Усиление фундаментов объектов культурного наследия

Причины таких деформаций многообразны, и в частности: погрешность  в оценке несущей способности  грунтов основания вследствие ошибочной  интерпретации данных при определении  свойств грунтов, особенно таких  как просадочные, пучинистые, набухающие и др.; просчеты в выборе конструкции  фундаментов, их размеров и глубины  заложения; отсутствие деформационных швов на стыках разнонагруженных частей зданий; изменение прочностных характеристик  грунтов вследствие изменения их влажности, например, при отсутствии или нарушениях вертикальной планировки, нарушении поверхностного водоотвода и дренажных систем; разрушения кладки фундаментов под воздействием агрессивных  грунтовых вод; гниение деревянных конструкций фундаментов при  изменении положения или колебаниях уровня подземных вод; увеличение нагрузок на фундаменты в здании в целом  или в отдельных его частях за счет надстроек и перестроек; систематическая откачка вод из подвальных помещений, вызывающая ослабление грунтов основания при их суффозии; устройство различных раскопов рядом с существующим зданием; понижение пола подвального помещения; использование некачественного материала при устройстве фундаментов; воздействие природных и климатических факторов, например многократного замораживания и размораживания переувлажненной кладки фундаментов в пределах глубины промерзания и многих других причин и их сочетаний /10,12/. 

По данным МосжилНИИпроекта износ фундаментов зданий идет интенсивно в первые 20-30 лет эксплуатации и  затем после 90-100 лет службы здания. Вместе с тем, в последнее время  отмечается увеличение интенсивности  разрушения конструкций фундаментов  старых зданий, которое связывается  с увеличением динамического  воздействия за счет интенсификации движения транспорта, вибрации механизмов и ударных нагрузок промышленного  оборудования, строительства рядом  с существующими зданиями новых  с использованием забивки свай или  шпунта, строительства подземных  сооружений метрополитена и прокладки  городских коммуникаций, резкого  возрастания степени агрессивности  подземных вод /1,3/. 

Таким образом, при выборе способа усиления фундаментов существующего  здания должно быть учтено все многообразие факторов, влияющих на их состояние  и выбран такой способ усиления, который смог бы нейтрализовать или  свести к минимуму воздействие неблагоприятных  факторов и способствовать надежной и длительной эксплуатации реконструируемого  или реставрируемого здания или  сооружения. 

 

 

 III. Традиционные способы  усиления фундаментов. 

Усиление фундаментов  существующих зданий применяется так  же давно, как и само строительство. Методы и способы усиления до середины текущего столетия были столь же традиционны, как и конструкции фундаментов. Изменения происходили лишь в  части применяемых материалов и  преследовали главную цель - наряду с восстановлением прочности  кладки, увеличение площади опирания существующих фундаментов, снижение удельных величин давления от сооружения на грунт и уменьшение величин осадок.  

Чаще всего такое усиление включает полную или частичную замену

разрушенной кладки фундаментов, а также увеличение площади его  опирания путем прикладки обойм  или банкетов к телу существующего  фундамента, а также устройство дополнительных фундаментов или опор рядом с  существующими. Для лучшей связи  с существующими фундаментами прикладка  осуществляется "вперевязку" со старой кладкой. Опирание прикладок на грунты основания могло быть осуществлено на разных уровнях относительно подошвы  усиляемого фундамента, выше ее, на одном  уровне, а нередко, при низком уровне грунтовых вод и ниже подошвы  существующих фундаментов. Как правило, прикладки выполнялись из естественного  камня, аналогично материалу усиляемого фундамента. Прикладки могли также  опираться на забитые рядом с  существующим фундаментом деревянные сваи. 

В конце XIX в., с внедрением в строительную практику цемента, обоймы и банкеты начали выполнять из бутобетона, бетона и затем железобетона, в основном монолитными, но в последние  годы, иногда, и сборно-монолитными. Кроме обойм и банкетов применяется также введение ниже подошвы усиляемых фундаментов железобетонных плит и балок (лежней). 

На рис.2 представлены наиболее распостраненные традиционные конструкции  усиления фундаментов.

 

Рис.2 

Рис.2 (а-в) иллюстрирует устройство расширяющих обойм, рис.2г - применение банкетов, с предварительным обжатием грунта под подошвой уширяющей части. В ряде случаев увеличение площади  опирания фундаментов может быть достигнуто подводкой монолитных железобетонных плит различных конструкций под  всей или частью площади здания. 

Все рассмотренные выше способы  усиления фундаментов применяются  достаточно широко до настоящего времени, особенно в реставрационной практике, несмотря на ряд существенных отрицательных  моментов, связанных с низкой эффективностью такого усиления и производством  работ при его реализации. К  таким моментам можно отнести  большой объем земляных работ  по откопке усиляемых фундаментов, часто выполняемых вручную, причем, во избежание развития дополнительных деформаций усиляемых зданий, эти  работы должны выполняться захватками определенной длины. Бетонирование  обойм, банкетов и подводка лежней под  подошву усиляемого фундамента также  выполняется вручную; необходимость  предварительного обжатия грунтов  основания под уширяющими элементами для включения их в работу фундамента, что, как правило, в силу как объективных, так и субъективных причин,качественно  выполнить не представляется возможным; невозможность выполнить усиление этими способами при высоком  уровне подземных вод, сезонные ограничения  производства работ, позволяющие их проведение только при общих положительных  температурах наружного воздуха, и, наконец, необходимость изменения  конструкций существующих фундаментов  и их внешнего вида при усилении, что недопустимо при реставрации  памятников архитектуры, так как  фундаменты являются их неотъемлемым элементом и также могут рассматриваться  как памятники инженерного искусства. Перечисленные недостатки рассмотренных  способов усиления фундаментов практически  сводят к минимуму возможный положительный  эффект их применения. При современном  подходе к решению проблемы увеличения несущей способности фундаментов реконструируемых и реставрируемых зданий старой постройки эти методы, за редким исключением, являются анахронизмом, который может быть объяснен лишь отсутствием необходимой техники и оборудования для применения современных способов и конструкций усиления, получивших широкое распостранение в мировой практике /9,10,13/. 

 

 

 IV. Современные методы  усиления фундаментов. 

В практике реконструкции  и реставрации в настоящее  время находят применение как  методы усиления фундаментов, базирующиеся на традиционных, так и принципиально  новые, разработанные в течение  последних 50 лет. Все эти методы рассчитаны на высокую степень механизации  работ, при сведении к минимуму ручного  труда, и новые технологии. Далее  рассмотрены некоторые из многочисленных способов усиления. 

На рис.3 представлены способы  усиления фундаментов, представляющие собой развитие традиционных схем, с применением современных материалов и технологий. 

 

Рис.3

На рис.3а показано увеличение площади опирания усиляемых фундаментов  с помощью обойм по методу Н.И.Страбахина. Он заключается в установке с  обеих сторон усиляемого фундамента сборных железобетонных блоков, нижняя часть которых стянута анкерами, пропущенными через существующий фундамент  и блоки усиления. В верхней  части блоки разжимают забивными  клиньями или домкратами, в результате чего блоки, поворачиваясь вокруг нижней точки, в уровне закрепления анкеров, обжимают грунт под подошвой блоков. После обжатия грунтов основания  щели между существующим фундаментов  и блоками усиления заполняют  бетонной смесью. Рассмотренный способ имеет присущие традиционным способам усиления недостатки, требует выполнения значительного объема земляных работ  и ручного труда, однако более  надежен, так как позволяет выполнить  обжатие грунтов основания под  подошвой уширяемой части фундаментов  и тем самым способствовать включению  их в работу уже в процессе выполнения усиления. 

На рис.3б,в представлены способы увеличения площади опирания существующих фундаментов. Их применение позволяет свести к минимуму земляные работы, которые сводятся к устройству песчано-гравийной подушки толщиной 40-60см, отсыпаемой с уплотнением  взамен насыпных грунтов в пределах площади уширяющих элементов. Суть способа состоит в устройстве в уровне отметки земли, пола I-го этажа или подвала консольной железобетонной конструкции, заанкеренной в кладку несущей стены здания и позволяющей увеличить площадь  опирания фундаментов, воспринимающего  нагрузку от существующего здания. Применение рассматриваемого способа  позволяет совмещать конструкцию  усиления с отмостками здания, полами I-го этажа или подвала. Элементы конструкции усиления выполняются  в монолитном, сборно-монолитном и  сборном железобетоне с армированием жесткой арматурой. В ряде случаев, при значительном вылете консоли  конструкции усиления, целесообразно  ее применение в сочетании с предварительно напряженным анкером, заделываемым в тело существующего фундамента /рис.3в/. Отверстия для анкерования  конструкций усиления в несущие  стены, опоры и фундаменты реконструируемого  здания выполняются буровым способом с использованием стандартного бурового оборудования. Производство работ ведется  с применением различных механизмом, ручной труд используется минимально. Рассмотренные способы предложены автором /6/. 

Аналогичным образом решается задача увеличения площади опирания фундаментов существующего здания с помощью фундаментных плит по способу  ЦНИИСК им.Кучеренко /рис.3г/,(1). Сборные  железобетонные плиты дополнительного  фундамента укладывают на уплотненную  щебеночную подготовку. Плиты располагаются  рядами в виде лент, уложенных в  направлении продольной оси здания. По ним выполняют монолитную железобетонную конструкцию нажимных рам, которые  состоят из нижних горизонтальных ригелей  сечением 40х60см и наклонных стоек-упоров такого же сечения. Рамы передают усилия на пояса-обвязки поперечных стен, устраиваемые в их кладке. Для образования замкнутого контура нажимных рам, над ними, в  плоскости перекрытия, выполняют  монолитные железобетонные участки  в виде полос шириной 60см и высотой, равной толщине плит перекрытий.

  

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Другая группа методов  служит для усиления конструкций  существующих фундаментов без изменения  их геометрических размеров при достаточной  несущей способности грунтов  основания. К ним относится, в  частности, метод укрепительной  цементации /рис.4а/. При неудовлетворительном состоянии материала фундаментов /наличие механических повреждений, осадочных трещин, расслоения и разрушения кладки в результате размораживания и т.п./, целесообразно выполнять  их укрепление следующим образом. В  теле фундамента разбуриваются или  пробиваются отверстия для установки  инъекторов диаметром 25-30мм. Шаг таких  отверстий по длине ленточного фундамента определяют эмпирически и, как правило, он равен 50-100см. В отверстие вводят инъектор, через который под давлением 0.2-0.6МПа нагнетают жидкий цементный  раствор, заполняющий объем пустот и неплотностей в кладке фундамента в радиусе 0.6-1.2м вокруг инъектора.  

Укрепительная цементация выполняется  с использованием различных технологий, специального оборудования, оснастки и т.п. 

Метод укрепительной цементации часто применяют в сочетании  с торкретированием поверхности  усиляемого фундамента, в том числе, по металлической сетке. Слой торкретбетона  защищает боковую поверхность усиляемого фундамента от неблагоприятного воздействия  подземных вод и служит в качестве вертикальной гидроизоляции /1,5/. 

В ряде случаев, по подобной технологии выполняют усиление конструкций  существующих фундаментов с помощью  силикатизации, смолизации, битумизации  и инъекции в них других химических составов, часто с одновременным  усилением этими способами грунтов  основания. 

Когда несущая способность  грунтов основания недостаточна, а реконструируемое здание получило деформации за счет значительных по величине неравномерных и часто нестабилизировавшихся  осадок, а также при наличии  высокого уровня подземных вод, затрудняющих выполнение уширения или дополнительного  заглубления фундаментов, целесообразно  проводить усиление фундаментов  конструкциями, позволяющими передавать нагрузку от сооружения на расположенные  ниже подошвы фундаментов плотные, малосжимаемые грунты основания. Такими конструкциями могут служить  свайные фундаменты. В практике реконструкции  и реставрации находят применение сваи разных типов, при выборе которых  в каждом конкретном случае определяющим является состояние и вид усиляемого сооружения, наличие специального оборудования для устройства свай и, наконец, опыт и "традиции" организаций, выполняющих  работы /8,9/. 

Усиление существующих фундаментов  с помощью свай осуществляется по различным схемам. На рис.4в приведен способ усиления "выносными сваями", располагаемыми с одной или двух сторон усиляемого фундамента. Чаще всего  это буронабивные и набивные сваи. Технология устройства таких свай включает бурение тем или иным способом вертикальных скважин с защитой  их стенок от обрушения обсадными  трубами, извлечение из скважины разрабатываемого грунта и последующее заполнение готовой скважины бетонной смесью и  армированием ее. В зависимости от типа свай последовательность выполнения технологических операций может  быть иной /8,13/. В качестве свай усиления применяют различные типы свай включая  буронабивные сваи большого диаметра типа "Беното", сваи Страуса, винтонабивные, пневмонабивные и другие /7/. 

Другим, достаточно широко используемым при усилении существующих фундаментов,типом  свайных конструкций являются задавливаемые  сваи. На рис.4б представлена схема  производства работ при задавливании свай. Технология работ по задавливанию свай описана в соответствующей  технической литературе /2,3/. 

Обычно сваи усиления располагают  с двух сторон усиляемого фундамента и передают на них нагрузку от сооружения через поперечные балки, устанавливаемые  в пробиваемые в фундаменте (рис.4в), но в случае отсутствия доступа для  оборудования с одной из сторон фундамента, они могут быть выполнены и  с одной (наружной) стороны здания в два ряда с консольной поперечной балкой. При этом сваи первого от усиляемого фундамента ряда воспринимают вдавливающую нагрузку от веса здания, а сваи второго ряда - выдергивающую.  

При всех достоинствах способов усиления существующих фундаментов  сваями, они обладают рядом существенных недостатков. Общими из них являются необходимость выполнения большого объема земляных работ, связанных с  обнажением усиляемых фундаментов  до подошвы, а часто, и ниже ее на время работ, что само по себе достаточно рисковано, большая трудоемкость, необходимость  частичного разрушения существующих фундаментов, неуниверсальность применения по грунтовым  условиям, высокая стоимость работ  и большие затраты времени, в  том числе на предварительные  работы.