Усиление существующих фундаментов

Необходимость усиления основных несущих элементов зданий, таких, как фундаменты, может быть вызвана следующими причинами:

— увеличением нагрузок на них в результате замены либо усиления вышерасположенных конструкций (перестройка помещений, надстройка зданий);

— модернизацией технологического оборудования в реконструируемом здании, изменением технологических процессов;

— эксплуатационным износом (потеря несущей способности от воздействия динамических и вибрационных нагрузок, агрессивной воздушной среды и т. п.);

— приобретенными конструктивными дефектами, возникшими в результате неправильной эксплуатации конструкций, разбрызгивания и разлива агрессивных жидкостей;

— случайными повреждениями (выход из строя отдельных конструктивных элементов при демонтаже, транспортировке и установке технологического оборудования).

Различные сочетания названных выше причин, а также тип и состояние строительных конструкций промышленных предприятий обусловливают необходимость применения различных способов усиления.

Увеличение несущей способности усиливаемых фундаментов может осуществляться как без изменения их напряженного состояния или конструктивной схемы (железобетонные или металлические обоймы, железобетонные рубашки, наращивание), так и без их изменения (преднапряженные распорки, металлические балки, опираемые на сваи, консоли и т. п., стойки, подкосы, горизонтальные шпренгельные и комбинированные затяжки). Наиболее распространено усиление железобетонных фундаментов обоймами, рубашками, одно- и двусторонним наращиванием, что при незначительном расходе металла позволяет существенно увеличить несущую способность усиливаемых конструкций, кроме того, эти усиления конструкции являются наиболее устойчивыми к воздействию агрессивной среды и поэтому наиболее надежны в эксплуатации.


Обойма состоит обычно из арматуры и тонкого слоя бетона, охватывающего усиливаемый элемент с четырех сторон, и применяется для усиления балок, ригелей и колонн. Толщина железобетонной обоймы в зависимости от процента армирования колеблется от 30 до 100, а иногда до 300 мм. Рабочая арматура обойм служит для усиления конструкций в растянутых зонах. Благодаря усадке бетона железобетонные обоймы плотно обжимают усиливаемый элемент и работают с ним совместно.

Прочность сцепления нового бетона со старым, совместность их работы зависят от многих факторов: условий укладки бетонной смеси, методов ее уплотнения, тщательности обработки поверхности сопряжения, марки бетона и т. д.

Обработка поверхности усиливаемого элемента заключается в придании ей необходимой шероховатости. С этой целью на поверхностях конструктивных плоскостей с помощью перфоратора или зубила делают насечки. Иногда шероховатость поверхностей усиливаемых элементов может быть достигнута тщательной обработкой их металлическими щетками. Перед бетонированием поверхности очищают от пыли и тщательно промывают водой.

Конструкция рубашек представляет собой незамкнутые с одной стороны обетонки. Армируют их продольной и поперечной арматурой. Толщина рубашек 30 100 мм. Перед

устройством поверхности усиливаемых элементов для лучшего сцепления старого и нового бетонов насекают и затем промывают. Рубашки армируют замкнутой по горизонтали арматурой и вертикальными стержнями, устанавливаемыми у вертикальных плоскостей существующих конструкций в растянутой зоне усиливаемого элемента. В этом случае сечение рабочей арматуры определяют расчетом. В сжатой и нейтральной зонах элементов продольную арматуру устанавливают конструктивно. Конструкции рубашек применяют для усиления ригелей, балок перекрытий, колонн и фундаментов.

Для сокращения объемов земляных работ, весьма трудоемких в условиях реконструкции, в ряде случаев эффективным является способ усиления фундаментов с помощью свай и ростверка, под которым понимают монолитную бетонную или железобетонную конструкцию, специальным способом подводимую под существующий фундамент. Этим способом чаще всего не заменяют старый фундамент, а усиливают его, увеличивая площадь опирания и глубину заложения. В большинстве случаев это достигается путем подведения под существующий фундамент железобетонных балок или металлических конструкций, которые вслед за этим бетонируются, как правило, пластичной бетонной смесью, приготовленной на мелком заполнителе (щебне).

Положительной стороной пересадки существующих фундаментов на сваи является возможность применения этого способа почти в любых условиях независимо от характера грунтов, залегающих под подошвой.

Однако этот способ имеет и ряд недостатков. Одним из них является его сложность и многодельность. Для погружения глубоких свай требуется использовать громоздкое оборудование, что в условиях действующих цехов или эксплуатируемых зданий иногда практически невозможно. Поэтому забивные железобетонные сваи не получили распространения при реконструкции действующих предприятий.

Наиболее применимы для работ по пересадке фундаментов набивные бетонные сваи. Такие сваи выполняют почти без сотрясения грунта и без копрового оборудования. По способу уплотнения бетонной смеси набивные сваи разделяются на бетонируемые с трамбованием (сваи Страуса) и пневмонабивные с уплотнением бетонной смеси сжатым воздухом. Сваи Страуса устраивают насухо, когда при бетонировании вода в обсадных трубах отсутствует. Они делаются обычно длиной до 18 м при диаметре обсадной трубы до 400 мм. Несущая способность таких свай колеблется в слабых грунтах от 200 до 400 кН, а при условии опирания на скальные грунты может достигать 800 -н 1000 кН. Особенность производства работ: высота загруженной в трубу порции бетонной смеси должна быть 1 -г 1.5 м, чтобы можно было уплотнить смесь без образования бетонной пробки. Более совершенными являются пневмонабивные сваи, применяемые в любых гидрогеологических условиях. После погружения обсадной трубы в верхней части ее прикрепляют шлюзовой аппарат, который включают в сеть воздухопровода. Откачивают остатки воды и приступают к бетонированию сваи пластичной бетонной смесью с осадкой конуса 12: 16 см через шлюзовой аппарат давлением 0,15 0,3 МПа.

При достаточных размерах рабочих площадок и наличии съемного бурового (шнекового) оборудования к одноковшовым экскаваторам наиболее эффективным является устройство буронабивных свай с уширенной пятой (образуемой с помощью специального шарнирного параллелограммного устройства ножевого типа, устанавливаемого на конце буровой штанги и раскрывающегося во время ее вращения).

Работы по усилению фундаментов выполняют в соответствии с проектом производства работ.

Степень совмещения работ по усилению фундаментов с эксплуатационной деятельностью предприятий определяется с учетом объемно-планировочной и аппаратно-технологической компоновкой здания, возможности устройства проемов и проездов для строительных машин, оборудования, транспортных средств. При этом учитывают условия производства работ (стесненность участка, наличие в зоне производства работ действующего технологического оборудования, внутрицехового транспорта; объектов, находящихся под высоким напряжением и т. д.), условия среды предприятия (степень концентрации в воздухе рабочей пыли и газов), температурно-влажностный режим, степень взрыво- и пожароопасности и т.п. требования техники безопасности.

При выполнении работ по усилению фундаментов с полной или частичной остановкой производства необходимо освободить рабочую зону от технологического оборудования и инженерных коммуникаций, предусмотреть устройство разгружающих опор и временных креплений. При этом следует предусматривать разбивку здания на отдельные участки (узлы), увязанные с технологическими линиями действующего предприятия; соблюдение поточности и технологической последовательности производства строительно-монтажных работ и безопасных методов их выполнения; совмещения производства работ по усилению конструкций с демонтажем технологического оборудования и трубопроводов, если указанные работы выполняются одновременно на разных участках или на одном участке в разное время.

Ширина рабочей зоны при выполнении арматурных, опалубочных бетонных и монтажных работ должна составлять при ручном способе 1,5 м (с зоной складирования) и 1 м (без зоны складирования), при механизированном способе ведения работ ширина рабочей зоны соответственно составляет 2 и 1,5 м (без учета зоны для размещения средств механизации).

Материалы, оснастку и элементы усиления подают самоходными кранами, внутрицеховыми грузоподъемными и транспортными средствами, погрузчиками, а в особо стесненных условиях — ручными или электрическими лебедками с соответствующими приспособлениями. В качестве средств подмащивания используют инвентарные подмости, рабочие настилы, прикрепленные к несущим конструкциям, и др.

ППР должен разрабатываться на основе утвержденного проекта усиления конструкций, включающего в необходимых случаях схемы разгрузки конструкций, заключение о техническом состоянии и материалы обследования усиливаемых конструкций; заданной продолжительности остановочного периода; согласованной и утвержденной заказчиком очередности проведения работ по участкам и пролетам.

Предусматриваются возможные пути перевозки, транспортные и монтажные средства, способы подачи материалов и деталей с учетом габаритов проемов, проходов, радиусы поворота для длинномерных изделий, устанавливается возможность использования технологического подъемно-транспортного оборудования для производства работ, источники энергоснабжения, места и способы подключения. В случае необходимости определяются методы разгрузки усиливаемых конструкций. По условиям производства работ выбираются способы монтажа арматуры и металлоконструкций, методы бетонирования, тип и место установки средств подмащивания, вид цемента, свойства бетонной смеси, способ выдерживания бетона, обеспечивающего достижение проектной прочности в заданные сроки. Разрабатываются мероприятия по безопасному выполнению работ в условиях действующего предприятия.

Усиливать фундаменты можно двумя способами — путем устройства так называемых рбашек (рис. 4.24) и выполнения набетонок (наращивания). Причем, в обоих случаях старая конструкция соединяется с новой, от прочности и надежности этого соединения зависят эффективность осуществляемых мероприятий и вся последующая работа фундамента под нагрузкой.


Под рубашкой понимают сплошное обетонирование фундамента, осуществляемое с дополнительным армированием и позволяющее увеличить его основные размеры. Набетонка устраивается при одностороннем усилении фундамента.

Прочность сцепления нового бетона со старым зависит от обработки поверхности >силиваемого фундамента, условий укладки бетонной смеси, способов ее уплотнения, пустоты армирования и т. д. Поэтому при производстве работ необходимо руководствоваться следующим.

Поверхность обетонируемого фундамента должна быть шероховатой. Это достигается птем насечки бетона перфораторами либо отбойными молотками со специальными насадками, если позволяют условия производства работ и конструкции фундамента. Кроме того, отбойными молотками с обычным рабочим оборудованием (пиками) можно путем мелкого скола устраивать на поверхности бетона многочисленные неглубокие ямки, которые создают хорошую шероховатость.

При небольшом объеме работ и невозможности использовать ручные машины насечку поверхности существующего фундамента допускается выполнять вручную с помощью зубила и молотка. Могут применяться также металлические щетки.

При усилении бутобетонных фундаментов, для обеспечения сцепления их с новым бетоном, раствор в швах на границе сопряжения конструкций следует удалить (выбить) на глубину 10... 15 мм. В швы рекомендуется забивать обрезки арматурной стали.

При усилении бетонного фундамента рубашку анкеруют путем устройства с помощью перфораторов шпуров, куда затем вставляют анкеры. Размеры последних, шаг установки и «пособ крепления должны быть предусмотрены рабочим проектом. Может быть применен ^пособ установки анкеров на эпоксидном клее.

Перед бетонированием поверхность усиливаемого фундамента должна быть тщательно подготовлена (удалена пыль, грязь, а бетон увлажнен). Эта работа должна быть закончена за 1.5...2 ч (в зависимости от погодных условий) до начала укладки бетонной смеси в опалубку.

При этом необходимо следить за тем, чтобы поверхность была влажной, а не мокрой, так как последнее увеличивает водоцементное отношение укладываемой бетонной смеси, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на качестве сцепления нового бетона со старым.

При производстве работ в зимнее время поверхность обетонируемой конструкции обдувают воздухом с помощью компрессоров. При снабжении строительной площадки сжатым воздухом от сетей реконструируемого предприятия он может быть использован для указанных целей, если обеспечивается рабочее давление 0,6 МПа. Перед самой укладкой бетонной смеси поверхности рекомендуется смочить горячей водой. От пластичности применяемой бетонной смеси зависит качество ее уплотнения. Особенно это относится к устройству рубашек и набетонок с высоким процентом насыщения их арматурой, а также небольших по величине размеров. Когда использовать глубинные вибраторы не представляется возможным, смесь уплотняют вручную. Практика подтверждает, что пластичность бетонной смеси в этих случаях должна соответствовать осадке конуса 8... 10 см. При этом для большей прочности бетона рекомендуется искусственно обезводить его, например путем вакуумирования.

Бетонную смесь для усиления фундаментов рекомендуется приготовлять на нормальном портландцементе. Все остальные цементы (и особенно быстротвердеющие) не обеспечивают 100%-ной прочности соединения старого фундамента с рубашкой или набетонкой, что объясняется значительными напряжениями от усадки бетона в процессе его твердения

Для уплотнения бетонной смеси необходимо применять глубинные или поверхностные вибраторы. Это позволяет не только качественно выполнить работы, но и обеспечивает заполнение бетонной смесью всех щелей, зазоров, впадин и т. д.

Усиление фундамента путем устройства рубашки приводит к увеличению площади его опирания. При этом под существующей частью конструкции залегает грунт, который длительное время находился под нагрузкой, достаточно обжат и практически больше не подвержен деформациям. В то же время под той частью подошвы фундамента, которая образована в результате его усиления, грунт некоторое время находится в состоянии своего естественного залегания и начинает обжиматься только после передачи на фундамент расчетной нагрузки, т. е. с момента начала его работы после реконструкции. Это обстоятельство неблагоприятно сказывается на работе усиленного фундамента, так как давление грунта под его подошвой будет неодинаковым.

Чтобы устранить этот недостаток и добиться перераспределения напряжений по подошве фундамента, необходимо предварительно обжать грунт под рубашкой.

Одним из решений этого вопроса является усиление существующего фундамента предварительно напряженной арматурой при одновременном обжатии грунта. Для этого с противоположных сторон усиливаемого фундамента на предварительно подготовленное основание устанавливают два железобетонных блока, которые имеют длину, несколько большую, чем сторона фундамента. Последнее необходимо для того, чтобы можно было беспрепятственно и не нарушая целостности существующего фундамента соединить блоки между собой тяжами из арматурной стали классов А-II или А-Ш. Тяжи пропускают через каналы, специально устроенные в блоках, и надежно заанкеривают.

Каналы устраивают ниже середины блоков, чтобы можно было с помощью домкратов, упираемых в их верхнюю часть и существующий фундамент, отжать блоки, придав им наклонное положение. Образовавшиеся при этом швы между блоками и основным массивом фундамента зачеканивают увлажненным цементом. Отжатые блоки напрягают арматуру (тяжи) и в то же время обжимают грунт под своей подошвой.

Пространство между блоками и существующим фундаментом заполняют бетонной смесью, чтобы предохранить арматуру от коррозии. При этом марка ее должна быть не ниже марки бетона блоков и фундамента.

При длительной эксплуатации фундаментов под машины и технологическое оборудование от действия динамических нагрузок в них могут появляться трещины, которые, прогрессируя, приводят к разрушению конструкций. Особенно это характерно для фундаментов сборного типа. Такие фундаменты можно восстановить с помошью материалов, в состав которых входят синтетические смолы. Это позволяет вести работы практически без остановки оборудования и вводить фундамент в эксплуатацию спустя сутки после окончания ремонта, так как указанные смолы сравнительно быстро отвердевают. В качестве основного компонента может применяться эпоксидная смола ЭД-5 или ЭД-6, к которой добавляют минеральный наполнитель (маршалит, молотый кварцевый песок и т. д.) и отвердитель. Приготовленный из перечисленных материалов состав инъекцируют с помощью гидравлического насоса в трещины.

По окончании указанных работ оборудование, установленное на данном фундаменте, останавливают на 24—30 ч с тем, чтобы дать возможность составу отвердеть.

Синтетические смолы используют также для установки анкерных болтов под оборудование. Этот метод особенно эффективен при реконструктивных работах по усилению, восстановлению или ремонту фундаментов. Сущность его заключается в следующем.

На возведенном фундаменте (без предварительной установки болтов) монтируют и выверяют технологическое оборудование или его опорные узлы. Через отверстия в опорных частях оборудования с помощью ручных машин устраивают скважины. В них вводят эпоксидный клей, а затем устанавливают анкерные болты, изготовленные в виде прямых коротких гладких стержней (рис. 4.25).

После отвердения эпоксидного клея осуществляют проектную затяжку болтов.

Когда трудно сделать скважины через опорную часть оборудования или доставка оборудования задерживается, болты устанавливают по приведенной выше технологии. Для определения мест расположения болтов применяют поверхностные шаблоны или общепринятые методы геодезической разбивки. Скважины в бетоне можно сверлить передвижным станком И Э-1801, который имеет следующие характеристики:

Диаметр образуемых скважин — до 125 мм

Глубина сверления — 380 мм

Скорость вращения шпинделя — 70... 130 рад/с Мощность двигателя — 2,2 Вт

Переменное напряжение — 220/380 В

Рис. 4.25. Технологические схемы установки анкерных болтов на эпоксидном клее

В качестве режущего инструмента используют буровые коронки из твердых сплавов Т-15-КД а также коронки с наплавкой из эльбора. Диаметр коронки должен быть на 6...10 мм больше диаметра анкерного болта.


Сверлильный станок на роликах и упорах устанавливают в рабочее положение по уровню и сверлят на полную глубину с последующим извлечением керна из отверстия. При диаметре скважин от 22 до 44 мм и глубине 350 мм время, затраченное на образование одной скважины, составляет в среднем примерно 5 мин.

Для приготовления клея используют эпоксидную смолу ЭД-6, полиэтиленполиамин ПЭПА, дибутилфталат ДБВ и кварцевый песок. Количество песка увеличивают при повышении температуры окружающей среды, где устанавливают болты.

До приготовления эпоксидного клея смолу ЭД-6 необходимо пластифицировать. Для этого ее разогревают в водяной ванне до температуры 60 — 80 °С, после чего вводят в разогретую смолу пластификатор (дибутилфталат). Смесь тщательно перемешивают в течение 8... 10 мин до тех пор, пока не исчезнут воздушные пузырьки. После этого пластифицированную смолу смешивают с полиэтиленполиамином (отвердителем), после чего небольшими порциями, при тщательном перемешивании, вводят сухой песок.

Анкерные болты перед установкой должны быть обезжирены, а при наличии ржавчины обработаны 20%-ным раствором соляной кислоты. Бетон фундамента до этого должен набрать 10%-ную прочность.

При установке болтов выполняют следующие операции:

• скважину очищают от пыли, продувая ее сжатым воздухом;

• в скважину опускают нижнее фиксирующее кольцо;

• на две трети высоты скважины заливают эпоксидный клей и медленным погружением опускают болт до фиксации его нижним кольцом;

• устанавливают верхнее фиксирующее кольцо.

Затяжка анкерных болтов допускается через 72 ч после их установки.

Требуемое качество установки болтов на клее тщательно контролируют. При этом проверяют прочность бетона на момент установки болтов, соответствие основных показателей компонентов клея действующим стандартам, прочностные характеристики эпоксидного клея, поверхность бетона и металлического стержня на отсутствие загрязненности, коррозии и масляных отложений, температуру разогрева стержня и эпоксидного клея и температуру скважины.

Чистоту поверхности бетона скважины определяют визуально. Скважины подлежат заполнению клеем, когда они очищены до «материкового» бетона.

Основные преимущества описанного метода: сокращение расхода стали за счет укорочения заделки болтов и отказа от устройства кондукторов, возможность бетонирования фундаментов до получения болтов и чертежей оборудования, сокращение сроков строительства.

Кроме того, этот метод прост, сокращает трудоемкость работ по установке машин и оборудования на фундаменты, обеспечивает хорошее сцепление клея с бетоном и анкером, а также падежную работу установленного оборудования.

На установке 1000 болтов диаметром 24 мм достигается экономия трудозатрат в количестве 800 чел.-ч и металла — свыше 15 т.