Строительные конструкции. Металлические конструкции, основания и фундаменты

Рис. 11.18. Конструкции постоянных буроинъекционных анкеров системы «Бауэр»: а — с опорной трубой в корневой части, работающей на сжатие; б — с трубой переменного профиля в корневой части; в — с трубой, работающей на трение; г — типа Ст-52 с усиленной тягой, имеющей малые удлинения и исключающей растрескивание цементного корня при растяжении;1 — тяга; 2 — корень; 3 — антикоррозионная паста; 4 — пластиковая труба; 5 — опорная труба; 6 — труба переменного профиля; 7 — труба, имеющая сцепление с тягой

Принцип устройства всех буроинъекционных анкеров заключается в проходке скважины в грунте и замоноличивании в ней анкерной тяги за счет нагнетания цементного раствора по длине рабочего (корневого) отрезка за пределами зоны обрушения или выпора и заливки по свободной длине (рис. 11.18). Инъекционная опрессовка грунта вокруг корня приводит к увеличению его диаметра и несущей способности грунта в пределах контакта.

Анкерование строительных объектов предназначено для обеспечения и повышения устойчивости конструкций и сооружений в различных грунтовых условиях, включая подпорные и ограждающие стены заглубленных сооружений вблизи существующих зданий при стесненной застройке, реконструкции действующих объектов и креплении загрузочных стендов для испытания вдавливаемых фундаментов.

Анкеры применяют в промышленном, гражданском, транспортном, коммунальном, гидротехническом и энергетическом строительстве для

310

повышения устойчивости сооружений, подверженных одностороннему действию боковых давлений грунта, воды или ветра, опрокидывающих моментов, выдергивающих и взвешивающих сил (рис. 11.19).

Рис. 11.19. Схемы применения анкерных креплений для повышения устойчивости сооружений: а — пневматических

конструкций; б, в, г, л — высотных сооружений типа дымовых труб, мачт, башен; д, е, ж — откосов; з — взвешиваемых грунтовыми водами днищ опускных колодцев; и — плотин; к, с — ангаров; м, о — стен заглубленных помещений; н — тоннелей; п — стен глубоких котлованов; р — упорных конструкций при испытании фундаментов на сжатие

Анкеры при этом различаются по глубине устройства — мелкого заложения и глубокие; по наклону — вертикальные, горизонтальные и наклонные; по способу проходки скважин — буровые и с вытеснением грунта при забивке, задавливании, завинчивании, раскатке, гидроразмыве, импульсном воздействии либо комбинации способов; по принципу заделки корня — закапываемые, инъекционные и заливные цилиндрические или с уширением, вибро-, пневмо- и взрывонабивные, камуфлетные, распорные сборные с омоноличиванием или без него; по конструкциям анкерной тяги — стержневые, прядевые, канатные и трубчатые, включая их комбинации; по характеру работы материала корня — растянутые, сжатые и сжато-растянутые; по капитальности — временные и посто-

311

янные; по напряженному состоянию тяги — преднапряженные и ненапряженные; по передаче выдергивающего усилия от корня на окружающий его грунт — сцепления, трения, расклинивающего сжатия или их совместного действия.

Принципы проектирования и устройства буроинъекционных анкеров содержит действующий в Беларуси нормативный документ — пособие 1-93 «Проектирование и устройство буроинъекционных анкеров и свай». В нем рассматриваются различные конструктивные и технологические решения применения анкеров исходя из многообразия в Беларуси грунтовых условий и возможностей строительных организаций при соответствующей их оснащенности необходимыми механизмами и оборудованием.

11.4. Фундаменты при динамических нагрузках

Фундаменты под машины воспринимают и передают основанию динамические нагрузки, возникающие в процессе движения неуравновешенных частей машин. При динамическом воздействии грунты проявляют упругие свойства, вследствие чего возникают упругие колебания, которые распространяются на значительные расстояния, воздействуя на конструкции сооружений и, что очень существенно, могут вызвать дополнительную деформацию грунтов основания.

По своей конструкции фундаменты под машины делятся на массивные и рамные. Массивные фундаменты устраивают в виде сплошной плиты или блока на уровне пола первого этажа здания. Рамные фундаменты представляют собой жесткую конструкцию, стойки которой внизу заделаны в монолитную плиту.

По характеру работы машины можно разделить на следующие виды:

—машины с кривошипно-шатунным механизмом периодического действия (дизели, компрессоры);

—машины вращательного типа с установившимся движением (электрические машины);

—машины ударного действия (молоты);

—прочие машины с неустановившимся движением (станки). Динамический расчет фундаментов сводится к проверке условия:

312

где а и а — фактическая и допустимая амплитуды колебаний.

Для всех фундаментов должно быть также проверено давление на грунт от действия статической нагрузки, т.е. проверяется условие:

воздействие (для фундаментов под молоты равно 0,4; для фундаментов под машины периодического действия — 0,8).

При проектировании фундаментов под машины предусматривают ряд мероприятий, направленных на снижение негативного воздействия упругих колебаний. Считается полезным предварительное уплотнение грунта основания. С целью уменьшения амплитуды колебаний рекомендуется увеличить площадь подошвы фундамента. Горизонтальные колебания можно уменьшить присоединив к нему гибкой связью плиту, уложенную на поверхности грунта. Для уменьшения динамического воздействия машины применяют пружинные амортизаторы или упругие прокладки, укладываемые в места, доступные для их периодической замены.

Принципы проектирования и устройства фундаментов при динамических нагрузках излагаются в одноименном пособии к С Н Б 5.01.01-99.

11.5. Фундаменты в особых условиях

11.5.1. Фундаменты на илах

Илы относятся к структурно неустойчивым грунтам, образовавшимся при осаждении мелких минеральных частиц с одновременным протеканием микробиологических процессов. Структура этих грунтов определяется свойствами минерально-коллоидных частиц и условиями их отложения. Коэффициент пористости илов часто бывает намного больше единицы, что предопределяет их высокую сжимаемость. При небольших давлениях, не превышающих структурной прочности (до 1,0 кг/см2) ил может доуплотняться. При этом пористость уменьшается, способствуя упрочнению водно-

313

коллоидных связей между частицами. Это свойство доуплотнения положено в основу технологических приемов возведения фундаментов на илистых грунтах, которые заключаются в предварительном обжатии постоянно нарастающими нагрузками основания с одновременным устройством дренажа для отвода отжимаемой воды. В качестве пригрузки может служить песчаная подушка, отсыпаемая тонкими слоями с последующей укладкой и уплотнением слоя гравийного или каменного материала. После спрессовывания илистых грунтов до требуемого состояния и его стабилизации возводятся фундамент и надфундаментная часть сооружения.

Японские специалисты используют методы упрочнения илов за счет их перемешивания со связующими и добавками для ускорения набора прочности.

Однако чаще всего илы приходится удалять с их заменой песчаными подушками либо применять фундаменты глубокого заложения с передачей нагрузок на подстилающие их прочные грунты.

11.5.2. Фундаменты на заторфованных грунтах

К заторфованным относятся грунты, содержащие органические вещества от 10 до 60 % по весу. Как правило, эти грунты обладают большой сжимаемостью, осадки протекают медленно, и вследствие длительного процесса минерализации органических веществ полного затухания осадок практически не происходит.

Следует различать открытые торфы и погребенные. Открытые торфы ввиду чрезвычайно большой сжимаемости непригодны для использования в качестве оснований сооружений. Погребенные торфы, перекрытые толщей минеральных грунтов и залегающие ниже уровня подземных вод, могут быть использованы как естественные основания для малочувствительных к осадкам зданий. При этом необходимо предусматривать ряд мер, применяемых при возведении сооружений на неравномерно сжимаемых грунтах. К таким мерам относятся:

—устройство железобетонных поясов на уровне фундаментов и перекрытий всех этажей;

—устройство осадочных швов в местах изменения нагрузки на

грунт;

314

— разрезка зданий на отдельные жесткие блоки.

Учитывая возможность больших осадок, чтобы стены не давили на трубопроводы, над вводами в здание коммуникаций оставляются отверстия.

При производстве работ необходимо принимать меры, обеспечивающие сохранность естественной структуры заторфованных грунтов, не допуская их обнажения и контакта с атмосферным воздухом. По возможности делается выторфовка слабого грунта или прорезка его фундаментами глубокого заложения, возводя сооружения на плотном основании.

11.5.3. Фундаменты на ленточных озерно-ледниковых грунтах

Ленточные отложения образовались в водных бассейнах в период таяния ледников. Условия формирования этих отложений предопределили их структурные особенности. Песчаные и пылеватые частицы, отложившиеся в летний период времени, переслоены глинистыми, осажденными зимой уже в спокойной воде. Толщина слоев измеряется миллиметрами и не превышает 1 см. По своему составу ленточные отложения представляют собой глины, суглинки и супеси и носят общее название ленточных глин.

Ленточные глины обладают ярко выраженной анизотропией свойств, особенно по водопроницаемости. Коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении на несколько порядков больше, чем в вертикальном. В перемятом состоянии, особенно от воздействия динамических нагрузок, возникает избыточное увлажнение и ленточные отложения переходят в текучее состояние за счет тиксотропных свойств. Поэтому в процессе производства работ следует предусмотреть мероприятия, исключающие возможность нарушения природной структуры грунта. При рытье котлованов экскаваторами грунт не добирают до проектной отметки 0,2. . . 0 , 4 м . Оставшийся слой снимают непосредственно перед кладкой фундаментов. Не допускается сбрасывать бутовый камень в котлованы, трамбовать песчаную или гравийную подготовку под фундаменты.

Наличие воды в тонких песчаных прослойках предопределило их значительную пучинистость. Пучение начинается уже при температуре, близкой к нулю, и интенсивно нарастает при дальнейшем ее понижении. Поэтому не допускается оставлять котлованы открытыми в зимний пери-

315

од времени, т. к. промерзший грунт после оттаивания оказывается в текучем состоянии и становится непригодным для использования его в качестве основания сооружений.

При проектировании сооружений, возводимых на ленточных глинах, предусматривается ряд конструктивных мероприятий: разделение сложных в плане сооружений на отдельные жесткие блоки, устройство армированных и железобетонных поясов, вертикальных осадочных швов. Глубина заложения подошвы фундаментов назначается на 15...20 см ниже глубины промерзания грунта.

11.5.4. Фундаменты на просадочных грунтах

К просадочным относятся грунты, которые при замачивании под воздействием приложенной нагрузки и собственного веса дают дополнительные большие осадки. К таковым относятся лессы, лессовидные супеси и лессовидные суглинки. Для этих грунтов характерна большая пористость и быстрое размокание в воде.

При возведении сооружений на просадочных грунтах необходимо предусматривать мероприятия по недопущению замачивания грунтов основания: планировка территории, обеспечивающая быстрый отвод атмосферных вод; устройство различного рода водоводов, водонепроницаемых отмосток шириной не менее 1,5 м. Не допускается использовать для планировки песчаный грунт, строительный мусор или другие дренирующие материалы.

При незначительной мощности просадочной толщи основания сооружений могут быть уплотнены тяжелыми трамбовками. Применяют предварительное замачивание грунта, химическое закрепление, грунтовые тампоны. Достаточно надежным решением является прорезка просадочной толщи железобетонными забивными сваями или буронабивными сваями с уширенной пятой.

Для обеспечения общей устойчивости зданий применяется ряд конструктивных мероприятий: устройство по всей длине капитальных стен армированных поясов, разрезка здания осадочными швами, введение дополнительного армирования отдельных элементов сооружений, разбивка здания на отдельные жесткие блоки.

316

11.5.5. Фундаменты на вечномерзлых грунтах

Под вечной мерзлотой подразумевают явление сохранения породами верхней части земной коры отрицательной температуры на протяжении длительного времени. Под влиянием цементации частиц грунта льдом мерзлые грунты приобретают большую прочность. Однако в процессе оттаивания грунт переходит в текучее состояние, вызывая большие осадки сооружений, называемые просадками. Это особенно характерно для глинистых и пылеватых грунтов.

В настоящее время рекомендуется два принципа строительства и использования вечномерзлых грунтов как оснований для сооружений:

принцип 1 — сохранение вечномерзлого состояния грунтового основания в течение всего периода эксплуатации;

принцип 2 — использование основания с предварительным оттаиванием грунта или с оттаиванием в период эксплуатации.

Сохранение вечномерзлого состояния грунтов основания обеспечивается следующими мероприятиями:

—устройство вентилируемого подполья высотой не менее 0,7... 1,0 м. При этом перекрытие над подпольем должно обладать необходимым термическим сопротивлением;

—теплоизоляция поверхности грунта под полом;

—размещение на первом этаже неотапливаемых помещений;

—прокладка под полом охлаждающих вентиляционных каналов. Предварительное оттаивание грунта целесообразно производить

при небольшой толще вечной мерзлоты и при залегании мерзлого грунта в виде отдельных линз. Оттаивание мерзлого грунта можно производить с использованием солнечного тепла или с искусственным обогревом (заливка котлована теплой водой, оттаивание с помощью паровых игл, электропрогрева). При этом, как правило, оттаявший грунт необходимо уплотнить.

Оттаивание грунта в период эксплуатации зданий вызывает необходимость выполнения ряда конструктивных мероприятий, обеспечивающих нормальные эксплуатационные условия. Достаточно эффективным является применение свайных фундаментов, выполненных по определенной технологии.

317

Для погружения сваи в мерзлом грунте предварительно бурят скважины, которые на 2 / 3 глубины заполняют теплым глинистым раствором. Затем в скважину погружают железобетонную сваю. Глинистый раствор частично вытесняется, оставшийся в скважине замерзает, обеспечивая хорошее смерзание сваи с мерзлым грунтом. Глубина погружения сваи в вечную мерзлоту должна быть не менее 2 м.

Следует учитывать тот факт, что в период замерзания деятельного слоя свая может работать на выдергивание за счет сил пучения, иногда превышающих нагрузку от сооружения. И если нагрузки от сооружения недостаточно для восприятия этих усилий, в конструкции сваи предусматривается дополнительное армирование.

11.5.6. Фундаменты при сейсмических воздействиях

Вследствие резких смещений пластов горных пород в недрах Земли возникают очаги землетрясения. Сейсмические волны, распространяясь к земной поверхности, воздействуют как на само сооружение, так и на грунтовое основание фундаментов. В сейсмическом отношении наиболее устойчивыми являются не выветренные скальные и полускальные породы, а также не содержащие воды плотные крупнообломочные грунты. К наименее устойчивым относятся глинистые грунты в пластичном и текучепластичном состояниях, а также насыщенные водой рыхлые песчаные грунты. Поэтому важным фактором является выбор естественного основания, обеспечивающего благоприятные условия работы фундаментов. Следует избегать оползневых участков и участков с неоднородным строением грунтовой толщи, территории с неблагоприятным рельефом (склоны оврагов, холмов).

Фундаменты следует закладывать на одной глубине, под колонны — ленточные и перекрестные ленточные, а также сплошные железобетонные фундаменты. При применении сборных ленточных фундаментов под стены блоки замоноличиваются и связываются арматурными поясами. Столбчатые фундаменты перекрывают рандбалками, которые делают непрерывными по всей их длине. Достаточно надежными являются глубокие, в несколько этажей, подвалы, если их стены возведены на сплошной железобетонной плите.

318

11.6.Реконструкция оснований и фундаментов

Косновным причинами реконструкции оснований и фундаментов относятся:

недостаточная прочность материала фундаментов; недопустимые деформации основания; увеличение нагрузок на фундаменты и основания; изменение гидрогеологических условий в зоне застройки объектов; устройство новых сооружений и подземных коммуникаций на отметках ниже подошв существующих фундаментов; ухудшение свойств грунтов основания; возникновение и ликвидация аварийных ситуаций из-за просчетов при изысканиях, проектировании, строительстве и в процессе эксплуатации зданий и сооружений; вредного воздействия динамических нагрузок от механизмов или забивки свай; горнопроходческие работы; загрязнение грунтов и подземных вод отходами производства и т.д.

Проектированию и производству работ по геотехническим реконструкциям предшествуют обследования технического состояния здания, его фундаментов и основания. Исходя из конкретных условий решаются вопросы выбора методов реконструкций, т.е. усиления фундаментов или упрочнения грунтов.

Методы усиления фундаментов включают упрочнение их выветрелой клад-ки посредством инъекции или ее заключения в железобетонные обоймы, подведения снизу новых несущих конструкций, расширения или увеличение глубины заложения старых фундаментов, а также передачи нагрузки на дополнительные элементы, в том числе на устраиваемые рядом вертикальные либо снизу наклонные (козловые системы) сваи буронабивные или буроинъекционные.

Для упрочнения грунтов основания используют описанные в 9.4.2 методы, включающие инъекционные технологии силикатизации, глинизации, битумизации, смолизации, термические и цементации (как наиболее распространенный в последнее время), а также уплотнение, осушение, перемешивание и армирование грунтов. Для защиты подземных частей зданий, подвалов и коммуникаций от затопления используют противофильтрационные завесы, диафрагмы и искусственно создаваемые ванны. При горнопроходческих работах все чаще вместе с буроинъекционными (включая

319