Усиление фундаментов и оснований с помощью обойм, свай и ростверков

Подводка фундаментов (рис. 13) – наиболее распространенный способ укрепления зданий, заключающийся в увеличении площади подошвы фундамента и его заглублении путем полной или частичной замены прежней кладки [4-12,15,17].

 

Подводку ленточного фундамента выполняют участками, так называемыми захватками, на длину которых влияет прочность вышележащей кладки (например, кладки стен цоколя), наличие проемов и трещин, а также глубина заложения фундаментов. Захватки длиной 1–2,5 м под глухими стенами являются сравнительно короткими и допускают изменение давления (как правило, они выполняются без закрепления). При подводке фундаментов в сложных условиях (сосредоточенная нагрузка, большая глубина или осыпающаяся кладка), применяют временное крепление захватки в виде стоек, продольных или поперечных рам, распределительных балок и т. д. Конструкция временного крепления должна обеспечивать возможность крепления армокаркасов и опалубки, перестановки или демонтажа.

Данная часть фундамента выполняется, как правило, из железобетона или монолитного бетона, реже используют бутовую кладку. Порядок бетонирования и раскрытия захваток устанавливают из условия, что все бетонируемые и раскрываемые захватки стоят под защитой соседнего участка.

Большую сложность представляет подводка фундаментов под отдельно стоящие пилоны, нагруженные простенки, столбы и т. п. В этих случаях порядок раскрытия захваток должен исключить длительное внецентренное обжатие основания и кладки. Усиливаемые простенки и столбы следует максимально разгрузить.

Наиболее оптимален данный способ в следующих случаях:

• значительная длина укрепляемых сооружений;

• ленточный фундамент с малой нагрузкой на него;

• монолитные стены и фундаменты, частая кладка из белого камня или кирпича, минимум низкорасположенных трещин или проемов;

• небольшое углубление подводимых фундаментов (не более 2,5 м);

• низкий уровень грунтовых вод;

• необходимая несущая способность грунтов основания превышает 0,15 МПа.

Усиление фундаментов с помощью обойм проводится, если подводка фундаментов невозможна или есть опасность новых просадочных деформаций (при неконтролируемом малоквалифицированном строительстве). Существующие фундаменты расширяются и усиливаются при помощи боковых стенок в виде обойм, лент или отдельных бетонных блоков. Дополнительные обоймы или прикладки рассчитываются либо на избыточную часть нагрузки (по несущему основанию), либо на восприятие полной нагрузки, подразумевающее соответствующий контакт между бетонной конструкцией и фундаментной кладкой.

Способ соединения новой и старой частей фундамента зависит от величины передаваемой нагрузки, характера старой кладки, площади контакта и др. Например, если функции обойм планируются умеренные (не более 30 % от общего давления), а старый фундамент сложен из бута и валунов, то для безопасной передачи нагрузки будет достаточно обычного сцепления неровности кладки с бетоном. При тугих кирпичных или белокаменных фундаментах, как правило, используют шпоночные переплетения с обоймой в виде бетонного «зуба», арматурных стержней или поперечных балок из металла. Размер «зуба» рассчитывается на отпор грунта по скалыванию менее прочного из соединяемых материалов, а число и длина металлических шпонок – по смятию материала фундамента. Помимо сдвигающего усилия, шпоночные переплетения испытывают и растягивающее напряжение, которое тем выше, чем больше площадь опирания обойм и меньше их высота. Сложность сквозного поперечного армирования фундаментов, анкеровки арматуры и защиты ее от коррозии не позволяет считать широкие обоймы долговечными и надежными конструкциями (рис. 14).

 

Наилучшие результаты дают очень узкие одинарные или двухветвевые обоймы, которые не испытывают крутящего момента и замкнуты по ограниченному контуру.

Если необходимо увеличить площадь опирания фундамента, можно использовать пересекающиеся обоймы, в которых отпор грунта нагружает и не связанные с фундаментами элементы.

Принцип переплетающихся обойм разработан специально для укрепления памятников Новгорода – Спасской башни кремля (постройка 1485 г.) и Знаменского собора (1682 г.). В Москве этот способ был очень эффективно применен при усилении надвратной церкви Даниловского монастыря (реставрация 1983–1985 гг.).

В определенных случаях конструкция обойм позволяет эксплуатировать их в качестве ростверков свайных фундаментов. Сваи могут быть установлены в уже существующую обойму (если необходимо ее усилить) или заранее, до основного бетонирования ростверка.

При всех различиях в назначении и конструкции обоймы имеют одно общее свойство – они сохраняют контакт между основанием и подошвой фундамента.

Комбинированное и свайное усиление фундаментов. Наиболее интересным способом укрепления фундаментов, кладки стен и грунта основания считается армирование буроинъекционными (корневидными) сваями (рис. 15).

 

 

Буроиньекционные сваи были разработаны итальянской фирмой Fondedile более 30 лет назад и успешно используются для укрепления современных зданий и архитектурных памятников при деформациях, увеличении нагрузок и просадках. Корневидными сваями укрепляют также оползни, подпорные стены, откосы, стенки глубоких выработок,
 набережные.

Буроинъекционная свая представляет собой шпур диаметром 70–150 мм, заполненный под давлением 2–4 атм. цементно-песчаным раствором и армированный 1–3 стержнями. Бурение ведется станками вращательного движения под разнообразными углами к вертикали, на глубину 10–30 м. Бурение фундаментов и каменных стен производится шарошечным долотом. Меры предосторожности при бурении неустойчивых рыхлых кладок приблизительно те же, что и при сверлении шпуров анкерного крепления.

Излишнее давление, которое создается при опрессовке сваи, позволяет заполнить раствором не только ствол сваи, но и пересекаемые им пустоты, раковины, трещины и пустые швы. В итоге, заполненные сваи, пробуренные через фундамент или цоколь, способствуют укреплению и замоноличиванию данной кладки.

В зависимости от вида нагрузки, деформации и габаритов укрепляемого сооружения буроинъекционные сваи могут быть использованы как жесткие сжатые, сжато-изгибаемые и растянутые стержни. Несущая способность буроинъекционной сваи зависит от ее рабочей схемы (свая-стойка или висячая свая), качества заполнения и опрессовки, а также от геологии участка.

Применение буроинъекционных свай нерационально в следующих случаях:

• при укреплении валунных фундаментов (бурение затруднено, а «заделка» сваи в фундамент (как и его инъецирования) происходит некачественно из-за несоответствия физико-механических свойств непористого материала валунов и нагнетаемого раствора);

• при укреплении археологических руин или других сооружений из осыпающегося слабого материала, который не выдерживает вибраций бурения;

• при неблагоприятной геологии участка и необходимости очень глубокого бурения.

Ростверки с использованием буронабивных свай. Такие сваи могут использоваться для создания фундаментных сооружений, разгружающих или частично копирующих существующие фундаменты. Конструкция сваи создается при заполнении бетоном скважины радиусом не менее 100 мм, пробуренной в грунте или специально армированной сварным каркасом. Отличие буронабивных свай от корневидных состоит в том, что первые проходят только снаружи здания и только через грунт на расстоянии более 1,0–1,5 м от линии стен. Передача нагрузки на вынесенный свайный фундамент происходит с помощью поперечных балочных сооружений, которые тем сложнее и протяженнее, чем шире расставлены оси свай.

Этот вариант применим к конструкциям, имеющим небольшую (не более 6 м) ширину: пилонам, крепостным стенам, контрфорсам, столбам, узким зданиям, малым башням и колокольням. Основными ограничивающими факторами являются определенные сложности при размещении буровых машин и проходке ригеля сквозь и под фундамент. Данный способ может применяться на участках с плохой геологией в сочетании с сильной сосредоточенной или линейной нагрузкой на фундамент.

Буронабивные сваи, как и вдавливаемые, используются при невыгодных геологических условиях участка и восприятии укрепляемой конструкцией высоких нагрузок.

Метод задавливания свай (рис. 16) заключается в погружении свай под стены или фундаменты при помощи домкрата, который упирается в кладку фундамента через распределительную траверсу (при этом масса здания служит нагрузкой, вдавливающей сваю). Наибольшее усилие, которое может развить домкрат, должно соответствовать состоянию равновесия между несущей способностью сваи (по грунту и материалу сваи) и нагрузкой на нее [4-12,15,17].

 

Вдавливаемые сваи представляют собой железобетонные или металлические секционные конструкции, формирующиеся по мере погружения секций. Домкрат крепится или подвешивается к траверсе (наддомкратной балке), концы которой закрываются в кладку соседних участков. Конструкция и шаг свай, а также размеры траверсы напрямую зависят от мощности домкрата и состояния нагруженного сооружения. Такие сваи были использованы, в частности, при укреплении Большого и Потешного кремлевских дворцов в Москве.

В отличие от описанных выше вариантов укрепления фундаментов, являющихся профилактическими или медленными в отношении передачи нагрузок, задавливание свай представляет собой активный процесс передачи нагрузки, напрямую влияющий на состояние конструкций и статику здания уже в ходе работ. Именно поэтому данный метод требует очень строгого соответствия между нагрузками и расчетными жесткостями, а также непрерывного контроля при производстве.

К существенным недостаткам метода относятся большой расход металла и необходимость устройства глубокой траншеи по периметру фундамента (не менее 2,5 м от наддомкратной балки при высоте секции сваи 1 м).