятилетия устойчиво фиксиру­ ется развитие подтопления, т. е. общего повышения уровня подзем­ ных вод на значительных территориях, вызванного сложной совоку­ пностью ряда факторов (уменьшение откачки подземных вод для нужд города, систематические утечки из коммуникаций, изменение режима аэрации и др.). Местное изменение уровня подземных вод может быть вызвано строительством подземного сооружения, осо­ бенно развитых в плане размеров. В этом случае сооружение как бы выполняет роль подземной плотины, перекрывающей медленно движущийся поток подземных вод, что приводит к возникновению «барражного эффекта»: повышению уровня подземных вод со сто­ роны движущегося потока и понижению — с противоположной сто­ роны. Наконец, строительное водопонижение или повышение от­ бора воды из скважин для нужд какого-либо предприятия в услови­ ях плотной городской застройки может вызвать образование ворон­ ки депрессии, т. е. понижение уровня подземных вод на прилега­ ющей территории, застроенной другими зданиями.

Изменение гидрогеологических условий (повышение или пони­ жение уровня подземных вод) неизбежно влияет на совместную работу сооружений и основания. Понижение уровня подземных вод вызывает увеличение удельного веса грунта из-за прекращения дей­ ствия взвешивающих сил на его частицы и может привести к раз­ витию дополнительных осадок основания. Повышение уровня под­ земных вод или увеличение влажности может вызвать ухудшение характеристик прочностных и деформационных свойств грунтов основания. Переменный уровень подземных вод, местная утечка из коммуникаций, строительное водопонижение часто являются при­ чиной механической суффозии — вымывания пылеватых и мелких песчаных частиц из грунтов основания, что приводит к увеличе­ нию их пористости и снижению прочностных и деформационных свойств. Движущиеся подземные воды могут являться причиной карстообразования, представляющего значительную опасность для существующих зданий (см. § 16.2).

Таким образом, окончательная оценка несущей способности и деформируемости грунтов основания реконструируемого здания должна осуществляться на основе совместного анализа указанных выше процессов.

525

Повреждение фундаментов. Обычная городская застройка, вклю­ чая и промышленные предприятия, характеризуется наличием зда­ ний и сооружений, возраст которых может различаться десятилети­ ями и даже столетиями. Естественно, что конструкции и материалы таких зданий, а также степень их износа, могут существенно отли­ чаться. Обследования показали, что здания постройки XVIII —

XXвв. возводились, как правило, на ленточных фундаментах, ос-

'новным материалом которых являлась валунная, бутовая или кир­ пичная кладка на известковом растворе, иногда подстилаемая пес­ чаной подготовкой или деревянными лежнями. Нередко встречают­ ся фундаменты и на деревянных сваях. Только с первой четверти

XXв. началось массовое применение бетонных и железобетонных фундаментов.

Степень износа фундаментов, относящихся к различным пери­ одам их возведения, различна и не всегда соответствует возрасту

-зданий. Анализ результатов многочисленных исследований показы­ вает, что износ фундаментов обуславливается двумя группами при­ чин — физико-механическими и механическими.

Физико-механические причины являются результатом взаимодей­ ствия материала фундамента с окружающей средой. К ним относят­ ся гниение деревянных элементов фундаментов, выщелачивание вяжущего, разрушение кладки в агрессивной среде, коррозия ар­ матуры, особенно интенсивная при агрессивных подземных водах

иблуждающих токах, и т. п.

Кмеханическим причинам относятся неравномерные деформа­

ции основания и различные внешние воздействия (земляные работы вблизи здания, динамические воздействия транспорта и строитель­ ных механизмов, необоснованное увеличение нагрузок и т. д.). Характерными видами разрушения здесь являются расслоение кладки и выкрашивание раствора из швов, трещины в бетонных и железобетонных фундаментах, приводящие к потере не только их прочности, но и жесткости.

Причиной разрушения фундаментов или их преждевременного износа могут явиться и: неудовлетворительное качество строитель­ ных материалов; ошибки конструктивного характера при проек­ тировании фундаментов; ошибки технического и технологического характера, допущенные при производстве строительно-монтажных работ (смещение фундаментов с проектной оси, укладка фундамен­ тов на промороженный грунт и т. п.).

Отдельно следует отметить и разрушение гидроизоляции фун­ даментов, что особенно важно при наличии заглубленных помеще­ ний. Причиной разрушения гидроизоляции могут быть как физико­ механические, так и механические воздействия на фундамент, а по­ следствиями — замачивание материалов фундаментов и их прежде­

временное разрушение, а также повышенная влажность в помеще­ ниях.

526-

Результатом повреждения фундаментов могут явиться допол­ нительные и, как правило, неравномерные осадки основания даже длительно эксплуатируемых зданий, вызывающие на первый взгляд ничем не обоснованные деформации конструкций.

Развитие недопустимых деформаций в конструкциях эксплуатиру­ емых зданий и сооружений. Общие или местные недопустимые дефо­ рмации зданий могут возникать за счет проявления природных и техногенных процессов, а также за счет ошибок или отклонений от нормативных требований, допущенных при изысканиях, проек­ тировании, строительстве и эксплуатации.

К природным факторам, способствующим развитию неравно­ мерных осадок оснований сооружений, кроме описанного тлтте изменения свойств грунтов, относится изначальная неоднородность грунтового основания по площади и по глубине, присутствие в нем линз или слоев торфа, легко сжимаемого грунта, скопления валунов или других твердых включений, например остатков существова­ вших ранее построек, наличие различного рода пустот, включая карстовые. Современные методы расчета позволяют учитывать эти факторы при проектировании фундаментов до минимума снижая их негативное влияние на деформации сооружения. По другому обсто­ ит дело, когда из-за ошибок изыскателей (не выявленные плывуны, линзы торфа, неправильная оценка карстоопасности участка и т. д.) и проектировщиков (переоценка несущей способности основания, ошибки при проектировании фундаментов или подвальных помеще­ ний под частью здания и т. д.) эти факторы не учтены или учтены недостаточно. В таких случаях следует ожидать развития сущест­ венных неравномерных осадок, превышающих значения норматив­ ных, что, как правило, сопровождается развитием в конструкциях сооружения осадочных трещин.

Отрицательное влияние на строительные свойства грунтов ос­ нования, способное вызвать недопустимые деформации конструк­ ций, оказывают и факторы эксплуатационного характера. К ним относится подтопление и размывание основания атмосферными, бытовыми или технологическими водами, связанное с низким каче­ ством отмостки и нарушениями в организации отвода дождевых и талых вод от стен здания, устройством дополнительных вводов, а также с аварийными н систематическими сбросами или утечками из коммуникаций. Возможно также промораживание грунтов в под­ валах при нарушении режима их отопления.

Значительное число случаев развития недопустимых деформа­ ций конструкций зданий связано с нарушением технологии работ нулевого цикла как в процеосе строительства, так и в период эксплуатации. К первым относится: нарушение природной стру­ ктуры грунтов основания при разработке котлована вследствие перемещения тяжелой техники по его дну; промораживание или затопление котлована водой при длительных перерывах в работе;

527

излишний перебор грунта при вскрытии котлована и недостаточное уплотнение вновь отсыпанного грунта в местах перебора и т. п. Ко вторым — ошибки в проведении строительных работ рядом с эксплуатируемыми зданиями: динамическое воздействие на ос­ нование при разборке старых домов, примыкающих к эксплуатиру­ емому; разработке котлованов, траншей, прокладке подземных коммуникаций вблизи существующих зданий, динамическое воздей­ ствие на основание при строительстве нового здания вблизи сущест­ вующего и многие другие. К этому же ряду можно отнести и допол­ нительные осадки основания фундаментов существующих зданий в. результате изменения напряженно-деформированною состояния основания при строительстве рядом с ним нового здания. При этом влияние нового строительства на существующие здания будет ска­ зываться тем сильнее, чем в худшем состоянии эти здания будут находиться.

Изменение схемы здания, увеличение нагрузок на фундаменты. Реконструкция и капитальный ремонт зданий и сооружений произ­ водятся с целью устранения их физического и морального износа и обепечения возможности расширения или выполнения дополни­ тельного функционального назначения. Как правило, это сопровож­ дается увеличением нагрузок на существующие фундаменты, а ино­ гда и устройством новых фундаментов. Основные причины этого сводятся к следующим:

встарых зданиях перекрытия выполнялись из деревянных балок

снакатом из пластин (шаг балок — 107 см или 1,5 аршина), стро­ пила из бревен, лестницы деревянные и т. д. При реконструкции

икапитальном ремонте зданий эти элементы заменяются на желе­

зобетонные или металлические — более прочные, долговечные и безопасные в пожарном отношении, но и более тяжелые;

перебивка этажей и оконнных проемов в старых зданиях с высо­ той помещений 3,5...5,2 м для получения дополнительных этажей;

перепланировка здания с целью образования более просторных помещений, что зачастую связано с ликвидацией ряда несущих элементов и передачей на оставшиеся дополнительных нагрузок;

замена мансардных помещений и высоких чердаков дополни­ тельным этажом за счет небольшого наращивания стен;

надстройка дополнительных этажей.

Проведение перечисленных видов работ может привести к повы­ шению первоначальной постоянной нагрузки на фундаменты на 30...50%. Такое существенное увеличение нагрузки может потребо­ вать устройства новых дополнительных фундаментов или усиления уже существующих, поэтому при реконструкции стремятся исполь­ зовать по возможности более легкие бетоны и материалы.

Наряду с увеличением постоянных возможно увеличение, времен­ ных нагрузок (новый станочный парк, переоборудование капиталь­ ных зданий под книгохранилища, архивы и т. п.), а также и кратко­

528

временных нагрузок, например за счет использования более мощ­ ных мостовых кранов.

Всегда необходимо иметь в виду, что увеличение нагрузок на существующие фундаменты может потребовать не только их усиле­ ния, но и укрепления грунтов, залегающих в основании этих фун­ даментов.

18.3.Последовательность проектирования оснований

нфундамёнтов реконструируемых зданий

Составлению проекта оснований и фундаментов реконструиру­ емых зданий предшествует обследование их технического состояния

иинженерно-геологические изыскания. Как правило, обследование

иизыскания выполняют и для •утяиий, находящихся в зоне влияния реконструируемого.

Целью обследования зданий и инженерно-геологических изыска­ ний является получение необходимых материалов для принятия решений о возможности или целесообразности реконструкции наме­ ченного здания, методах усиления или переустройства фундамен­ тов, закрепления грунтов основания и обеспечение нормальной эксплуатации прилегающих зданий.

Обследование здания заключается в детальном изучении тех­ нической документации, включающей общие сведения о здании, времени его строительства и сроках эксплуатации, объемно-плани­ ровочном и конструктивном решениях, системах инженерного обо­ рудования; выявлении режима и технологических особенностей экс­ плуатации здания, установлении факторов, отрицательно действу­ ющих на основание, фундаменты и конструкции здания; фиксации визуально, а при необходимости и инструментально, дефектов в ко­ нструкциях здания (трещины в элементах несущих и ограждающих конструкций, коррозия арматуры, прогибы изгибаемых элементов, смещение плит перекрытий и т. п.).

Расположение, направление и характер трещин, фиксируемых в стенах зданий при обследовании, часто позволяет установить причины возникновения этих дефектов, что важно при назначении мест и объемов детального обследования фундаментов и основа­ ний. Некоторые характерные случаи приведены на рис. 18.1.

Обследование фундаментов и несущего слоя грунтов основания зданий производится из шурфов, число которых определяется состоянием, размером и конфигурацией объекта, грунтовыми усло­ виями и целями обследования. Шурфы закладываются в наиболее загруженной части здания, в каждой секции, в местах проме­ жуточных опор, обязательно на участках развития трещин и в ава­ рийных зонах. Глубина шурфов должна быть на 0,5 м ниже подошвы фундамента. Бели на этой глубине будут обнаружены слабые грунты (насыпные, рыхлые пески, заторфованные, слабые

529

водонасыщенные глинистые грунты), они должны быть пройдены на всю глубину бурением.

При обследовании фундаментов в открытых шурфах устанав­ ливается тип и материал фундамента, его форма, размеры в пла­ не и глубина заложения. Одновременно выявляются выполненные ранее подводки и усиления, трещины и другие дефекты кладки, - определяется прочность материала фундамента, наличие гидроизо­ ляции, наличие и состояние дренажа. Для зданий исторической застройки проверяется наличие лежней и деревянных свай под фун­ даментами.

Ширину подошвы фундамента и глубину его заложения опреде­ ляют натурными обмерами. На наиболее нагруженных участках ширину подошвы устанавливают из двусторонних шурфов или с помощью сверления и замера металлическим метром, а также подкопом и использованием Г-образного металлического щупа (рис. 18.2). На менее нагруженных ширину допускается принимать

сучетом того, что фундамент имеет симметричную форму.

Усвайных фундаментов замеряется диаметр или размеры попе­ речного сечения свай, шаг, число свай на 1 м длины.

Прочность материала фундаментов устанавливается испытани­ ем проб в лаборатории, механическими или неразрушающими ме­ тодами.

Наряду с обследованием технического состояния фундаментов из шурфов производят отбор образцов грунта ненарушенного ело­

Рис. 18.2. Шурф для обследова­ ния фундамента:

•7—креплениешурфа; 2 — отверстие, пробитое шлямбуром; 3 — подкоп'

фундамента; 4 — щуп для определе­ вой площади опиравиа перемылив на стенув низкой ния ширины подошвы фундамента прочности каменной кладки; 3 — трещины от пере­

грузки простенка и низкой прочности каменной кладки; 4 — трещины по причине большой длины температурного блока или отсутствия температур­ но-усадочного шва; 5 — трещина — следствие тем­ пературной деформации расширения стального (же­ лезобетонного) прогона, опирающегося на просте­

нок

530