Анализ существующих подходов по усилению грунтов оснований и несущей способности конструкций фундаментов и стен —

Появление трещин в стенах здания и фундаменте происходит вследствие различных причин: ошибки при проектировании (например, несоблюдение необходимой глубины заложения фундамента, образование пустот под фундаментом из-за воздействия грунтовых вод), неудовлетворительная эксплуатация (протечки водопроводных и канализационных труб), производственные ошибки при строительстве, низкое качество работ и другие причины. Известны случаи, когда при относительно небольшом увеличении нагрузок на фундамент возникают его осадки или повреждения и, как следствие, последующие деформации всего здания.

Усиление фундамента и окружающего грунтового массива можно произвести следующим образом. С дневной поверхности или из подвального помещения сквозь тело фундамента на заданную глубину, с некоторым шагом и под определенным углом, бурятся инъекционные скважины малого диаметра, через которые в тело фундамента и окружающие грунты под высоким давлением (от 0,3 до 1,2 МПа) нагнетаются специальные растворы, которые заполняют все пустоты, уплотняют и пропитывают грунты (см. рис. 4.1). Такой способ усиления достаточен, например, при утяжелении межэтажных перекрытий и надстройки мансардного этажа.

При значительном увеличении нагрузок на старый фундамент при ремонте и реконструкции зданий возникает необходимость в создании дополнительного фундамента в виде буронабивных свай среднего и большого диаметров (100—300 и более мм). Длина таких свай бывает 5—20 м. Скважины могут пробуриваться через старый фундамент или рядом с ним, которые затем армируются и заполняются бетоном. В случае, если требуется увеличение ширины фундамента, рядом с ним возводится железобетонная стена, скрепленная со старым фундаментом анкерами.

Способ усиления, как и составы используемых инъекционных растворов, определяются после обследования объекта и зависят от величины нагрузок на фундамент, от инженерногеологических характеристик грунтов, их фильтрационных характеристик и от состояния самого фундамента.

В Финляндии, Швеции, Венгрии получили распространение многосекционные сваи вдавливания типа «Мега», используемые для усиления оснований и фундаментов. В ряде случаев сваи подводили непосредственно под фундамент.

Такие сваи могут быть круглого и квадратного сечения с массой отдельных секций до 100 кг. Обычно сваи изготавливают из железобетонных трубчатых элементов длиной до 1 м, что позволяет легко их перемещать, в т.ч. перекатыванием по площадке. Последовательность работ по вдавливанию свай такова (см. рис. 4.2). Нижний первый элемент с заостренным наконечником (в слабых грунтах без заострения) погружается домкратом. После задавливания первого элемента, далее производится наращивание сборных стыкованных свайных элементов и осуществляются последующие циклы погружения составной сваи до тех пор, пока острие не достигнет плотных фунтов для обеспечения необходимой несущей способность всей системы в целом. Последним устанавливают верхний головной свайный элемент, площадь поперечного сечения которого больше плошали сечения ствола сваи. Головной элемент объединяется с фундаментом с помощью ростверка.

При использовании свай вдавливания необходимы надежные упоры. В качестве упора для домкрата обычно устраивается распределительная железобетонная балка, соединяемая с телом фундамента.

Несущую способность сваи можно регулировать в процессе вдавливания наращиваемых дополнительных свайных секций. Последние могут быть изготовлены из железобетона в виде отрезков свай со специальными стыками, позволяющими быстро выполнять соединение. Можно использовать металлические трубы, однако при этом следует учитывать возможность их коррозии, так как даже при самой современной антикоррозийной защите она составляет до 0,01 мм в год.

После погружения сваи до проектной отметки под нагрузкой, превышающей расчетную в 1,5—1,8 раза, ее заклинивают специальными стойками. Стойки устанавливают между распределительной балкой и оголовком сваи, а полученный зазор между упором и головой свай заполняют бетоном.

Недостатком технологических приемов по усилению оснований и фундаментов вдавливаемыми сваями является большой объем земляных работ. Следует также отметить, что вскрытие шурфом (траншеей) перегруженного фундамента до его подошвы опасно, а в условиях слабых грунтов при высоком уровне подземных вод выполнить сложно. Кроме этого, вдавливание свай может привести к расструктуриванию (перемятию) слабого глинистого грунта в основании фундамента.

В последние 20 лет в практике усиления все шире стали использовать буроинъекционные сваи, как вертикальные, так и наклонные. После специальных работ по опрессовке такие сваи имеют неровную поверхность, поэтому за рубежом они получили название «корневидных», основное преимущество которых следующее:

— полностью исключаются ручные земляные работы, так как бурение скважин ведется непосредственно через фундамент, не затрагивая коммуникаций, проходящих около зданий и в подвалах;

— используя малогабаритное оборудование, можно вести работы из подвала высотой 2,0—2,5 м, а при необходимости работы можно вести с первого этажа здания;

— совершенно не изменяется внешний вид конструкции, что немаловажно при работе на памятниках архитектуры;

— можно вести работы на действующих предприятиях без остановки производственного процесса.

— затраты ручного труда на всех технологических операциях минимальные; способ экономичен, с низким расходом материалов;

— очевидна экологическая чистота способа по сравнению с химическими методами закрепления, что важно в условиях жесткого экологического контроля.

Среди отдельных недостатков указанных свай можно упомянуть следующие основные:

— недостаточная изученность работы тонких свай в слабых грунтах;

— низкая несущая способность из-за небольшого диаметра и, соответственно, малой боковой поверхности и площади острия;

— сложность надежного закрепления головы сваи в случае ветхого фундамента, который в последующем работает как ростверк;

— отсутствие соответствующего расчета;

— сложность и неопределенность в формировании необходимого диаметра при устройстве буроинъекционных свай в слабых грунтах;

— неизученность работы ствола тонкой длинной сваи как гибкого элемента, расположенного в толще слабого грунта;

— невозможность устройства ствола сваи из тяжелого бетона, так как скважину малого диаметра можно заполнить только цементными растворами пластичной консистенции.

Несмотря на все отмеченные недостатки, в Италии, ФРГ, Франции, Швеции и России с помощью таких свай успешно усилены здания, включая аварийно-деформированные памятники, и даже возведены новые фундаменты на слабых грунтах в сложных условиях примыкания строящихся зданий к старым. Например, в Риме усилен собор св. Андрея, в Венеции — наклонная башня «Бурано» на острове с этим же названием. В Москве усилены здания уникальных памятников — Третьяковской галереи, театра МХАТ, музея Андрея Рублева и др.

В Петербурге выполнено оригинальное усиление оснований и фундаментов костела Св. Екатерины на Невском пр., 32 (см. рис. 4.3) буроинъекционными сваями при общем их количестве более 1200 шт. (крупнейший объект России по объемам такого вида усиления) и Приоратского дворца в Гатчине.

Во многих случаях, как отмечалось на международных геотехнических конгрессах в Неаполе (1996 г.) и Гамбурге (1997 г.), не существует реальной альтернативы применению буроинъекционных свай для спасения исторических зданий. На основе последней информации, можно отметить в качестве перспективного направления метод «Jet grounding» —

Технологическая последовательность работ по такому методу заключается в следующем (рис. 4.4.): производят бурение скважины 1; в скважину погружают инъектор 2 со специальным калиброванным отверстием — соплом; далее подают под большим давлением (до 100 МПа) инъекционный раствор; затем осуществляют подъем инъектора с одновременным его вращением и формируют сваю нужного диаметра или стенку из этих свай.

Рис. 4.4. Схема устройства стенки из свай с использованием струйной технологии (Jet grounding)

Следует учесть, что важным фактором укрепления массива грунта или усиления фундаментов с использованием струйной технологии является возможность поддержания больших давлений (до 80—100 МПа), что предъявляет определенные требования к используемому оборудованию, подводящим трубопроводам и к технологии выполнения работ.

В качестве примера использования метода «Jet grounding» можно привести успешно реализованные проекты усиления оснований и фундаментов берегового устоя моста через Дунай (рис. 4.5,а) и памятника военной архитектуры в Вене (казармы Россауэр). Последний был построен в 1870 г. на деревянных сваях (см. рис. 4.5, б). Необходимость усиления определили два фактора: резкое увеличение нагрузок в связи с заменой перекрытий и гниение голов свай из-за понижения горизонта подземных вод.

Для выполнения этих работ разрабатывались проекты вариантов усиления оснований и фундаментов. В результате конкурса этих проектов была выбрана струйная технология, которая удовлетворяла всем расчетным геотехническим и конструктивным требованиям: исключение из работы деревянных свай со сгнившими головами; передача давления от массивного 5-этажного здания с размерами в плане 136×275 м на прочные гравийно-щебенистые грунты; исключение нарушений в работе коммуникаций, идущих вдоль здания с наружной стороны; полная стабилизация всех осадок при увеличенной нагрузке.

В этих работах была использована буровая установка на гусеничном ходу марки SC-1 фирмы Keller (ФРГ), габариты которой позволяли ей перемещаться через проем шириной 0,8 м и работать в подвальном помещении при высоте 2,8 м.

Учитывая необычность такого рода усиления и дискуссионность отдельных технологических моментов, остановимся на некоторых деталях, характеризующих достоинства и недостатки струйного метода.

Основные преимущества этой технологии следующие:

— возможность ведения работ в любых неблагоприятных грунтовых и в стесненных условиях;

— экологическая чистота всех технологических операций.

Однако струйная технология имеет и ряд недостатков, основными из которых являются: опасность локальных деформаций в процессе временного размыва грунтового массива под фундаментом до набора прочности; высокая стоимость и материалоемкость из-за больших объемов закрепления грунта; повышенная опасность при работе с высоким давлением.

При обоснованном выборе и реализации современных струйных технологий усиления оснований и фундаментов можно решать реконструкционные проблемы любой сложности. В качестве примера можно привести строительство нового 40-этажного административного здания в г. Бостон (США). Фактически оно встраивалось в существующую 10—11 — этажную застройку исторических зданий конца прошлого века. При этом в уровне последних этажей старые здания соединялись с вновь возводимыми специальными галереями. Из-за наличия большого слоя слабых грунтов под существующими зданиями и необходимости устройства нескольких подпорных стенок возникло много геотехнических проблем. Чтобы разрешить эти проблемы и свести до минимума возможную разность осадок зданий, были выполнены следующие работы (рис. 4.6.):

— грунт между зданиями армировался решеткой из набивных свай, объединенных ростверком;

— для укрепления склона использованы 2 ряда железобетонных подпорных стен и свайные фундаменты из 14-метровых трубчатых свай, заходящих своим острием в плотные ледниковые глины:

— фундамент самого здания был выполнен в виде мощной железобетонной плиты толщиной 1,5 м, по контурам которой устроено 400 железобетонных свай.

Здесь успешно использовано несколько технологических приемов, включая усиление оснований и анкеровку подпорных стен инъекционными анкерами.

Таким образом, в каждом конкретном случае возникают многоплановые инженерные геотехнические задачи, решение которых требует исчерпывающей информации о грунтах, изменениях их свойств в процессе длительной эксплуатации, в процессе ведения работ по устройству вблизи них новых фундаментов либо подземных сооружений.

Вопросы усиления оснований и фундаментов должны решаться в комплексе с вопросами усиления надземных конструкций. Примером может служить усиление памятника архитектуры в Риме (рис. 4.7). Здесь, наряду с усилением фундаментов корневидными сваями, выполнено усиление основных надземных конструкций, включая кирпичную кладку стен. Необходимо также учитывать, что анкеровка кирпичных стен металлическими стержнями со временем может оказаться неэффективной и опасной из-за коррозии металла, в результате которой происходит увеличение объема коррозирующего металла и, следовательно, нарушение целостности укрепляемых конструкций.

Однако основным источником наиболее существенных деформаций остаются неправильный учет свойств грунтов или недоучет возможных последствий, связанных с их расструктуриванием в процессе ведения реконструкционных работ.