Текст
ОСТЬ И КАЧЕСТВО
В. Б. Швец
В.И. Феклин Л.К. Гинзбург
Усиление
и реконструкция фундаментов
V
ЛИСТОК СТРОИВ ПОВЕРНЕННЯ^ "УЙдаа повиннаgra пов Р У не П1зн1ше зазначеного_£У-г—_
Ктьк.сть noneEeflHixJK^—.-------
Повершть книгу не ni3Hiwe зазначеного термину
3^
Зап sre (ООО 000
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
В.Б. Швец
В. И. Феклин
Л.К. Гинзбург
Усиление и реконструкция фундаментов
Москва Стройиздат 1985
ББК 38.654.1
*/и135
УДК 69.059.32
Печатается по решению секции литературы по инженерному оборудованию редакционного совета Стройиздата.
Рецензент - лауреат Государственной премии СССР, д-р техн, наук, проф. М.И. Смородинов (НИИ оснований и подземных сооружений).
Швец В.Б. и др.
Ш 35 Усиление и реконструкция фундаментов / В.Б. Швец, В.И. Феклин, Л.К, Гинзбург. — М.: Стройиздат, 1985. — т?04 с.,(ИЛ. - (Надежность и качество).
Описаны способы усиления фундаментов при нарушении их долговечности, а также при реконструкции действующих предприятий. Рассмотрены причины, вызывающие необходимость усиления как фундаментов на естественном основании, так н свайных. Приведены примеры усиления фундаментов мелкого заложения и свайных, включая фундаменты под машины и оборудование, а также отдельно стоящие сооружения н здания, построенные на склонах.
Для инженерно-технических работников проектных, строительных организаций и служб эксплуатации.
3202000000^252
047(01) -85
Ш
Свод. пл. подписи, изд. 1985
ББК 38.654.1
_ 6С6.8
(С) Стройиздат, 1985
ПРЕДИСЛОВИЕ
В решениях ХХУТ съезда КПСС, а также последующих пленумов ЦК КПСС подчеркнута решающая роль реконструкции и технического переоснащения в увеличении объема и качества выпускаемой продукции без существенного расширения производственных площадей и численности работающих. В соответствии с этим большая доля капитальных вложений направляется на техническое перевооружение и реконструкцию действующих предприятий, оснащение их новой высокоэффективной техникой и внедрение прогрессивной технологии.
При осуществлении в процессе реконструкции и технического перевооружения производства, замены устаревшего оборудования и отдельных конструкций, повышения грузоподъемности мостовых кранов, расширения пролетов, устройства подземных технологических помещений и т.п. повышаются нагрузки на фундаменты и основания. Усиление фундаментов в отдельных случаях обусловлено возникновением недопустимых отказов в системе основание — фундамент — сооружение.
Характерной особенностью процесса реконструкции и усиления фундаментов и оснований является необходимость его ведения в крайне стесненной обстановке (чаще всего в условиях действующих предприятий или эксплуатируемых зданий) Это требует применения специальной технологии и организации строительных работ, а также соответствующего материального оснащения. Выполнение работ в стесненных условиях затрудняет применение средств механизации и усложняет доставку необходимых строительных материалов, что в конечном счете обусловливает высокую трудоемкость и стоимость работ по усилению и реконструкции фундаментов. Значительную трудность представляет организация работ по разработке и перемещению грунта, водоотливу, а также переустройству (частичному или полному) существующих фундаментов.
Вопросы реконструкции и усиления фундаментов в действующих в настоящее, время нормативных документах и соответствующей справочной литературе практи-' чески не отражены. В научно-технической литературе имеются немногочисленные работы, освещающие опыт реконструкции и усиления фундаментов жилых зданий, главным образом в связи с их надстройкой [1—4]. Для промышленных зданий и сооружений вопросы усиления фундаментов рассматриваются в основном в связи с проявлением деформаций аварийного характера [5—7]. Имеющиеся журнальные публикации освещают разовые случаи усиления или реконструкции фундаментов и их оснований и не носят обобщающего характера. В зарубежной научно-технической литературе [8—11], а также учебной литературе по основаниями фундаментам [12, 13] рассмотрены лишь возможные способы усиления и реконструкции фундаментов без их детализации.
В настоящей монографии сделана попытка системного освещения накопленного многолетнего опыта по усилению и реконструкции фундаментов, работающих различных условиях. При этом в основном использован отечественный опыт.
Основная часть монографии написана совместно д-ром техн, наук, проф. В.Б. Швецом, канд. техн, наук, доц. В.И. Феклиным и канд. техн, наук Л.К. Гинзбургом. В написании отдельных глав и пунктов приняли участие канд. техн, наук, доц. Н.С. Швец (глава 8) и канд. техн, наук В.К. Капустин (пп. 2.2 и 6.1).
Авторы выражают признательность д-ру техн, наук, проф. М.И. Смородинову за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи.
ГЛАВА 1. ОЦЕНКА НЕОБХОДИМОСТИ ПЕРЕУСТРОЙСТВА ФУНДАМЕНТОВ
1.1. Причины, вызывающие необходимость переустройства фундементов
Переустройство фундаментов заключается в любом изменении конструкции или размеров существующих фундаментов в целях приспособления их для использования в изменившихся условиях эксплуатации. Переустройство как более общее понятие разделяется на усиление и реконструкцию. Усиление фундаментов связано с восстановлением или заменой морально или физически изношенных (разрушенных) их конструктивных элементов, а также с увеличением нагрузок на фундаменты. Под реконструкцией фундаментов понимается изменение их конструкции в связи с переменой функционального назначения, с заменой типа или вида устанавливаемого оборудования или надземных конструкций. Реконструкция фундаментов, как правило, не связана с их разрушением (износом).
В принципе переустройство обязательно для любого промышленного предприятия и должно осуществляться по мере морального и физического износа основных фондов. Периодичность его определяется необходимостью внедрения научно-технических достижений, улучшения условий труда и рядом других причин. Переустройству подлежат не только производственные здания, но и здания и сооружения гражданского назначения.
Цели переустройства состоят в улучшении планировочных решений, повышении степени благоустройства, а также увеличении жилой и производственной площади с сохранением имеющейся застройки. Характерными и самыми массовыми объектами переустройства являются старые здания, многие из которых представляют капитальные строения, пригодные по техническому состоянию к дальнейшему использованию. Значительная часть производственных зданий и сооружений в стране возведена более 30 лет назад. За время их службы конструктивные элементы претерпели моральный и физический износ.
Моральный износ фундаментов зданий и технологического оборудования наблюдается при несоответствии их параметров (несущей способности, глубины заложения, формы, площади подошвы и др.) требованиям, возникающим при реконструкции производства и техническом переоснащении технологического оборудования. Количественной характеристикой морального износа является суммарный объем затрат на переустройство фундамента с целью его доведения до требуемого уровня. Моральный износ фундамента, как и здания в целом, вследствие увеличивающегося во времени несоответствия между его параметрами и требованиями, возникающими при реконструкции или переоснащении производства, возрастает. Поэтому на определенном этапе переустройство фундаментов будет уже нецелесообразно.
Фундаменты с течением времени подвержены физическому износу. Нередки случаи, когда фундаменты разрушаются намного раньше расчетного срока их эксплуатации. Например, при действии агрессивных грунтовых вод (утечки из канализационных коммуникаций, стоки химических производств и др.), насыщенных щелочными, сульфатными и прочими химическими веществами, разрушается защитный слой бетона фундаментов, а затем коррозии подвергается и арматура. В таких ус
4
ловиях фундаменты могут потерять несущую способность настолько, что неизбежно потребуется их усиление.
В эксплуатационных условиях система основание — фундамент испытывает одновременное воздействие многих факторов, из которых наиболее значительными являются изменения свойств основания, различного рода эксплуатационные факторы, природные явления и воздействия, связанные с хозяйственной деятельностью человека. В большинстве случаев наблюдается одновременное воздействие многих факторов. Поэтому сложность явлений, протекающих в системе основание — фундамент при естественных условиях эксплуатации, крайне затрудняет не только количественную оценку этих явлений, но и их физическую характеристику.
Случаи нарушения работы оснований и фундаментов встречаются часто [7]. В большинстве из них обычно не происходит полного разрушения зданий или сооружений, но наблюдаются перекосы, трещины и другие деформации, затрудняющие или сокращающие сроки их службы. Поэтому контролю качества изысканий, проектирования и устройства оснований и фундаментов, независимо от их конструктивных особенностей, должно уделяться исключительное внимание.
Нередко проектирование зданий и сооружений ведется в расчете на то, что грунты основания под их фундаментами будут оставаться такими же, какими были при выполнении изыскательских работ. Влияние каких-либо внешних условий на свойства этих грунтов часто невозможно предусмотреть при проектировании. Однако в процессе эксплуатации зданий и сооружений неизбежны непредвиденные воздействия на грунты, вызывающие изменения их свойств. Одним иэ таких факторов, влияющих на свойства грунтов основания, является их водонасыщение. Обводнение грунтов может значительно снизить физико-механические и прочностные характеристики грунтов основания, а иногда привести к суффозии или вымыванию грунта из-под фундаментов. Особенно опасно обводнение площадок, сложенных просадочными грунтами.
Ошибки непосредственно при расчетах и проектировании фундаментов в наше время встречаются довольно редко. Однако недостатки при разработке рабочих чертежей фундаментов все же имеются, что нередко происходит из-за нечетко выполненных инженерно-геологических изысканий, недостаточного учета влияния расположенных вблизи зданий и подземных коммуникаций, несоблюдения правил проектирования в особых условиях строительства, неполного учета влияния эксплуатационных факторов. Иногда инженерно-геологические изыскания для проектирования фундаментов проводятся значительно раньше начала строительства, а к началу производства работ условия на площадке по каким-либо причинам изменяются. В некоторых случаях при инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства выполняется недостаточное число геологических выработок, а зто при наличии разнородных грунтов на территории строительства приводит к несоответствию действительности положенных в основу расчетов исходных предпосылок. Изредка случаются неточности и при лабораторных определениях физико-механических и прочностных характеристик грунтов, а также при принятии расчетных схем фундаментов сооружений, определении их несущей способности без натурных испытаний и тд. Такие недостатки при выполнении проектно-изыскательских работ отрицательно сказываются уже в процессе эксплуатации сооружения и нередко вызывают потребность в усилении фундаментов или укреплении оснований.
5
Причины переустройства Фундаментов
Рис.1.1. Классификация причин, вызывающих переустройство фундаментов
При строительстве новых сооружений рядом с существующими фундаментами повышаются нагрузки на их основания. Если фундаменты были рассчитаны лишь на нагрузку от опирающегося на них сооружения, то дополнительная нагрузка может вызвать осадки фундаментов, превышающие нормативные. В таких случаях необходимо осуществлять мероприятия по повышению несущей способности фундаментов или укреплению грунтов, на которые они опираются.
Разработка котлованов рядом с существующими фундаментами приводит к разрыхлению грунтов основания и снижению их прочностных характеристик. Для уменьшения воздействия на фундаменты требуется тщательное ограждение котлована от существующих фундаментов. Характерными причинами нарушения технологии возведения фундаментов могут быть: длительные простои открытых котлованов, влекущие за собой ухудшение свойств грунтов основания, неточности в разбивке фундаментов и несоответствие их проектным размерам, применение бетона пониженной марки по сравнению с заданной в проекте, неоправданная замена конструкций и материалов, некачественное выполнение стыков и сопряжений. Необнаружение и несвоевременное исправление этих ошибок вызывают необходимость дальнейшего усиления фундаментов.
Необходимость усиления оснований и фундаментов может возникать также вследствие передачи дополнительной нагрузки при реконструкции здания или оборудования, механического воздействия на фундаменты, нарушения правил эксплуатации оборудования и коммуникаций. При расположении здания или сооружения на склоне в случае проявления оползневых подвижек фундаменты могут испытывать воздействия сползающего грунта. В таком случае требуется применять меры по укреплению самого склона.
6
Таблица 1.1. Виды, способы и цели переустройства фундаментов
Вид переустройства Способы осуществления переустройства Цели переустройства
[. Упрочение и Осушение. укрепление оснований Уплотнение: поверхностное, глубинное. Закрепление: силикатизация, смолизация, термическое, цементация. Армирование толщи грунта II. Усиление Устройство обойм, фундаментов Уширение подошв. Подводка блоков. Подведение свай Устройство дополнительных опор. Замена и восстановление разрушенных элементов. Углубление Повышение прочности оснований и уменьшение деформаций зданий и сооружений Увеличение несущей способности фундаментов и повышение надежности работы зданий и сооружений
1П. Реконструкция фундаментов Замена. Углубление. Изменение конструкции. Изменение размеров Модернизация производства, изменение назначения здания и улучшение эксплуатационных качеств зданий и сооружений
ГУ. Защита фундаментов и оснований от агрессивных воздействий Устройство глиняных замков. Обмазочная изоляция. Оклеечная изоляция. Устройство прижимных стенок и обойм. Гидроизоляция и защита полов. Устройство лотков и дренажных систем Повышение долговечности и надежности оснований и фундаментов
У. Укрепление сооружений на склонах и у откосов Закрепление. Дренаж и отвод вод. Устройство подпорных сге-иок. Уполаживание склонов Повышение устойчивости откосов и оснований и предотвращение оползневых явлений •
Устройство свайных стенок. Устройство опор методом "стена в грунте”. Устройство шпонок. Устройство банкетов
УГ. Выправление кренов и перекосов фундаментов Одностороннее закрепление или упрочение основания. Стабилизация положения сооружения. Выборка грунта из-под подошвы. Осушение или обводнение. Поворот механическими-способами. Прогрев основания Восстановление и сохранение эксплуатационных качеств сооружений 7
Таким образом, необходимость переустройства фундаментов вызывают физический и моральный износ фундаментов, ошибки, допущенные при изысканиях, проектировании и устройстве фундаментов, изменения в режиме эксплуатации зданий и сооружений, условия реконструкции и другие многочисленные факторы.
Анализ условий работы оснований и фундаментов позволил разработать классификацию причин переустройства фундаментов (рис.1.1). Эти причины можно разделить на два класса: 1) усиление поврежденных фундаментов и их оснований; 2) реконструкция зданий и модернизация оборудования. Причины первого класса обусловлены разрушением фундаментов и деформацией основания; второго — увеличением нагрузок на фундамент и изменением его конструкции и размеров.
В зависимости от характера выполняемых работ в табл.1.1 рассмотрены основные виды, способы и цели переустройства фундаментов. Каждый вид переустройства осуществляется различными способами, выбор которых диктуется конкретными условиями: состоянием основания, характером повреждения фундамента и его элементов, целями переустройства, имеющимися материально-техническими ресурсами и др.
1.2. Виды разрушения фундаментов в процессе эксплуатации
Основными причинами разрушения фундаментов в процессе эксплуатации являются: коррозия материала фундамента под воздействием агрессивной среды; нарушение режима эксплуатации технологического оборудования; динамические воздействия технологического и подъемно-транспортного оборудования; перегрузка фундаментов и некачественное исполнение их.
Под разрушением материала фундамента следует понимать различные коррозионные явления, трещины, сколы, изломы, оголение арматуры. При рассмотрении причин разрушения фундаментов замечено, что разрушение материала чаще всего происходит в результате попадания на конструкцию фундамента агрессивных технологических растворов. Наибольшему влиянию агрессивных воздействий подвержены фундаменты производственных зданий химической, алюминиевой и нефтехимической промышленности. Интенсивность разрушения материала фундамента зависит от степени агрессивности технологических растворов, которая, в свою очередь, зависит от вида раствора, концентрации, температуры и частоты проливов. Проливы агрессивных жидкостей происходят при выполнении технологических процессов в результате нарушения плотности и герметизации технологических аппаратов, насосов, трубопроводов, лотков и зумпфов.
В 1973—1976 гг. были проведены натурные обследования железобетонных фундаментов производственных зданий глиноземных цехов ряда алюминиевых заводов [14]. Они показали, что железобетонные фундаменты, подвергающиеся постоянному воздействию алюминатно-щелочных растворов, интенсивно корродируют. Наибольшее разрушение наблюдается в отделениях мокрого размола, выщелачивания, сгущения, фильтрации и выпаривания глинозема. На поверхности конструкций наблюдается разрушение защитного слоя бетона и образование трещин с шириной раскрытия до 3 мм.
Совместный анализ характера деформаций фундаментов производственных зданий глиноземных цехов и полученных дифрактограмм бетонов
[15] показывает, что разрушение фундаментов происходит в результате химического взаимодействия гидросиликатов кальция цемента с алюминатно-щелочными растворами с образованием метасиликата натрия и гидроокиси кальция. В присутствии содового раствора образуются различные комплексные карбонатные соединения, которые, кристаллизуясь в бетоне, создают кристаллизационное давление и разрушают бетон. Аналогичным образом разрушение бетона происходит при кристаллизации в его порах, капиллярах и микротрещинах метасиликата натрия и гиббсита, содержащегося в алюминатно-щелочном растворе.
Значительные разрушения фундаментов наблюдаются в криолитовых цехах, а также в отделении регенерации фтористых солей алюминиевых заводов, занимающихся производством плавиковой кислоты, криолита и других фтористых.соединений [15]. В фундаментах отмечаются разрушения защитного слоя бетона, образование в нем раковин и пустот, коррозия арматурной стали. Особенно характерно разрушение бетона в местах расположения анкерных болтов. Жидкая среда, содержащая плавиковую, кремнефтористоводородную и серную кислоты, стекая по анкерным болтам, вызывает их коррозию. Продукты коррозии, увеличиваясь в объеме в 2—2,5 раза, вызывают в бетоне значительные усилия, в результате которых образуются трещины, идущие к наружной поверхности в радиальном направлении по наиболее тонкому сечению.
Процесс получения плавиковой кислоты и фтористых солей сопровождается выделением агрессивных веществ, ряд из которых находится в газообразном состоянии. Попадание такой среды на фундаменты, а также периодические гидросмывы вызывают их интенсивную коррозию. В местах разрушения бетон свободно разбирается руками или отслаивается при постукивании по нему молотком. Прочность бетона, подверженного коррозии, составляет от 0,9 до 5 МПа. В местах интенсивной коррозии бетона происходит оголение арматуры, при этом глубина коррозии арматуры достигает 0,2—0,3 мм и более.
Опыт эксплуатации фундаментов и подземных сооружений электролизных цехов показывает, что чаще всего причиной их разрушения является электрохимическая коррозия арматуры в бетоне под действием блуждающих токов утечки. В этих цехах постоянный электрический ток, потребляемый в технологическом процессе, достигает тысяч и десятков тысяч ампер [16]. Утечка тока происходит из-за смачивания и загрязнения изоляционных устройств. Скорость разрушения конструкций определяется плотностью тока стекания и зависит от конструктивных особенностей фундаментов.
В одном из электролизных цехов [16] предприятия цветной металлургии через 5—6 лет после его реконструкции оказались в аварийном состоянии фундаменты, стены подвалов и подземные конструкции. Защитный слой бетона полностью разрушился, оголив прокорродированную арматуру. Железобетонные подземные колонны почти полностью потеряли несущую способность и их пришлось заменить кирпичными столбами.
Весьма опасными являются случаи, когда насыщенный солями грунт становится электролитом и в него проникают блуждающие токи электролизных цехов. Так, на одном алюминиевом заводе грунтовая вода под электролизерами, имевшими недостаточно надежную изоляцию, нагрелась до 100ОС, в результате чего были разрушены все фундаменты. На другом заводе нагрев основания под ваннами достиг 60°С.
На одном из комбинатов искусственного волокна здание с камерами для кристаллизации серы, поставленными на грунт, разрушилось через
9
8
Рис.1.2. Схема элеватора — а, узел опирания колонны на фундаментную плиту — б и положение колонны после разрушения плиты - в
1 - корпуса элеватора; 2 — обрушившийся корпус; 3 — направление обрушения; 4 — башня; 5 — галерея; 6 — фундаментная плита; 7 - колонна; 8 — стакан для опирания колонны; 9 - место продавливания плиты; 10 - бетонная подготовка толщиной 100 мм
3 года. При этом ускоренному разрушению способствовали проливы раствора серной кислоты.
В электролизных цехах наибольшие разрушения отмечаются в фундаментах свайного типа, имеющих большую длину и малое поперечное сечение. Объясняется это неравномерным стеканием тока по глубине.
Разрушение ступенчатых фундаментов опор контактной сети и электролизных цехов в первую очередь происходит в зоне, которая расположена выше обреза верхней ступени, а затем распространяется вниз. При этом трещины в фундаментах могут соединять анкерные болты, расположенные в противоположных углах фундамента.
Воздействие смазочных материалов на фундамент также может явиться причиной его разрушения. Так, железобетонные фундаменты под наружные
10
масляные трансформаторы и разъединители на подстанциях систематически обливают маслом, что вызывает их интенсивную коррозию [14]. Разрушению подвергаются фундаменты компрессоров, на которые систематически воздействуют проливы смазочных материалов.
Нарушение режима работы технологического оборудования часто приводит к перераспределению нагрузок на фундаменты и, как следствие, к их разрушению. Разрушение фундаментов от нарушения режима работы технологического оборудования (динамического, подъемно-транспортного и др.) проявляется настолько разнообразно, что установить определенные закономерности причин, вызывающих эти нарушения, не всегда удается полностью. Характерные случаи разрушений фундаментов машин с динамическими нагрузками рассмотрены в работе [7].
Причиной разрушения фундаментов могут явиться неучтенные -при проектировании нагрузки. В этом отношении поучительным является разрушение железобетонного фундамента неподвижной анкерной опоры транспортной галереи [17], которое произошло в результате воздействия неучтенной горизонтальной нагрузки, вызванной температурным изменением длины транспортной галереи в зимнее время при жесткой заделке конца галереи на фундаменте.
Наиболее распространенными являются разрушения фундаментов из-за некачественного выполнения строительных работ [5—7, 9—11 и др.]. В отдельных случаях зто влечет за собой аварию сооружения. В качестве примера можно привести аварию элеватора (рис.1.2, а), состоящего из четырех рабочих корпусов (24x36 м) и главной рабочей башни высотой 62 м. Железобетонные колонны подсилосного зтажа сечением 500x500 мм и шагом 3 м были установлены в стаканы, выполненные на монолитной железобетонной плите толщиной 450 мм (рис.1.2, б). Спустя 2 года после начала эксплуатации при полной загрузке элеватора под одним из корпусов крайние колонны продавили плиту и на разную глубину (до 3 м) вдавились в грунт — маловлажный практически непросадочный лессовидный суглинок. Колонны имели отклонение от вертикали в сторону обрушения (рис.1.2, в), часть из них была разрушена. Как показало обследование, фактическая марка бетона фундаментной плиты была ниже проектной. Причина того, что бетон был низкой марки, состояла в том, что бетонная смесь готовилась на месте в кустарных условиях, без соблюдения точной дозировки составляющих компонентов. Бетонирование плиты выполнялось в зимнее время без прогрева бетона.
В практике строительства имеются случаи разрушения свайных фундаментов и их ростверков вследствие низкого качества свай и их поломки при забивке, недостаточной прочности бетона ростверков, перегрузки свай из-за допущенных смещений при забивке и др.
1.3. Деформации фундаментов при изменении свойств основания
Деформации фундаментов при изменении свойств основания и его недостаточной несущей способности освещены в ряде работ [5—12 и др.]. Основными причинами отказа оснований являются: длительные простои разработанных котлованов, изменение влажностного режима грунтов (в том числе насыщение их химическими растворами), динамические воздействия и др.
Наибольшее количество воды в грунты основания попадает из подземных коммуникаций. Так, поступление воды в грунт из нового водопровода может составлять 15—18%, а с увеличением срока его эксплуа-
11
тации этот процент увеличивается [18]. Большую опасность для оснований фундаментов представляют поверхностные воды, отводу которых часто не уделяется должного внимания. Между тем замачивание оснований из поверхностных источников, как правило, приводит к неравномерным деформациям зданий. Особенно опасно замачивание оснований, сложенных структурно неустойчивыми грунтами — просадочными, набухающими, засоленными, пылеватыми и песчаными.
Как показывают наблюдения, в ряде крупных промышленных городов страны отмечается интенсивный подъем уровня грунтовых вод. Например, за период 1965—1977 гг. в Днепропетровске, Запорожье, Херсоне, Ростове-на-Дону и других городах уровень грунтовых вод поднялся на 10—15 м. Причинами этого являются интенсивная застройка территории, нарушающая условия поверхностного стока, утечки из коммуникаций, отстойников, резервуаров, а также подтопление водами вследствие строительства плотин, водохранилищ. В результате названных явлений во многих случаях изменяется несущая способность основания, обусловливая возникновение значительных осадок оснований и деформаций существующих зданий и сооружений. При этом возникает проблема обеспечения нормальных условий эксплуатации зданий и сооружений на обводненных основаниях.
Рассмотрим несколько характерных примеров деформации фундаментов при изменении свойств грунтов основания. При изысканиях под промышленное здание в г. Днепропетровске грунтовые воды не были обнаружены до глубины 30 м. Здание было запроектировано и возведено на коротких (10—12 м) виброштампованных сваях. К моменту сдачи здания в эксплуатацию были зафиксированы значительные осадки с тенденцией нарастания их во времени. Обследованием было установлено, что причиной осадок является подъем уровня грунтовых вод до глубины 14 м. Из-за значительных деформаций здание не было принято в эксплуатацию и потребовалось выполнение дорогостоящих работ по усилению фундаментов колонн залавливаемыми сваями длиной до 30 м.
Представляют интерес данные о неравномерных деформациях оснований фундаментов 10 дымовых труб на Баглейском коксохимическом заводе (рис.1.3). Трубы высотой 80—100 м возводились в 1951—1958 гг. на фундаментной плите диаметром 18 м и глубиной заложения 7,3 м. Основанием фундаментов являлись лессовые просадочные грунты с толщиной слоя 10—16 м, подстилаемые непросадочными плотными суглинками. В период строительства грунтовые воды не были обнаружены на глубине 20 м.
При эксплуатации дымовых труб были отмечены неравномерные осадки фундаментов, обусловившие значительные крены. Наблюдения за грунтовыми водами установили повышение их уровня в виде куполов, приуроченных к отдельным источникам увлажнения. Скорость повышения уровня составляла 1—1,5 м/год. Источниками замачивания явились тушильная башня со шламоотстойником, канализация, градирни, коммуникации ТЭЦ завода и др. С увеличением зон увлажнения неравномерность осадок фундаментов с течением времени увеличивалась. Наблюдения за развитием кренов велись в течение 20 лет; результаты их представлены в табл. 1.2. Направление кренов совпадает с направлением подъема уровня грунтовых вод.
Фундамент трубы N0 5 был выполнен на основании на всю толщу просадочных грунтов, уплотненном грунтовыми сваями диаметром 400 мм с шагом 1200 мм, устроенными в шахматном порядке. Основание под
Рис.1.3. Схема осадки дымовых труб на Баглейском коксохимическом заводе
а — осадки марок № 9 и 11 трубы № 2; б - план расположения нивелировочных марок на трубе; в — фундамент трубы; г - развитие отклонения верха трубы № 3 во времени; 1 - дымовая труба; 2 - здание ТЭЦ; 3 -грунтовые сваи
трубами № 6-8 по кольцевым сечениям вокруг фундамента было упрочнено термическим способом. Как следует из табл. 1.2, все трубы за исключением трубы №5 получили крены более предельного значения, равного 0,005 [19].
Глубинное уплотнение основания грунтовыми сваями на всю просадочную толщу существенно сказалось на уменьшении крена. В связи со стабилизацией подъема грунтовых вод (уровень воды находится выше отметки подпиты фундаментов) интенсивность нарастания кренов уменьшилась.
Таблица 1.2. Крены дымовых труб
№ труб j Абсолютный крен, мм Относительный крен
1 611 0,006
2 521 0,005
3 1369 0,014
4 878 0,009
5 284 0,003
6 946 0,009
7 555 0,006
8 606 0,006
9 372 0,005
10 1212 0,015
13
12
Однако для сохранения некоторых труб (№ 3, 4, 6 и 10) в надежном эксплуатационном состоянии необходимо принятие специальных мер.
Анализ аварийных объектов, возведенных на просадочных грунтах; показывает, что в большинстве случаев проектировщики ограничиваются расчетом деформаций оснований для маловлажного состояния грунтов, не учитывая возможности полного их замачивания. Этим объясняется неоправдавшееся в практике строительства на грунтах 11 типа по просадочности применение грунтовых подушек, сплошных фундаментных плит, свай всех видов (включая грунтовые) с неполной прорезкой ими просадочной толщи. Во многих случаях причиной деформаций зданий явилась недооценка просадочности грунтов I типа. Грунтовые подушки, устраиваемые для исключения или существенного уменьшения дефор-j мации от просадки, сами иногда являются причиной аварийного состояния зданий вследствие некачественного устройства, особенно при их значительной толщине и площади.
Примеры деформаций зданий и сооружений на просадочных грунтах I достаточно широко освещены в литературе [18, 20,21 и др.]. К ним, кроме • того, следует добавить деформации аварийного характера (недопустимые ' крены, трещины и др.) ряда элеваторов в Ставропольском крае, которые возведены на сплошных фундаментных плитах в грунтовых условиях II типа по просадочности; деформации жилых домов в г. Таирово Одесской обл., которые построены на пирамидальных сваях, не прорезающих просадочную толщу I типа; при этом деформации были настолько значительными, что потребовалось отселение людей; деформации жилого дома в Казацком пер. в Херсоне, которые из-за просадок основания в грунтовых условиях I типа пришлось разобрать.
Предотвращение значительных осадок фундаментов на просадочных грунтах должно осуществляться по двум направлениям: устранение причин, вызывающих просадки (приостановка подъема грунтовых вод, отвод поверхностных вод, ремонты коммуникаций) и усиление существующих фундаментов (уменьшение действующих давлений на основание путем уширения фундаментов, подведение свай, упрочнение грунтов) и надземных конструкций.
Технологические процессы на многих предприятиях химической, металлургической и других отраслей промышленности связаны с производством или потреблением различных химических растворов, которые, попадая в грунт, вызывают коренные изменения свойств основания. Так, взаимодействие с грунтом химических растворов соляной, плавиковой и кремнефтористоводородной кислот приводит к образованию легкорастворимых и легковымываемых солей, что вызывает просадочные явления. Проливы же растворов щелочей и серной кислоты вызывают химическое набухание грунтов, при этом силы кристаллизации солей развивают давление, значительно превышающее нагрузку от зданий. Внешне деформации оснований, взаимодействующих с агрессивными химическими растворами, проявляются в образовании характерных трещин в стенах, перекосе фундаментов оборудования, колонн и металлических конструкций [7,14].
При вскрытии грунтов котлованами происходит определенное снижение их деформативных и прочностных свойств в верхнем слое основания, что обусловлено разуплотнением грунтов вследствие снятия бытового давления, взвешивающим действием грунтовых вод, а также воздействием атмосферного выветривания [7]. Явления разуплотнения грунтов обычно проявляются при значительной глубине разработанных кот-14
лованов (7—10 м и более). В грунтах осадочного происхождения изменение природных свойств основания проявляется лишь при длительных простоях котлованов, сопровождаемых процессами увлажнения — высыхания, промораживания — оттаивания и т.п. В элювиальных грунтах, сформировавшихся при выветривании горных пород и оставшихся на месте своего образования, в результате атмосферного выветривания даже при сравнительно небольших по времени сроках простоя котлованов, в том числе и в летний период, происходит существенное снижение механических свойств основания.
Зачастую причиной ненадежных проектных решений устройства оснований является недостаточно корректное проведение технико-экономических обоснований. На этой стадии не всегда производится расчет по деформациям, в результате чего сравниваются варианты различной надежности: например, фундаменты на грунтовой распределительной подушке и свайные фундаменты. Кроме того, при сравнении вариантов учитываются только затраты на устройство самих фундаментов без учета стоимости дополнительных конструктивных элементов.
Причиной деформаций служит иногда недостаточность указаний в чертежах по технологии производства работ на объекте. Так, при применении свайных фундаментов не предусматривают специальных мер для погружения свай до проектной отметки (например, устройство лидирующих скважин). В результате сваи получают ложный отказ, не достигнув проектной отметки. К дефектам определения несущей способности свай по результатам пробного их нагружения относится и кратковременность проведения испытаний.
За последние годы в нашей стране накоплен большой опыт по реконст-Й<кции промышленных предприятий и зданий гражданского назначения, о степени реконструкции или объему выполняемых строительно-монтажных работ здания и сооружения принято подразделять на полностью или частично реконструируемые. В первое понятие входит коренная перепланировка существующих площадей на основе изменения или усовершенствования технологического процесса, при которой предусматривается производство строительных работ по всему зданию или сооружению с усилением или заменой не менее 50% его основных несущих конструкций. Частичная реконструкция предусматривает такое производство строительно-монтажных работ, которое направлено на изменение архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных решений не всего, а какой-то отдельной части здания (например, одного зтажа, одного пролета и др.). Сюда же следует отнести надстройку и пристройку зданий. Замена технологического оборудования в действующем цехе, осуществляемая в плане его технического переоснащения и обновления активной части основных фондов и не сопровождаемая производством строительно-монтажных работ, не может считаться реконструкцией [22, с.18].
Производственные здания морально и физически изнашиваются медленнее установленного в них технологического оборудования. Поэтому модернизация (полная или частичная) или замена активной части основных фондов происходит значительно чаще, чем реконструкция промышленных зданий. К моменту коренной реконструкции здания его технологическое оборудование оказывается частично или полностью замененным несколько раз.
Применительно к фундаментам несущих конструкций и технологического оборудования любая проводимая реконструкция, как и осуществляемая модернизация оборудования, влечет за собой увеличение нагру
15
зок на фундаменте. Все это вызывает необходимость усиления фундаментов, а в отдельных случаях повышения несущий способности основания.
1.4. Нарушение устойчивости зданий и сооружений на склонах
При эксплуатации зданий и сооружений, возведенных на склонах или вблизи них, появляется опасность нарушения устойчивости и прочности конструкций из-за возможных оползневых подвижек грунта. При этом деформации сооружений могут произойти как из-за воздействия давления неустойчивых масс грунта непосредственно на конструкции, так и вследствие разрыхления грунта в основании сооружения в результате смещения оползневых масс вниз по склону. Такое движение грунта по наклонной поверхности (проявление оползневого смещения) может начаться по самым различным причинам: превышение сдвигающих сил над удерживающими; обводнение склона и как результат - снижение прочностных характеристик слагающих его грунтов; абразия склона в нижней его части морскими или речными водами и как следствие — нарушение баланса грунтовых масс; ветровая эрозия поверхностных слоев; подрезка склона в какой-либо его части искусственными разработками грунта; сейсмическое воздействие и тд.
Практически опасность для зданий и сооружений возникает в результате разнообразного воздействия на них грунтовых масс в случаях появления оползневых подвижек на склоне. При расположении сооружения в верхней части склона (в голове образовывающегося оползня) происходит ’’выползание” грунта из-под здания и разрыхление основания (рис. 1.4, а). Вследствие этого основание под фундаментом сооружения становится разнородным и в результате появления неравномерных осадок в здании начинают появляться вертикальные трещины. При размещении здания непосредственно на склоне при активизации оползня происходит смещение грунта под зданием — частично вместе с сооружением, частично путем обтекания его фундамента (рис.1.4, б). В таком случае недопустимые деформации здания могут быть вызваны как давлением грунта на него, так и неодинаковыми перемещениями в плане отдельных его частей. В случае, когда здание находится в нижней части склона, т.е. в языке образовывающегося оползня, оно, как правило, испытывает лишь давление грунта от смещающихся масс (рис.1.4, в).
При появлении деформаций зданий и сооружений, построенных в зоне влияния оползневого склона, выполнение проектно-изыскательских работ по их усилению должно начинаться с тщательного анализа причин деформаций и установления вида воздействия грунтового смещения на сооружение.
Характерным примером воздействия оползневого смещения на сооружение, расположенное в верхней части склона, является появление деформаций в здании котельной в г. Днепропетровске. Здание расположено над глубоким оврагом (рис.1.5), борта которого сложены деградированными лессовидными суглинками. Имевшаяся небольшая просадоч-ность этих грунтов была ликвидирована вследствие естественного замачивания толщи еще до строительства здания котельной. Однако в процессе эксплуатации сооружения продолжалось обводнение грунтов склона, что привело его в неустойчивое состояние. Появлению оползня способствовала и абразия нижней части склона, вызванная протекавшим по оврагу ручьем. В результате по образовавшейся в борту оврага поверхности
Рис. 1.4. Виды нарушения устойчивости зда-
ния на склоне
а - разрыхление основания под фундаментом сооружения; б — смещение грунта под зданием; в — давление сползающего грунта на сооружение; 1 — существующее здание; 2 — поверхность склона; 3 - поверхность скольжения оползня
1.5. Схема деформации здания котельной на склоне
/ - здание котельной; 2 - трещины в стенах здания; 3 - борта оврага; 4 - возникшие поверхности скольжения в склоне; 5 - переменный уровень грунтовых вод (верховодка); 6 - установившийся уровень грунтовых вод; 7 - ручей в тальвеге; 8 -растительный и насыпной грунт; 9 - слабовлажный лессовидный грунт; 10; 11 -влажные и водонасыщенные лессовидные суглинки; 12 - погребенный слой; 13 -плотный красновато бурый суглинок
скольжения грунты начали смещаться вниз, затронув основание под зданием котельной. В стенах здания появились недопустимые трещины, что потребовало выполнения срочных мероприятий по укреплению склона и усилению фундаментов и стен.
В санатории ”Меллас” в Крыму оползень произошел из-за активной хозяйственной деятельности человека, осуществляемой без учета существующих природных условий: при устройстве дороги на склоне не учитывали действие сдвигающих сил и их соотношение с удерживающими силами. Оползневые массы грунта надавили на построенный в нижней части склона спальный корпус (рис.1.6), вызвав его значительные деформации.
17
16
Рис.1.6. Схема укрепления склона на территории санатория "Меллас” в Крыму 1 — контуры оползня и поверхность склона; 2 - буронабивные сваи противооползневых удерживающих конструкций; 3 - административное здание; 4 — спальный корпус, 5 — сместившиеся грунтовые массы в языке оползня; б - суглинки с включениями щебня; 7 - аргиллиты трещиноватые; 8 - аргиллиты плотные
Оползень также угрожал существовавшему на бровке склона административному зданию. Инженерно-геологические изыскания на склоне показали, что оползневое тело, состоявшее из влажных суглинков с включением щебня, сползает по кровле выветрелых аргиллитов. Поскольку в условиях застроенной территории невозможно было осуществить сложный комплекс противооползневых мероприятий, было принято решение остановить оползень механическим способом. На объекте были запроектированы и изготовлены противооползневые удерживающие конструкции
18
Рис. 1.7. Схема смещения здания, построенного на холме
I - наклонные стержни, работающие как шпонки; 2 - слабый грунт; 3 - кварцит
из буронабивных свай. Три яруса таких противооползневых конструкций надежно стабилизировали оползневый склон.
При строительстве сооружений непосредственно на склоне нарушение их устойчивости нередко происходит в виде появления недопустимых (порой катастрофических) осадок. Особенно отрицательно оползневые подвижки склона сказываются на возведенные в его пределах протяженные инженерные сооружения - линии электропередач, нефте- и газопроводы, подпорные стены, автомобильные и железные дороги. Примером такой деформации может служить оседание земляного полотна одного из двух путей на участке железнодорожной линии Краснодар — Туапсе, для восстановления которого потребовалось проведение комплекса противооползневых мероприятий.
В качестве иллюстрации неправильного конструктивного решения может служить авария строящегося административного здания в Альтене (ФРГ) [8]. Восьмиэтажное здание шириной 13,4 и длиной 53 м строили на склоне холма (рис. 1.7). Подстилающим слоем служил слабый грунт, под которым начинались пласты, состоящие из достаточно прочных грунтов. Здание начало смещаться вниз по склону холма, когда возвели первые пять этажей. Слабый верхний слой грунта начал скользить по кварциту. О том, что здание пришло в движение, установили по характеру трещин в подвале. Для сохранения здания пробурили 150 скважин диаметром 50 см и глубиной 6,1 м через все верхние слои вплоть до прочных пород. В эти скважины вставили стальные стержни диаметром 46 мм, залив их на всю глубину жидким цементным раствором. На оголовках стержней забетонировали поперечные стены с целью приостановить сползание грунта под действием давления от веса здания. Стальные стержни работали как шпонки на срезывающее усилие, возникающее от наклонной составляющей веса здания. В результате проведенных работ опасность аварии была ликвидирована.
1.5. Общая классификация отказов фундаментов
Система основание — фундамент должна сохранять надежность в процессе всего периода эксплуатации здания или сооружения и способность воспринимать все внешние воздействия, предусмотренные при проектировании.
19
Рис.1.8. Классификация признаков отказов оснований и фундаментов
Под безотказностью работы системы основание — фундамент следует понимать способность ее сохранять работоспособность в определенных условиях эксплуатации в течение времени функционирования. Безотказность включает в себя требования прочности, надежности, устойчивости и долговечности как всей системы, так и ее элементов.
Полная или частичная утрата надежности системы называется отказом. В отдельных случаях понятие отказа является четко определенным (например, обрушение всего сооружения), однако в общем случае понятие отказа является весьма относительным, так как в значительной степени зависит от конкретных условий функционирования системы. Отказом системы основание — фундамент является как полный выход системы и всего сооружения из строя, так и недопустимые отклонения параметров системы от расчетных или от требуемых новых условий ее работы. Наряду со случайным колебанием параметров системы может наблюдаться и монотонное необратимое их изменение (износ), обусловленное старением, .коррозией и т.п. Такие отказы называются постепенными.
Внезапные (катастрофические) отказы фундаментов и их оснований обычно приводят сооружение к предельному состоянию. Причинами возникновения внезапных отказов оснований являются: дефектность инженерно-геологических изысканий; несоответствие принятых расчетных схем и несовершенство методов расчета несущей способности и деформаций; грубые нарушения режима эксплуатации оснований, аварии и стихийные бедствия.
Постепенный (некатастрофический) отказ основания обычно обусловлен дефектами и погрешностями испытаний грунтов, недостаточной информацией об инженерно-геологических, природно-климатических и эксплуатационных условиях и т.д. Проявление постепенно отказа связано с накоплением пластических деформаций и приспособлением системы основание - фундамент и ее отдельных элементов к изменившимся условиям функционирования. Постепенный отказ характеризует достижение системой или ее элементами предельного состояния по деформации.
Кроме названных, целесообразно рассматривать и другие отказы, например, такие, как зависимые и независимые, полные и частичные, непрогнозируемые и прогнозируемые и тд. Полная классификация отказов оснований и фундаментов приведена в работе [7]. Признаки отказов оснований и фундаментов многообразны, их можно условно разделить на явные и неявные (рис.1.8).
Явные признаки указывают на то, что отказ уже наступил и система или ее элемент потеряли работоспособность. К явным отказам относятся: полное н частичное обрушение; потеря устойчивости; обвалы, провалы полов и других элементов конструкций.
Неявные (скрытые) признаки отказов выявляются путем оОследова-ний и измерений. Неявные признаки в большинстве своем предшествуют явным и указывают на развитие явлений, связанных с нарушением надежности системы основание — фундамент. Они являются сигналом для принятия необходимых мер по сохранению заданного уровня надежности системы основание — фундамент и предотвращению потери ее работоспособности. К неявным признакам отказов относятся: осадки, просадки, набухание и усадки грунтов оснований; подъемы, крены, изгибы и выгибы зданий и сооружений или их отдельных конструкций; трещины в грунте, фундаментах и стенах; уменьшение сечений элементов вследствие коррозии, отколов и др.
Одной из основных характеристик надежности оснований и фундаментов является ее ремонтопригодность, т.е. способность системы к предупреждению, обнаружению и устранению различных отказов и отклонений путем проведения ремонтов. Степень ремонтопригодности фундамента зависит в первую очередь от его конструктивных особенностей. Как правило, ремонт фундамента возможен только при постепенном отказе, внезапные же отказы обычно приводят сооружение в предельное состояние по прочности и устойчивости.
Свойство системы сохранять работоспособность и надежность при установленной системе ремонтов вплоть до состояния, при котором дальнейшая эксплуатация становится невозможной или опасной, а ремонт и восстановление экономически нецелесообразным, называется долговечностью.
Долговечность материала фундамента в основном зависит от интенсивности протекания процессов разрушения бетона под влиянием агрессивных сред при контакте с грунтом или технологическими растворами. Мерой долговечности является период времени до наступления предельного состояния сооружения (физический отказ) либо время полезного функционирования последнего (моральный отказ).
При физическом отказе, зависящем от степени естественного износа, возникает необходимость усиления системы основание — фундамент или ее дополнительной защиты от агрессивных или динамических воздействий.
При наступлении морального отказа система основание — фундамент не пригодна для дальнейшей эксплуатации вследствие невозможности ее использования в первоначальном виде в условиях технического перевооружения и переоснащения производства. В этом случае требуется переустройство или реконструкция .системы для получения новых ее качеств. Для обеспечения большей эффективности следует как можно полнее использовать элементы старой системы.
20
21
глава 2. НАТУРНЫЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ И ИХ ОСНОВАНИЙ
2.1. Особенности обследования
Целью обследования оснований и фундаментов является выявление; их фактического состояния. В состав работ по обследованию входят: oc-i видетельствование существующих оснований и фундаментов с фикси-j рованием их состояния, основных размеров, имеющихся нарушений и де-< фектов; изучение инженерно-геологических и гидрогеологических условий с учетом проводимой реконструкции или усиления; организация и про--ведение наблюдений за деформациями конструкций и осадками фунда-, ментов. Характер и объем натурных обследований, включающих провей дение комплекса инженерно-геологических и инструментальных работу определяются конкретными задачами.
В зависимости от цели обследования необходимо установить: фактические размеры фундаментов (глубину заложения, размеры подошвы, толщину стен и сечений, наличие отверстий и проемов); свойства материалов и состояние конструкций (материал и его проектная марка, наличие коррозии, повреждений и др.); конструктивные схемы фундаментов и сопряжения фундаментов со стенами, ростверками и другими конструкциями; состояние основания под фундаментами, а также коммуникаций и дренажных систем.
При капитальном ремонте зданий и сооружений без увеличения нагрузок инженерно-геологические работы обычно не проводятся или проходятся только контрольные шурфы (обычно два-три), которые располагают в наиболее характерных участках. Во всех остальных случаях необходимы детальные обследования оснований и фундаментов, лабораторные и полевые исследования, которые осуществляются при проходке контрольных и разведочных выработок (шурфов, шурфов-скважин и буровых скважин), а также зондировании грунтов.
Для определения качества фундамента мелкого заложения (материала, конструкции, степени сохранности), состояния ограждающих подземных конструкций, вида и состояния грунтов основания проходятся контрольные шурфы на глубину до 0,5 м ниже отметки подошвы фундамента. Обследования свайных фундаментов или фундаментов с повышенной глубиной заложения, а также их оснований осуществляют путем проходки шурфов-скважин (дудок).
Разведочные выработки, помимо указанных выше целей, проходят дня детального изучения физико-механических свойств основания и гидрогеологических условий ниже подошвы фундаментов. Глубина разведочных выработок (шурфов-скважин, скважин) устанавливается в пределах глубины сжимаемой толщи и ниже ее на 2—3 м.
Освидетельствование грунтов и фундаментов по глубине следует вести с интервалом 0,25—0,5 м. Расположение контрольных и разведочных выработок, а также точек зондирования определяется детальным обследованием каждого фундамента и его основания на наиболее нагруженных и ненагруженных участках. При этом учитываются выявившиеся деформации здания или сооружения (прогиб, выгиб, крен, перекос, скручивание) и устанавливается необходимость детализации грунтовых условий в местах деформаций. Общее число разведочных выработок и точек зондирования зависит от сложности геологического строения и степени изу
ченности площадки, а также размеров здания и сооружения [2, с.3—6; 4, с.81-82; 23, с. 112].
Размеры шурфов и шурфов-скважин в плане определяются условиями производства работ, способом отбора монолитов грунта, возможностью проведения осмотра и обмера фундаментов. Диаметр буровых скважин устанавливают в зависимости от применяемого метода полевого исследования прочностных и деформационных характеристик и способа отбора проб грунта для лабораторных исследований. Выбор способа зондирования (статическое, динамическое) зависит от вида исследуемых грунтов и их влажности, возможностей размещения зондировочных (также и буровых) установок внутри или вне обследуемого здания или сооружения.
С целью большей детализации геологических и гидрогеологических условий разведочные скважины бурят и за пределами обследуемого объекта. Скважины в этом случае размещают так же, как и при изысканиях под объекты нового строительства.
Инженерно-геологическому обследованию оснований и фундаментов предшествует детальное изучение имеющихся проектных и архивных материалов по геологическим и гидрогеологическим исследованиям, производившимся на данной площадке или на соседних участках, планировке и благоустройству площадки, геологическому строению и физико-геологическим явлениям, состоянию существующих зданий и сооружений, наличию грунтовых вод и их агрессивности, условиям заложения фундаментов и других подземных коммуникаций.
При обследовании фундаментов машин с динамическими нагрузками и их оснований дополнительно устанавливают как параметры колебаний фундамента, так и уровень вибраций пола и грунтового основания. Последнее необходимо для решения вопросов, которые связаны с обеспечением требований санитарных норм, а также нормальных условий эксплуатации соседних фундаментов под технологическое оборудование, чувствительное к вибрациям, и примыкающих фундаментов несущих конструкций. Дополнительные требования к обследованию фундаментов машин с динамическими нагрузками приведены в гл.8.
До начала работ по обследованию оснований и фундаментов должно быть получено в установленном порядке от соответствующих организаций разрешение на проходку контрольных шурфов, разведочных выработок и зондирование. При выполнении земляных работ, особенно в стесненных условиях, необходимо соблюдать правила техники безопасности. После завершения этих работ выработки должны быть тщательно засыпаны грун том с уплотнением.
Если в период производства обследования обнаружатся недопустимые деформации надземных конструкций, вызванные неравномерными и прогрессирующими осадками фундаментов, то работы должны быть прекращены, немедленно приняты меры по усилению деформируемых конструкций и вызваны представители проектной организации.
Программа, объем и методы обследования намечаются в зависимости от целей обследования, характера здания (сооружения) и его состояния. Но материалам обследования необходимо принять наиболее целесообразный в каждом конкретном случае вариант. В одном случае достаточным может явиться усиление фундамента, в другом — упрочнение основания, в третьем — их сочетание. Возможны случаи, когда ограничиваются усилением только надземной части. Выбор наиболее правильного решения зависит от полноты материалов и качества обследования.
22
23
В результате проведенного обследования составляется техническое заключение, которое должно содержать [23, с.116]: техническое задание; перечень технических документов, использованных при составлении заключения; перечень выполненных при обследовании работ; описание подлежащего реконструкции (усилению, надстройке) здания или сооружения; геоморфологическую, геолого-литологическую и гидрогеологическую характеристику участка; описание оснований, фундаментов, несущих стен и колонн; результаты (анализы) лабораторных и полевых испытаний фундаментов, грунтов основания и грунтовых вод; данные по обследованию перекрытий; статические расчеты отдельных несущих конструкций и оснований. В техническом заключении приводятся выводы по проведенному инженерно-геологическому обследованию и даются соответствующие рекомендации по усилению оснований и фундаментов с учетом применения передовых методов производства работ.
На основе изложенного рекомендуется следующий порядок выполнения проектно-нзыскательских работ при усилении фундаментов или упрочнении оснований.
1. Обследование сооружения и предварительное заключение о причинах деформаций или об источнике, вызывающем необходимость усиления фундаментов. Такое обследование позволяет сделать первоначальные выводы о причинах, вызывающих необходимость усиления фундаментов, и составить подробную программу выполнения инженерно-геологических изысканий.
2. Геодезические наблюдения за осадками сооружения и окружающей его поверхностью земли. Наблюдения должны производиться до предварительного обследования и после него.
3. Инженерно-геологические изыскания на стадии технического проекта. В них должны быть сведения о форме и размерах существующих фундаментов, о литологическом строении грунтов основания до плотных несущих слоев (но не менее, чем на глубину сжимаемой толщи), об основных физико-механических характеристиках грунтов и о динамике грунтовых вод.
4. Анализ деформаций сооружения и комплекса вызвавших их причин. На основе полученных данных обследования, наблюдения за осадками и инженерно-геологических изысканий устанавливается весь комплекс причин, вызывающих деформации фундаментов, и решается вопрос о возможных путях усиления фундаментов.
5. Разработка и технико-экономическое сравнение вариантов усиления (технический проект реконструкции фундаментов). Схематически разрабатываются варианты усиления фундаментов или укрепления оснований, осуществимые в технологическом отношении на данном объекте. На основании технико-экономического сравнения выбирается наиболее оптимальный вариант (после обсуждения со строительными организациями-исполнителями). Затем разрабатывается подробная программа инженерно-геологических изысканий для проектирования по выбранному варианту.
6. Инженерно-геологические изыскания на стадии рабочих чертежей. Выполняется полный комплекс инженерно-геологических изысканий в соответствии с действующими нормами для проектирования фундаментов конкретного вида (свайных или на естественном основании) или укрепления оснований.
7. Испытания конструкций. Производятся в случае применения для усиления специальных конструкций — свай (забивных, буронабивных,
буроинъекционных, залавливаемых и т.д.), подпорных сооружений, анкеров и пр.
8. Разработка рабочих чертежей усиления фундаментов или укрепления оснований.
Указанный порядок выполнения проектно-изыскательских работ, естественно, может меняться или сокращаться в зависимости от вида сооружения, фундаменты которого требуют усиления. При разработке проекта в одну стадию (технорабочий проект или рабочие чертежи) отдельные пункты выполнения проектно-изыскательских работ могут объединяться.
Строительные работы по усилению и реконструкции фундаментов В соответствии с выданным проектом ДЬлжны вестись при постоянном авторском надзоре и с выполнением геодезических наблюдений за поведением конструкций в процессе производства работ. В случае каких-то отклонений от намеченного хода стабилизации деформаций своевременно должны вноситься коррективы в проект и в порядок выполнения строительных работ. Геодезические наблюдения за поведением сооружения должны продолжаться и в процессе его эксплуатации после выполнения усиления фундаментов.
2.2. Наблюдения за осадками оснований и деформациями зданий и сооружений
Наблюдения за осадками и деформациями являются специальным видом геодезических работ, входящих в состав инженерно-геодезических изысканий. При организации этих наблюдений решаются следующие задачи: сбор материала, необходимого для разработки проекта реконструкции или усиления зданий и сооружений (в частном случае для усиления и реконструкции фундаментов и их оснований); оценка надежности реализованных проектов с целью совершенствования опыта проектирования по усилению и реконструкции. Наблюдения выполняются по специально согласованной с проектной или научйо-исследовательской организацией программе, в которой отражены состав, объем и сроки проведения работ. После завершения работ составляется отчет по установленной форме.
Наблюдения с целью сбора материалов для разработки проекта реконструкции или усиления имеют следующие особенности.
1. Наблюдения выполняются в условиях площадки со сформировавшимся рельефом и застройкой. Это позволяет на протяжении многих циклов наблюдений сохранять первоначальные структуры нивелирных и теодолитных ходов, достигая максимальной точности измерений. Кроме того, в таких условиях отмечается наибольшая сохранность деформационных знаков.
2. На период наблюдений, как правило, основная часть деформаций завершается, поэтому для оценки скорости их протекания необходима максимальная точность наблюдений; при этом сроки проведения работ ограничены.
3. Организация наблюдений часто начинается не с момента начала нозведения сооружения, поэтому суммарные значения деформаций могут быть установлены лишь путем сравнения фактического положения здания или сооружения с проектным.
4. Сроки проведения работ не зависят от состояния сооружения и определяются в основном сроками проведения изысканий. Продолжитель-
24
25
ность наблюдений составляет 3—6 мес, а число циклов должно быть не менее трех.
В проекте реконструкции или усиления следует предусматривать устройство ие менее двух грунтовых реперов и закладку осадочных марок как на самом объекте проектирования, так и на прилегающих зданиях и сооружениях. Первый цикл наблюдений проводится до начала ; работ по усилению и реконструкции, затем наблюдения продолжаются । по мере возрастания нагрузок и в послестроительный период до условной стабилизации осадок. Геодезические работы должны выполняться в соответствии с [24, с.15—16].
При организации наблюдений необходимо иметь в виду, что во время проведения строительных работ возможно повреждение части высотной наблюдательной сети. Кроме того, при изменении поверхности планировки часть осадочных марок окажется труднодоступной, в рез^ль-. тате чего понизится точность определения их положения. Поэтому необходимо предусматривать в характерных местах дублирование марок, располагая их на разных уровнях. Следует также иметь в виду, что при увеличении нагрузок на фундаменты может возникнуть опасность потери устойчивости основания с образованием валов выпирания. Задача наблюдений — своевременно установить начало этого процесса, для чего на поверхности грунтового основания в пятне застройки и за его пределами закрепляются поверхностные марки.
Наиболее распространенным способом наблюдений за осадками фун-j даментов и их грунтовых оснований в настоящее время является способ; геометрического нивелирования [25]. Для осуществления наблюдений! по этому способу строится локальная геодезическая сеть, которая отлич чается от государственной охватом меньшей территории и обычно с ней не связывается. Помимо существующих методик измерений, определенных классами нивелирования [26, сЗ-7], могут разрабатываться специальные методики, обеспечивающие заданную точность результатов при минимуме затрат труда и средств [27, с.5—15]. При разработке или назначении методики измерений обычно решается чисто геодезическая задача — определение отметок (положения) специальных осадочных марок относительно некоторого неподвижного репера и как следствие — опре-, деление разности этих отметок для различных циклов наблюдений. Между тем конечная цель измерений — установление значений деформаций сооружения и основания. Наиболее оптимальной в условиях реконструкции и усиления фундаментов может явиться методика безрепериого нивелирования.
Предлагаемая к широкому применению система безрепериого нивелирования не вносит принципиальных изменений в сам процесс производства геодезических работ и не требует каких-то специальных инструментов и приспособлений. Эффективность ее использования состоит в рациональной организации измерений применительно к поставленной задаче — определении конкретных деформаций оснований и сооружений. Основной принцип методики безрепериого нивелирования заключается в отказе от единой высотной шкалы, закрепленной неподвижным репером, и рассмотрении упорядоченной системы превышений отдельных осадочных знаков, в число которых может входить и неподвижны!?репер.
При анализе деформированного состояния фундаментов и их оснований в ряде случаев необходимы лишь значения относительных вертикальных перемещений осадочных знаков. Относительные вертикальные
26
Рис.2.1. Схема определения относительных перемещений на примере рамного фундамента турбоагрегата
а — общий вид; б — план; I, 2, 3, .... N — осадочные марки; f — линия относительных прогибов фундамента по оси A; - превышение i-й марки над J-U; - перемещение i-й марки над J-й за период Л t
перемещение могут быть определены путем сравнения соответствующих превышений, измеренных в различные моменты времени t.
Последовательность превышений отдельных осадочных марок (реперов) , расположенных вдоль заданного контура, будем записывать в виде столбца чисел и называть вектором превышений. При этом контур должен определенным образом охватывать исследуемую область основания или сооружения. Оптимальное направление вектора превышений (плановое положение контура нивелирования) следует предусматривать программой наблюдений из расчета получения максимальной точности величины деформаций. Вектор превышений запишем в виде
в*-Цг
Цк h21
h4 "Nt
(2.1)
Понятие вектор в данном случае использовано по следующим соображениям: во-первых, последовательность превышений задает конкретное направление измерений в системе марок; во-вторых, вектор перемещений для заданного промежутка времени определяется как разность векторов превышений соответствующих моментов времени и вычисляется по правилам векторной алгебры (рис.2.1), т.е.
V = у 1 _ ^2
И ij и '
(2.2)
Положительному направлению элементов вектора перемещений соответствует направление вниз, если t2 > Ц.
Для вектора превышений может быть получена более определенная оценка точности, чем для высотной координаты (отметки), поскольку ошибка последней зависит от положения репера и пути нивелирования. Кроме того, на значениях вектора превышений в меньшей степени сказываются систематические ошибки, чем на значениях отметок.
Математическое ожидание вектора превышений характеризуется средним арифметическим из значений измеренных превышений. Доверительный интервал отклонения от среднего арифметического выражается через среднюю квадратическую ошибку Му в виде
5hy = ±tp[n-l]My,
(2.3)
27
здесь tp [п ~ 1 ] , - значение коэффициента Стьюдента для вероятности р при
числе измерений П ; М - - — показатель, определяемый по формуле:
lJ ,
Му=<XD?j/n(n-l) , (2.4)
где D---отклонение от среднего арифметического отдельного измерения.
Доверительный интервал возможных отклонений для перемещений за время t2 - Ц можно найти по формуле
6 = V(5hJ ) 2 + ) 2, (2.5)
и таким образом установить однозначную оценку измеряемых деформаций при условии, что плановое положение осадочных марок является точным.
Методика безреперного нивелирования, помимо однозначной оценки точности, характеризуется простотой обработки результатов измерений, поскольку отпадает необходимость вычисления отметок. Анализ характера деформаций может выполняться непосредственно в процессе наблюдений и служить в качестве дополнительного критерия ошибок.
Название ’’методика безреперного нивелирования” не означает отсутствия глубинного репера, высотное положение которого неизменно. Термин следует понимать как отсутствие конкретного репера, от которого производится отсчет высотного положения. Вектор превышений может включать один или несколько глубинных реперов, окончательное решение об устойчивости положения которых может быть сделано в результате соответствующего анализа. В ряде случаев можно вообще отказаться от устройства глубинных реперов, заменяя их достаточным числом поверхностных марок и марок, закрепленных на сооружениях с малыми нагрузками на основание, и учитывая, что будет выполнен анализ устойчивости всей системы.
Преимущество методики безреперного наблюдения за деформациями реконструированного сооружения можно показать на следующем примере. Рамные фундаменты турбоагрегатов мощностью 300 000 кВт на Трипольской ГРЭС в результате чрезмерных деформаций песчаного основания потребовали реконструкции. Нижние элементы всех фундаментов были объединены 'сплошной железобетонной плитой толщиной 2,5 м. Частичному усилению подверглось также верхнее строение фундамента, расположенное на высоте 10 м от подошвы. После реконструкции проводились систематические геодезические наблюдения за вертикальными смещениями фундамента.
Глубинные реперы располагались на значительном удалении от осадочных марок как в плане, так и по высоте. Нормативная средняя квадратическая ошибка определения осадки для наблюдений Т класса составляет ±1,0 мм. В связи со значительным удалением реперов фактическая ошибка определения осадок марок по отношению к глубинным реперам превышала нормативную. Поскольку при наблюдениях за деформациями рамного фундамента турбоагрегата наибольший интерес представляет взаимное смещение жестких рам, было принято решение использовать методику безреперного нивелирования, которая обеспечивала требуемую точность.
Измерения проводились по программе нивелирований I класса, т.е. каждое превышение измерялось 4-кратно. Статистическая обработка ре-28
Рис.2.2. Приспособления для наблюдений за осанками а - универсальная марка; б — узел опирания подвесной рейки
зультатов измерений показала, что доверительные интервалы деформации крена оказались в пределах 0,05—0,18 мм/м. С учетом нормативной ошибки измерения осадок ( ± 1,0 мм) рассчитанный доверительный интервал деформации крена составлял ±0,76 мм/м. Среднее значение_ измеряемой деформации крена, как показали наблюдения, изменялось’ в пределах 0,1—0,9 мм/м. Результаты анализа точности наблюдений по методике безреперного нивелирования позволили заключить, что кривые развития крена описывают реологические процессы в основании и не являются ошибками измерений.
При проведении наблюдений особое внимание следует уделять качеству геодезических инструментов. Необходимо тщательно выверять нивелир, угол 1 должен иметь минимальное (до 5*) значение [26, с.3—7], поскольку в реальных условиях наблюдений обеспечить равенство плеч нивелирования, не увеличивая существенно объема работ, удается в редких случаях. Максимальная составляющая погрешности (до 5—10 мм) определения превышения возникает обычно в результате наклона рейки. Поэтому рейки обязательно должны быть снабжены уровнями. Если по условиям производства наблюдений воспользоваться уровнем не удается, то положение рейки следует корректировать по сетке нитей нивелира или визуально, а также использовать подпятник, центр оградительного кольца которого совпадает с осью делений инварной полосы.
Существенно влияют на качество наблюдений конструкция и расположение осадочных марок. В литературе [25, с.81—88] описаны различные конструкции осадочных марок, которые имеют свои особенности в зависимости от назначения. Не останавливаясь на их описании, приведем конструкцию осадочной марки (рис.2.2, а), рекомендуемой к применению при геодезических наблюдениях за осадками как строящихся, так и эксплуатируемых сооружений. Рекомендуемая конструкция марки отличается высокой степенью универсальности и сравнительной простотой изготовления и установки. Эта .марка может быть также использована совместно с подвесной рейкой специальной конструкции, которая
29
изготовляется из стандартньЕ. штриховых или шашечных реек длиной 1—1,5 м путем добавления в верхней части специального узла (рис.2.2, б). Марка легко забивается в асфальт и деревянные строения, что позволяет использовать ее как точку в нивелирном ходе.
В задачу специальных геодезических работ могут входить также наблюдения за кренами высоких сооружений. При организации наблюдений необходимо различать крен фундамента и крен самого сооружения (надфундаментного строения). В известных пределах отмеченные виды деформаций являются независимыми, поэтому при проведении наблюдений целесообразно предусматривать выполнение независимых измерений.
Систематическое приращение крена сооружения обусловлено приращением крена фундамента. Поэтому для прогноза устойчивости реконструируемого или усиливаемого фундамента в первую очередь необходимо знать скорость крена фундамента, которая может быть установлена путем высокоточного нивелирования. Крен надфундаментного строения может быть измерен следующими способами [25, с.81—88].
1. Способы проецирования с использованием теодолитов. Для этого на цоколе сооружения (прямоугольного в плане) располагают линейку, на которую проецируют при двух положениях круга теодолита контурные точки верха и низа сооружения. Разность отсчетов проекции верха и низа, отнесенная к высоте сооружения, дает величину крена. Измерения выполняют по двум взаимно перпендикулярным направлениям и затем вычисляют результирующую крена.
2. Способом координирования, который заключается в том, что на местности закрепляете^ базис из двух опорных точек и по отношению к нему определяется плановое положение верха и низа сооружения. Величина горизонтальной проекции отрезка вертикальной оси между верхней и нижней точкой сооружения, отнесенная к разности высот этих точек, дает величину крена. Этим способом удобно цользоваться в стесненных условиях, когда часть сооружения находится за пределами прямой видимости. Для определения положения скрытой части сооружения необходимо прокладывать полигонометрический ход от пунктов базиса.
3. Различными механическими способами, например с помощью кли-нонометров или отвесов.
В том случае, когда необходимо определить искривление сооружения, то его по высоте условно разбивают на несколько частей и определяют крен каждой части одним из перечисленных способов. Искривление сооружения обычно характеризует его деформации в момент строительства и позволяет оценить приращение крена в послестроительный период.
Для практического использования можно рекомендовать новый вариант способа проецирования, который отличается сравнительной простотой и высокой точностью (рис.2.3). Предлагаемая методика была использована при определении положения дымовых труб высотой от 45 до 120 м. Существо методики заключается в том, что проецирование выполняется не на натуральную шкалу, расположенную в плоскости сооружения, -а на условную, масштаб которой изменяется в зависимости от расстояния до сооружения и требуемой точности. В качестве такой шкалы может использоваться рулетка или шашечная рейка, располагаемые между инструментом и сооружением (см. рис.2.3, а). Отклонение горизонтальной проекции центра верха сооружения от соответствующей проекции центра его низа вычисляется в долях проекции D', натуральное
30
Рис.2.3. Схема определения крена высоких сооружений по заданному направлению (а) и результирующего креиа (б) 1 - вертикальная ось; 2 — фактическое положение оси сооружения
выражение которой D определяется затем непосредственным измерением. Из пропорции определяется значение А.
Вычисленное отклонение А, отнесенное к разности высот проецируемых центров верха и низа сооружения, дает величину крена сооружения ij (см. рис.2.3, 6) по направлению, перпендикулярному оси визирования при установке инструмента на точке I. Затем выбирается несколько новых мест установки инструмента (77 и 7/7) и определяются значения кренов по соответствующим направлениям (i2 и ij, см. рис.2.3, б).
Результирующий крен определяется как градиент наклонов. Для этого из концов отрезков, изображающих крены по заданным направлениям (см. рис.2.3, б), восстанавливаются перпендикуляры до взаимного пересечения. Поскольку значения кренов по направлениям не являются точными и содержат случайные ошибки, то восстановленные перпендикуляры пересекутся не в одной, а в нескольких точках, образуя некоторую фигуру. Центр этой фигуры покажет среднее значение и направление результирующего крена i. Отклонение вершин фигуры от центра определит ошибку измерения.
Требуемая точность определения крена зависит от типа сооружения и устанавливается в следующих пределах [25, с.81—88]: гражданские здания и сооружения — 0,0001L, дымовые трубы, мачты вооружений связи, ЛЭП - 0.0005L, фундаменты под машины и агрегаты — 0,00001L, где L — высота здания или сооружения.
Составным элементом специальных геодезических работ является организация наблюдений за трещинами. Эти наблюдения имеют две основные цели: выяснить распространение зон деформаций, в результате чего установить их эпицентр; изучить характер развития повреждений во времени.
Значительное смещение одной части здания или сооружения относительно другой его части сопровождается разрывными деформациями' —
31
Рис.2.4. Конструкция маяков
а — в форме восьмерки; б - со стеклянной пластинкой; в — с перехлестывающими пластинами
трещинами. Появление трещин и их состояние фиксируют с тем, чтобы, во-первых, установить факт их дальнейшего раскрытия, во-вторых, измерить скорость их раскрытия. Для этих целей используют соответственно маяки и щелемеры. Обнаруженные трещины отмечают на плане и фасадах сооружения с указанием величины их раскрытия на момент наблюдения.
Маяк (рис .2.4, д) представляет собой алебастровую плитку, чаще всего в форме восьмерки, толщиной не более 10 мм в средней части. Плитка крепится к обоим краям трещины на поверхности, очищенной от штукатурки. Маяки располагают в местах наибольшего раскрытия трещин с обязательным указанием даты их установки. В средней части — шейке маяка часто устанавливают стеклянную пластинку (рис.2.4, б). Разрыв шейки маяка свидетельствует о нарастающем развитии трещины. Описанная конструкция маяка может дополняться различными элементами, с помощью которых измеряется ширина раскрытия трещины. Например, в шейке могут закрепляться две перехлестывающиеся пластины (металлические, стеклянные, пластмассовые, деревянные) с нанесенными рисками для фиксации перемещений (рис.2.4, в). Маяк конструкции Белякова содержит с каждой стороны от трещины по пять металлических шпилек с острым концом, выступающим из плоскости маяка на 1—2 мм. На такой маяк во время осмотра накладывают лист плотной бумаги и получают проколы в местах расположения шпилек. Дальнейшие измерения производят по фиксированным проколам с помощью масштабной линейки и циркуля.
Для определения ширины раскрытия трещины применяют отсчетный микроскоп МПБ-2. Микроскоп имеет шкалу, которая позволяет измерять щели размером до 6,5 мм с точностью до 0,05 мм. Наблюдения проводят в фиксированных местах, где перпендикулярно трещине находится тонкая риска, вдоль которой производятся замеры в различные периоды времени.
Практическое значение наблюдений за развитием трещин можно иллюстрировать следующим примером. Здание кинотеатра было запроектировано на ленточных фундаментах по грунтовой подушке, перекрывающей просадочные лессы. После устройства фундаментов геотехнический контроль установил, что грунтовая подушка не отвечает требованиям проекта. Было решено усилить фундаменты под колонны демонстрационного зала путем подводки буронабивных свай длиной 13 м. После постройки здания вследствие утечек из водонесущих коммуникаций в основании возникли просадки, в результате чего в стенах образовались трещины. Это потребовало произвести внеочередной ремонт, после которого здание эксплуатировалось еще 2 года. Затем просадки вновь активизировались; раскрылись старые и появились новые трещины шириной раскрытия в нижней части здания 2—3 мм и в верхней — 2—8 мм. Основ-
32
Рис.2.5. Схема распространения трещин в здании кинотеатра 1 - суглинок; Е=б МПа; 2 - лесс
ные трещины были сконцентрированы вблизи элементов усиления (рис.2.5).
Анализируя характер развития трещин по высоте здания, а также их положение, можно заключить, что здание в целом получило деформацию выгиба, обусловленную осадками ленточных фундаментов на просадочном основании. Устройство свайного фундамента при усилении части здания усугубило неравномерный характер осадок по всему зданию и способствовало (в сочетании с грунтовой подушкой низкого качества) развитию деформаций.
2.3. Дополнительные инженерно-геологические изыскания
Задачей дополнительных инженерно-геологических изысканий, проводимых в основании усиливаемых и реконструируемых фундаментов, является выявление фактических геологических и гидрогеологических условий и их соответствие ранее принятым, а также определение физических и механических свойств грунтов природного сложения на отметке подошвы фундаментов и по глубине сжимаемой толщи. На основе изысканий устанавливается возможность использования обследуемого основания или выявляется необходимость его упрочнения. При решении указанных выше задач наиболее эффективны методы зондирования и испытаний грунтов в скважинах.
Зондирование применяют как в качестве самостоятельного метода исследований, так и в комплексе с другими методами для оценки прочностных и деформатиьных характеристик грунтов. При зондировании имеется возможность выявить однородность сложения грунтов в результате различного их сопротивления внедрению зонда по глубине и в плане, оценить плотность песчаных и консистенцию глинистых грунтов, уточнить литологический разрез, произвести корреляционную оценку механических свойств и относительной просадочности, определить несущую способность свай. Порядок проведения испытаний, применяемое оборудование и способы обработки результатов зондирования регламентированы соответствующими нормативными документами [28].
33
2-291
Статическое зондирование, которое получило наибольшее применение, осуществляется путем непрерывного вдавливания в грунт со скоростью около 0,5 м/мин стандартного зонда диаметром 36 мм, имеющего наконечник такого же диаметра (Г = 10 см2) в виде конуса с углом при вершине 60°. По результатам испытания определяется удельное сопротивление грунта конуса зонда и сопротивление грунта по боковой поверхности зоцда рв или на участке длиной 310 мм, непосредственно примыкающем к конусу Рр.. По значению Pq. (Ю^Па), согласно работе [28], определяются ориентировочные значения нормативного угла внутреннего трения песков и нормативного модуля деформации £(105 Па), который вычисляется соответственно для песчаных и глинистых грунтов по формулам
£ = 3q и £ = 7q- (2.6)
Статическое зондирование позволяет также определять прочностные характеристики глинистых грунтов на основе установленных корреляционных связей _р^ с параметрами си У [29, с.110—111 ].
Для статического зондирования -применяются серийно выпускаемые в нашей стране станции пенетрационного каротажа (СПК) конструкции института ВСЕГИНГЕО, установки института Фундаментпроект С-979, СП-59 и СП-72, смонтированные соответственно на полуприцепе, на базе колесного трактора Т-16М и на базе автомобиля ЗИЛ-157, а также установка НИИпромстроя С-832М на базе шасси автомобиля ЗИЛ-131. Особенностью установки С-832М является возможность раздельной автоматической записи на диаграммных лентах показаний лобового и бокового Pf сопротивлений грунта. Эта установка также снабжена специальным стабилизирующим устройством, позволяющим, кроме показаний в процессе непрерывного погружения зонда, получать дополнительную информацию о сопротивлении грунта при равновесном состоянии зонда, когда усилия, вдавливающие зоцд, уравновешиваются сопротивлением грунта и скорость погружения зонда стремится к нулю. В этом случае скорость погружения зоцда может быть приближена к скорости осадок реальных зданий и сооружений, а снимаемые при таком методе зондирования показания носят название стабилизированных.
Статическое зондирование для оценки просадочных свойств оснований базируется на установлении степени снижения прочностных свойств грунта от замачивания К3. Методика НИИ оснований и подземных сооружений [30; 31, с.27] предусматривает использование зоцда специальной конструкции, который при раздельном фиксировании лобового и бокового сопротивлений обеспечивает возможность пропуска воды для замачивания. При этом значение К3 устанавливается по отношению замеренных в одной и той же точке зондирования значений сопротивления конуса зонда при природной влажности грунта и грунта в водонасыщенном состоянии. Относительная просадочность определяется по корреляционной зависимости =£ (К3), которая аппроксимируется линейными уравнениями, достаточно близкими для различных районов страны.
При статическом зоццировании по методике НИИпромстроя [32, с.24—27; 31—33] без проведения предварительного замачивания можно установить как склонность грунта к просадке, так и величину относительной просадочности. При отношении X стабилизированных показаний сопротивления зонда по боковой поверхности fCT к соответствующим показаниям при непрерывном погружении ty, большим 0,7, грунты обладают просадочными свойствами. Между величинами X и с^пр выяв-34
лена достаточно тесная корреляционная связь линейного характера. Исследованиями НИИпромстроя также установлена линейная корреляционная связь К 3 = f ((f-np ) В этом случае К3 характеризует отношение лобовых сопротивлений грунта естественной влажности и предварительно замоченного через дренажную скважину, т.е. по результатам зондирования в двух точках.
Статическое зондирование в стесненных условиях может осуществляться переносной портативной залавливающей установкой, входящей в комплекс приборов полевой лаборатории ПЛГ конструкции ПНИИИСа Госстроя СССР и Калининского политехнического института.
Оценка грунтов на отметке подошвы фундаментов и на некоторой глубине может производиться также с помощью пенетрационных испытаний [31]. Для пенетрации используется наконечник — конус с углом при вершине 30° весом ЗН. За критерий оценки принимается удельное сопротивление пенетрации Рп, вычисляемое путем деления вертикального усилия вдавливания Р на квадрат глубины погружения конуса h2. Пене-трационные испытания рекомендуется проводить [31, с.25] для сравнительной оценки прочности глинистых грунтов. По данным В.Ф. Разоренова [33, с.67—74], пенетрационные испытания, совмещенные с испытаниями в приборах одноосного сжатия позволяют определять угол внутреннего трения У песчаных грунтов, а также удельное сцепление с и угол 93 глинистых грунтов.
Оценка просадочных свойств с помощью пенетрации производится путем зондирования как грунта естественной влажности, так и грунта, замоченного на глубину 15—20 см. Пенетрации в обоих случаях производится на глубину 10 см в 10 точках с определением среднего значения удельного сопротивления пенетрации. Последнее имеет корреляционную связь со значением относительной просадочности (Рпр [30].
Сжимаемость грунтов при полевых испытаниях определяют, как правило, в скважинах (штампом площадью 600 см2 и прессиометром), а при лабораторных — в компрессионных приборах, приборах трехосного сжатия и стабилометрах”.
Установка для испытаний в скважинах на глубине до 20 м (рис. 2,6,а) включает штамп 7, стойку из труб 2 диаметром 169—219 мм, помещенных внутри обсадной трубы 3 диаметром 325 мм, домкрат 4, упирающийся в балку 5, и две сваи 6. В процессе испытания необходимо поддерживать заданное значение давления на грунт, что достигается систематической подкачкой масла в домкрат либо применением электрических или пневматических компенсационных устройств. Показанная на рис.2.6, б канатно-рычажная установка КРУ-600 конструкции треста УралТИСИЗ обеспечивает поддержание заданной нагрузки в течение всего периода испытания. Установка имеет раму 7, которая опирается на балки 5, закрепленные на анкерных сваях 6. На раме располагается уравновешенный загрузочный рычаг 8 с соотношением плеч 1:30. Одно плечо рычага передает усилие на стойку 2 через канат, а второе, снабженное сегментом 9, предназначено для укладки тарированного груза массой до 150 кг. Осадки штампа обычно измеряют в двух диаметрально противоположных точках прогибоме-рами, которые устанавливают на брусьях реперной установки и приводят в движение стальной проволокой диаметром 03—0,5 мм.
При испытаниях глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции, а также песчаных грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод, применяют жесткий штамп со сплошной подошвой. Фильтрующий (перфорированный) штамп используют при испытании более мягких глинистых
35
Рис. 2.6. Схема установки для испытаний сжимаемости грунтов в скважинах-дудках а — штамп с анкерными сваями; б — канатно-рычажная установка КРУ-600
грунтов, залегающих выше уровня грунтовых вод. При испытании слабых грунтов, у которых возможно вспучивание дна при проходке скважины (глинистых текучей консистенции, песчаных, расположенных ниже уровня грунтовых вод), применяется специальный штамп, совмещенный с зачисти-телем. Штамп (см. рис.2.6, а) имеет раскрывающиеся лопасти для зачистки забоя путем вращения и емкость для складирования извлекаемого при зачистке забоя грунта. При установке штампа ниже уровня грунтовых вод в скважине постоянно поддерживается столб воды, превышающий на 1—2 м отметку уровня грунтовой воды.
Проходка скважины в устойчивых грунтах при отсутствии грунтовых вод допускается без крепления стенок обсадными трубами. В этом случае диаметр скважины принимается 298 или 325 мм. В неустойчивых грунтах диаметр скважины принимается 348 мм для обеспечения возможности установки в процессе бурения обсадных труб с наружным диаметром 325 мм. Участок скважины с глубины на 1—2 м выше отметки испытания проходят только вращательным бурением; последний участок углубляют на 2 см зачистителем.
Ступени давления при нагружении штампа принимаются с таким расчетом, чтобы общее число их в пределах линейного участка зависимости S = f(p) было не менее четырех-пяти, включая начальную ро и конечные Рк ступени. Ступени давления pj назначают равными 0,5-j-l • 105 Па в зависимости от вида, плотности и состояния по влажности испытываемого
36
Таблица 2.1. Экспериментальные значения
Генетические типы грунтов Значения т при коэффициенте пористости
0,4 * В < 0,7 | 0,7 < е а 1 е >1
Аллювиальные 1,25 1,5 1,75
Делювиальные 1.9 2,0 2,1
Элювиальные, в том числе 1,2 1,4 1,6
для пород: 1,55 1,9
интрузивных 1,25
эффузивных 1,0 1,15 1,3
метаморфизованных 1,3 1,45, 1,6
грунта; для слабых водонасыщенных грунтов эти ступени составляют 0,5-5-0,25 • 105 Па.
По полученной экспериментальной зависимости между удельным давлением на грунт р и осадками S штампа диаметром d вычисляют модуль деформации грунта, используя формулу Ф. Шлейхера
Е = 0,79 (1 - д2) (Ар/AS), (2.7)
где д - коэффициент Пуассона (0,3 — для песков и супесей, 0,35 - для суглинков и 0,42 — для глин); Л р и Л S — соответственно приращение давления и осадка в пределах прямолинейного участка зависимости S - f (р ), который ограничен с одной стороны начальным давлением р0, с другой - конечным
Начальное давление р0 соответствует полному обмятию неровностей, возникающих при зачистке поверхности грунта и притирке штампа, и принимается не менее 0,5 • 10$ Па или бытового давления на отметке испытания. Конечная ступень давления рк соответствует давлению, последующее увеличение которого на одну ступень вызывает не менее чем двойное увеличение осадки по сравнению с ее увеличением на предыдущей ступени.
Методика подготовки, проведения и обработки результатов штамповых испытаний приведена в ГОСТ 12374—77, а также в работах [29, 34] И др.
Как известно, в качестве эталона при оценке сжимаемости грунта признаны результаты испытаний штампами площадью 5000 см2, которые одновременно являются базовыми при оценке существующих методов определения осадок. Поэтому переход от значений модулей деформации, полученных при испытании штампом площадью 600 см2, к эталонному модулю, полученному при испытании штампом площадью 5000 см2, может осуществляться путем введения повышающих коэффициентов т, установленных В.М. Чижевским на основе статистической обработки результатов сопоставимых штампами указанных размеров. В первом приближении для устранения систематической ошибки глубинных штамповых испытаний значения £бОО> рассчитанные по формуле (2.7), следует умножать на корректирующий коэффициент m (табл. 2.1).
Снижение модуля деформации при глубинных испытаниях можно объяснить влиянием не столько заглубления штампа, сколько его размеров, погрешностей испытаний в скважинах (сложность зачистки забоя, возможное нарушение структуры грунтов грунтовыми водами, влияние горизонтального давления грунта и др.), а также сопутствующим влиянием собственного веса массива.
Следует отметить принципиальную возможность определения по штамповому испытанию параметров сдвига с и <? . В этом случае должны быть 37
Рис.2.8. Результаты обработки прессиометрическо-го опыта
1 - зависимость Ad — f (р) при нагруже-
нии; 2 - то же, при разгрузке; 3 — круги Мора;
4 - зависимость Т = f( Р)
Рис. 2.7. Схема прессиометра ПЭВ-89 а — общий вид; б - разрезная обсадная труба
установлены значения критического давления рк, соответствующего резкому переходу линейной части графика S = f (р) в криволинейную, и значения предельного давления рп, характеризующего исчерпание несущей способности основания. Такой метод, детально рассмотренный в работе [34, с. 16—19], основан на использовании формулы Н.П. Пузыревского для критического (начального краевого) давления и формулы (28) СНиП 11-15-74 для предельного давления.
Испытания сжимаемости грунтов с помощью прессиометра заключаются в обжатии участка скважины горизонтальным равномерным радиальным давлением и измерении образующихся при этом перемещений грунта. Для испытаний используют прессиометры гидравлического, механического или воздушно-электрического типа.
Прессиометр ПЭВ-89 конструкции Уральского политехнического института включает в себя (рис. 2.7, а) рабочую камеру 1 в эластичной оболочке 2, соединительные шланги 4, устройства для создания давления (насос, баллон) и измерения перемещений грунта. Радиальные перемещения фиксируются бесконтактными датчиками линейных перемещений индукционного типа 3, объединенных в единый блок, который подключен к блоку регистрации 6 как одно индукционное сопротивление. Прессиометр опускается с помощью троса 5 на заданную глубину.
Начальная ступень давления рн внутри камеры прессиометра назначается с учетом жесткости эластичной оболочки, которая заранее тарируется, и положения уровня грунтовых вод. Значения последующих ступеней нагрузки и их число назначают по аналогии с их назначением при штамповых испытаниях в скважине. Порядок проведения испытаний и обработки результатов приведен в ГОСТ 20276—74 и подробно освещен в работе [34, с.41—46].
38
При испытании слабых оплывающих грунтов рабочую камеру помещают в специальную обсадную трубу с гибким участком, которая закрепляет опытный участок скважины и имеет 8—12 сквозных прорезей вдоль образующей на участке длиной 800 мм. Жесткость трубы учитывается при назначении внутреннего давления р в прессиометре на основе предварительной тарировки. С применением обсадной разрезной трубы осуществляют также испытания просадочных грунтов с замачиванием. Методика испытаний слабых грунтов, в том числе просадочных с замачиванием, подробно освещена в работе [34, с.60—62].
При обработке результатов прессиометрического опыта строят график ’’давление на грунт р — изменение диаметра скважины Ad” (рис. 2.8), используя значения р и Ad, соответствующие состоянию условной стабилизации деформаций. Значение Ad (см) определяют как разность диаметра скважины при данной ступени давления р (вычисленного с учетом потерь давления на расширение оболочки и гибкого участка) и начального диаметра do при давлении р0 = $ Н, где £ —коэффициент бокового давления, равный д / (1 —д); & — плотность грунта и Я —
глубина испытания.
Модуль деформации вычисляют по формуле:
(2.9)
E = K<1q (Др/Ad), (2.8)
где К — корректирующий коэффициент, изменяющийся по ГОСТ 20276—74 от 3 до 1,2 в зависимости от глубины испытания и вида грунта; d, Ар , Ad - параметры прессиометрического опыта (см. рис.2.,8).
Прочностные характеристики си V определяются по линейно огибающей нескольких кругов Мора (см. рис.2.8). Радиус каждого круга Мора Rj вычисляется для двух смежных точек (i, i + 1) нелинейной части (при р > рк) графика Ad = f (р) по формуле:
R-=m------,
, Adi+1 Adj
где m — коэффициент, учитывающий влияние физической анизотропии; р - обозначения на рис.2.8.
Для вычисления Rj берутся смежные ступени нагрузки на пресоиомет-рических кривых, характеризующихся плавным и прогрессирующим нарастанием деформаций. За максимальное напряжение df принимается полусумма давлений pi и Pc+i > за минимальное d£ = 6, — 2Rj. Описанный способ определения параметров си по результатам прессиометрического испытания детально рассмотрен в работе [34, с.43—46].
При необходимости испытаний сжимаемости слабых водонасыщеи-ных грунтов, в которых проходка скважин путем бурения затруднена, могут применяться специальные залавливаемые прессиометры: зонд-прессиометр конструкции Уральского политехнического института [34, с.59—60] и лопастной механический прессиометр конструкции ПНИИИСа Госстроя СССР (ГОСТ 21719-80).
Сопротивление сдвигу грунта при испытаниях в скважине определяют с помощью установок, сочетающих преимущества метода прямого среза при заданном давлении и метода прессиометрии. Сущность этого способа заключается в срезе при заданном нормальном давлении грунтового цилиндра, образующегося вокруг рабочего органа прессиометра.
39
Названный способ реализован в установках поступательного (ПС-89) и вращательного (ВС-108) > среза в конструкции Уральского политехнического института [34, с.49—53] и в прессиометре-сдвигомере конструкции ПНИИИС Госстроя СССР, созданного на базе лопастного прессиомет-ра (ГОСТ 21719-80).
Принцип работы прессиометров, предназначенных для раздельного определения параметров сдвига си Ч>, рассмотрим на примере установки ПС-89 (рис.2.9). Рабочий орган срезыватель, включающий в себя рабочую камеру с эластичной оболочкой 1 и жесткие выдвижные продольные элементы 2 с лопастями, связан с упорно-вытяжным домкратом 6 тросом 7, а с устройством для создания давления — шлангом 4. Потенциометрические датчики 3 проводами, размещенными внутри шланга 4, соединены с измерителем перемещений 5. Элементы 2 возвращаются в исходное положение усилием эластичных обойм 8, закрепляющих набор продольных элементов вокруг эластичней оболочки 1 таким образом, чтобы обеспечить условия образования цилиндрического среза без ’’зубцов” даже при максимальном расширении рабочего органа. Проходка верхнего участка скважины (на 0,5 м выше отметки испытания) производится любым способом с креплением стен в неустойчивых грунтах обсадными трубами, а опытного участка скважины — вращательным бурением.
Испытание заключается в проведении трех опытов на срез при существенно различных значениях нормального давления на грунт 6i < &z< б3 по кольцевой поверхности среза, наружный диаметр которой определяется положением внедренных в грунт под давлением лопастей. Каждый опыт на срез проводится на различных горизонтах с перестановкой прибора в пределах слоя однородного грунта, либо на одном горизонте методом повторных сдвигов. Методика проведения и обработки результатов испытания детально рассмотрена в работе [34, с. 49—53].
Удельное сопротивление сдвигу при заданном на поверхности среза давлении б^ для каждого опыта рассчитывается по формуле
Tj = 0,95 Q^/тт 6Н, (2.10)
где 0,95 — коэффициент, учитывающий сопротивление грунта перед лидирующей лопастью; — максимальное сдвигающее усилие; О. — диаметр рабочего органа; Н — высота срезывателя.
Параметры сдвига си У определяются непосредственно по графику т - f (с? ), рассчитываются методом наименьших квадратов.
Сопротивление сдвигу глинистых грунтов может определяться также с использованием установки косого среза конструкции Уральского политехнического института. Установка (рис. 2.10) включает ручной винтовой пресс 1 с динамометром 2 и комплект из трех-четырех клиновых обойм 3 площадью 50—100 см2, каждая из которых располагается в момент испытания на тележке 4. Обоймы имеют различные углы наклона щелевой прорези к плоскости поперечного сечения. Величина щелевого зазора S = 5^-10 мм при испытании регулируется с двух сторон штоками 5, пропущенными через направляющие втулки и закрепляемыми винтами. При отборе проб грунта на низ обойм надевается режущее кольцо 6. Высота h испытываемых проб ненарушенного сложения, отобранных грунтоносом из скважины или непосредственно из шурфа и соответствующих высоте обойм, выбирается в зависимости от угла щелевой прорези а.
При а, равном 60; 50; 40 и 30° высота h назначается равной соответственно 2,6; 2,1; 1,7 и 1,5 d, где d — диаметр обоймы.
40
во Ю/ч
Рис. 2.10. Схема установки косого среза в клиновой обойме
а - общий вид; б - клиновая обойма
Рис. 2.9. Схема установки поступательного среза
ПС-89
Методика подготовки и проведения испытаний на установке косого среза подробно рассмотрена в работах [33, с.52—56; 34, с.32—33] • Обработка результатов заключается в определении значений нормального 6^ и касательного напряжений по каждой наклонной площадке в момент среза, т.е.
п i = Pj cos ар Tj = pj/2 sin 2a^, (2.11)
где — предельное вертикальное давление.
Лабораторные испытания сжимаемости в компрессионных и прочности в сдвиговых приборах проводятся по общепринятым методикам. Следует иметь в виду, что компрессионные испытания содержат систематическую ошибку в определении модуля деформации Ек по отношению к эталонному штамповому модулю £ш. Причинами расхождений значений Еш и Ек являются как несовершенство лабораторного испытания, так и различия в условиях работы грунта при штамповом и компрессионном испытаниях. Поэтому для сооружений II—1У классов надежности значения Ек, определенные при компрессионных испытаниях песчаных и глинистых грунтов, должны корректироваться до эталонных значений Еш путем умножения на коэффициент шк >1 [31, с.46-47]. Исследования также показывают, что и стабилометрические испытания дают заниженные значения модуля деформации Ес, которые должны умножаться на коэффициент mc > 1. Для
41
приближенной оценки значения тк и П1с могут определяться [33, C.132-134J по формулам:
m "2,72/е; m =4,9е2 - 11,7е + 8,4, (2.12)
да f - коэффициент пористости грунта природных сложений и влажности.
2.4. Методы оценки состояния фундаментов
Натурные обследования состояния фундаментов производятся путем визуального и инструментального наблюдения, а также лабораторных испытаний материалов, взятых из конструкций, которые находились в эксплуатации.
Шурф, предназначенный для обследования фундамента и основания, разрабатывается в плане в виде прямоугольника, большая сторона (1,5—3 м) которого должна примыкать к фундаменту.
Размеры шурфа должны обеспечить свободную работу в нем людей. При проходке шурфа геологическое описание производится по его стенке, противолежащей фундаменту, где грунт обычно не нагружен. Со стороны, прилежащей к фундаменту, пробы грунта отбираются с разных горизонтов для определения загрязненности его агрессивными продуктами. Одновременно производится отбор проб грунтовой воды, если она окажется в шурфе. Отобранные пробы грунта (массой не менее 0,5 кг) до лабораторного химического анализа хранятся в стеклянных запарафинированных банках, а пробы воды — в стеклянных сосудах с притертыми пробками.
Прочность материала фундаментов [2, с.14—20; 4; с.89—91] определяется неразрушающими методами (акустическим, радиометрическим, магнитометрическим и др.)' или приборами механического действия (шариковым молотком Физделя, эталонным молотком Кашкарова, пистолетом ЦНИИСКа и др.). При сплошном обследовании фундаментов, стен подвалов и подземных сооружений применяют ультразвуковой метод [2, с.106—108; 3]. Ширина раскрытия трещин на поверхности фиксируется отсчетным микроскопом МИР-2.
Неразрушающие методы проверки позволяют произвести более точные измерения прочности материала фундаментов, а также обнаружить скрытые в них дефекты без снижения прочности конструкций. При акустическом методе, основанном на возбуждении упругих механических колебаний и регистрации условий их распространения в исследуемом материале, применяют ультразвуковые приборы УКБ-1, ДУК-20, УК-10П, УФ-90ПЦ и др. Радиометрические измерения интенсивности прохождения гамма-лучей в исследуемом материале и сравнения ее с интенсивностью в эталонных образцах осуществляют портативным переносным гамма-плотномером СГП. При магнитометрическом методе, основанном на возникновении магнитной анизотропии под действием приложенных напряжений, с помощью приборов ИТП-1 и ИПА определяют толщину защитного слоя в железобетонных фундаментах и расположение в них арматуры.
Механические методы контроля прочности позволяют произвести оценку только поверхностного слоя бетонных и железобетонных фундаментов. Эти методы менее точны, по сравнению с неразрушающими, поскольку прочность поверхности фундамента лишь приближенно может характеризовать прочность его в массиве.
Пробы материалов подземных конструкций в агрессивных средах подвергаются полному химическому анализу для определения процент
42
ного содержания окислов, ионов SO4” С1“ влажности, водородного показателя pH и др. Качественный и количественный состав продуктов коррозии устанавливается методами петрографического и электронноструктурного анализа в лабораторных условиях.
При обследовании свайных фундаментов определяют состояние свай, шаг и сечение свай, надежность заделки их в ростверк.
Наблюдения за уровнем грунтовых вод и их химическим составом следует проводить через сеть смотровых скважин для своевременного выявления утечки технологических растворов. Контрольные скважины должны быть оборудованы обсадными перфорированными трубами. При появлении воды в подвальных помещениях необходимо проверить состояние коммуникаций и качество гидроизоляции.
При обследовании конструкций фундаментов также выявляется коррозионное разрушение арматуры и закладных деталей. Характерным разрушением является уменьшение рабочего сечения арматуры или закладных деталей в результате перехода наружных слоев металла в продукты коррозии. Состояние арматуры устанавливается при удалении защитного слоя бетона. Обнажение арматуры происходит преимущественно в местах наибольшей подверженности ее коррозии, что выявляется по отслоению защитного слоя бетона, образованию в нем трещин и ржавых пятен. Сечение арматуры замеряется в месте ее наибольшего ослабления коррозией. При равномерной коррозии глубину поражений определяют измерением толщины слоя ржавчины, при язвенной — измерением глубины отдельных язв.
Фундаменты, выполненные из ненапряженного железобетона, площадь поперечного сечения арматуры в которых уменьшилась в результате коррозии на 10% и более, должны быть усилены. Фундаменты с анкерными болтами заменяются или усиливаются в тех случаях, когда уменьшение поперечного сечения болта, работающего на растяжение на участке без резьбы, превышает 20%, а болта, работающего на сжатие — 30%.
Для определения степени коррозионного разрушения бетона (степени карбонизации, состава новообразований, структурных нарушений бетона) используют современные физико-химические методы. Исследование новообразований, возникших в бетоне под воздействием агрессивной среды, производится на отобранных из фундамента образцах с помощью дифференциально-термического, рентгено-структурного, электронно-микроскопического и химического методов. Глубину карбонизации бетона устанавливают по изменению величины pH.
Структурные изменения в бетоне определяют с помощью микроскопического метода, который позволяет: детально изучить поверхность, выявить наличие крупных пор, размер и направление трещин и взаимное расположение и характер сцепления цементного камня и зерен заполнителя, состояние контакта между бетоном и арматурой.
Оценка состояния железобетонных фундаментов производится по десятибалльной системе. При этой оценке обращается внимание на наличие высолов, мокрых и масляных пятен, трещин, отколов защитного слоя бетона, следов ржавчины на поверхности бетона, а также на характер сцепления арматуры с бетоном, выпучивание стержней арматуры, глубину коррозии, структуру бетона, степень разрушения закладных деталей и защитных покрытий.
43
2.Б. Оценка основания в условиях действия длительной нагрузки
Грунты основания существующих фундаментов под влиянием длительных нагрузок от сооружения уплотняются и их несущая способность возрастает. Этот факт, имеющий большое значение при принятии решения об усилении фундаментов, впервые был установлен и подтвержден практикой реконструкции и надстройки жилых зданий в Москве и Ленинграде еще в 30—40-х годах [4; 12; 13].
Нормы проектирования 40—50-х годов НиТУ 6-48 и НиТУ 127-55 разрешали увеличивать давление на основание под фундаментами зданий и сооружений при их реконструкции на 40% в зависимости от влажности грунта и состояния конструкций по результатам обследования. Ранее действовавший СНиП 11-Б.1-62 также допускал возможность повышения давления под существующими фундаментами на 20% в случае достаточной их прочности и отсутствия в здании значительных деформаций, связанных с неравномерной осадкой.
В действующем СНиП П-15-74 возможность увеличения давления на основания под существующими фундаментами устанавливается путем определения физико-механических свойств грунта непосредственно на отметке заложения подошвы и ниже ее в пределах сжимаемой толщи.
Фактическое среднее давление на основание, испытавшее воздействие длительной уплотняющей нагрузки от сооружения, не должно превосходить нового расчетного давления R', которое вычисляется по формуле
, mt nv> . .
R - 1Г-----------(ЛЪ + Bh 3- п + De и — 3ijho ), (2.13)
*н
Где и т^— коэффициенты условий работы соответственно грунтового основания и здания или сооружения во взаимодействии с основанием; Ан = 1 коэффициент надежности; А, В и J) — безразмерные коэффициенты, зависящие от расчетного угла внутреннего трения грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента; fn и УII ~~ расчетные значения плотности грунта, залегающего соответственно выше и ниже подошвы фундамента; Cjj— расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента; Ъ и h — ширина подошвы и глубина заложения усиливаемого фундамента; ho— глубина до пола подвала (при его отсутствии Ь^О).
Таким образом, новое расчетное давление на основание Rz учитывает как фактическое состояние уплотненного длительной нагрузки грунта, так и новые геометрические параметры усиливаемого фундамента.
Рассмотрим количественную оценку уплотнения грунта длительной нагрузкой в основании фундаментов эксплуатируемых зданий. По имеющимся немногочисленным исследованиям [4, с.58—61; 35], изменение пористости грунта, связанное с его уплотнением, происходит неравномерно по глубине в пределах сжимаемой толщи. Наибольшее уплотнение отмечено в зоне глубиной (0,5—1) б; за пределами подошвы уплотнение распространяется также в стороны от обреза фундамента на расстояние (0,7—1,2) х [4, с.59—600]. В целом коэффициент пористости в зависимости от действующего давления и размеров подошвы фундамента уменьшается от 3—5 до 10—15% по сравнению с первоначальными значениями. При этом в песчаных грунтах коэффициент пористости, а следовательно, и уплотнение уменьшаются более интенсивно.
Уплотнение грунтового основания приводит к существенному возрастанию модуля деформации, при этом повышение модуля деформации
44
Таблица 2.2. Значения модуля деформации
Грунт Толщина слоя, м Модуль деформации Е, 10$ Па, определенный
У.1978 г. XI. 1978 г. УТ. 1979 г. УТ. 1980 г.
Песок Суглинок в твердом-состоянии 0,5-1 1-1,5 - - 150-170 65-90 200 75-120
Супесь и суглинок в 1-4 55 — 60 70
твердом состоянии То же, в пластичном 1-4 15 18 45 —
состоянии Супесь водонасыщенная: в верхней части слоя До 10 50 60-65 70-75 80
в нижней части слоя То же 40 45 50-60 —
Суглинок в твердом До 12 140 140-150 140-170 —
состоянии
происходит более интенсивно, чем уменьшение пористости. Осадки штампов на песчаном грунте, находившемся под длительным загруженном, в зависимости от передаваемого на штамп давления в 2—4 раза меньше, чем на грунте природного сложения. В указанных пределах происходит увеличение модуля деформации, при этом интенсивность возрастания модуля и его абсолютные значения в мелких песках больше, чем в крупных. Это увеличение связано с физико-химическими процессами, протекающими на контактах твердой фазы грунта [4, с.67—68; 35].
Представляют интерес данные непосредственных определений модуля деформации (табл. 2.2) песчаных и глинистых грунтов в условиях длительного действия нагрузки от веса грунтовой насыпи (распределительная подушка высотой 6—12 м). Модуль деформации определялся на глубине 15—25 м прессиометром ПЭВ-89 и зондом-прессиометром ПВ-60 для всех характерных литологических разновидностей грунтов, подстилающих насыпь. Испытания проводились Днепропетровским инженерностроительным институтом совместно с Уральским политехническим институтом; проведение испытаний и обработка данных осуществлялись в соответствии с ГОСТ 20276-74.
Как следует из табл. 2.2, изменение модуля деформации отмечено на глубину до 20 м во всех подстилающих насыпь горизонтах грунтов. В верхней части (3—6 м) возрастание модуля деформации происходит более интенсивно, в особенности для песков и супесей. С увеличением глубины залегания подстилающих грунтов возрастание модуля деформации менее ощутимо, что связано с затуханием напряжений от дополнительной нагрузки и тормозящим влиянием собственного веса грунта (бытового давления). Различие в интенсивности уплотнения супесей и суглинков как в верхних, так и в нижних горизонтах, по-видимому, связано с влиянием удельного сцепления, оказывающего сопротивление уплотнению.
45
глава з. УКРЕПЛЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ
3.1. Осушение и дренаж оснований
При эксплуатации зданий и сооружений часто возникает необходимость в осушении оснований или предотвращении их обводнения. Указанное во многом связано с прогрессирующим подъемом грунтовых вод на застроенных территориях. Осушение и дренаж оснований применяются >
самостоятельно или в комплексе с активными способами защиты от деформаций (усиление фундаментов, замена или укрепление надземных , конструкций и др.).
При решении вопросов защиты оснований от воздействия грунтовых вод обычно осуществляют мероприятия, которые условно можно разбить на три группы, каждая из которых проводится с определенной целью.
Первая группа имеет цель полностью прекратить доступ воды на застроенную территорию. В этом случае устраивают нагорные канавы и кюветы, водоперехватывающие и отводящие лотки, дренажные траншеи или засыпки с отводящими дренажными трубами, противофильтрационные завесы и др. Сюда же относятся мероприятия по отводу поверхностных вод, осуществляемому путем вертикальной планировки и устройства ливневой канализации.
Вторая группа водозащитных мероприятий предназначается для отвода поступающей на территорию воды от построенных на ней сооружений. В этом случае устраивают окольцовывающие (кольцевые) дренажи в виде траншей с уложенными в них дренами, заполненных дренажным материалом, дренажные завесы с самотечным отводом воды или с принудительной откачкой, сеть откачных скважин, локальные противофильтрационные завесы и т.п.
Третья группа рассматриваемых мероприятий осуществляется для понижения уровня грунтовых вод под сооружением. В этом случае устраивают пластовый дренаж с активной откачкой, водопонизительные (поглощающие или откачные) скважины, лучевой дренаж и пр.
Сеть водоотводящих канав и лотков должна обеспечить перехват воды со своего водосборного бассейна, размеры которого, а также приток воды с каждой единицы площади определяются в процессе инженерногеологических изысканий. Лотки и водоотводящие канавы проектируются в виде сетки, оконтуривающей здание или группу зданий и сооружений, под которыми при усилении или реконструкции их фундаментов и заглубленных помещений требуется осушение грунтов. Расчет сечения канав и лотков производится по максимальному притоку воды [36, с.9— 14], их конструкцию принимают из действующих типовых проектов. Грунтовые воды отводятся в ливневую канализацию, а при ее отсутствии — поверхностным способом (по лоткам) в ближайший водоем или пониженную часть по рельефу незастроенной территории.
При близком расположении водоносного слоя к проектному уровню понижения грунтовых вод устраивается горизонтальный дренаж в виде открытых канав, лотков, беструбных траншейных дрен, трубчатых дрен, дренажных штреков, штолен и горизонтальных скважин. Горизонтальный дренаж выполняют однолинейным, двухлинейным и кольцевым, а также комбинированным, если он сочетается с устройством вертикальных дрен. При необходимости равномерного осушения грунтов применяют систематический дренаж, который состоит из дрен-осушителей
46
и дрен-коллекторов, отводящих воду в водоприемник. Для осушения небольших площадок по их контуру устраивают кольцевой дренаж.
Пластовый дренаж представляет собой сплошной слой дренажного материала с углублениями — колодцами для откачки воды. Его устраивают обычно для защиты оснований вновь строящихся зданий (сооружений) до начала возведения их фундаментов или параллельно с ним. Устройство пластового дренажа под существующими зданиями сопряжено со значительными трудностями. Если этот способ является единственно возможным, то пластовый дренаж следует устраивать путем нарезки узких траншей под сооружением с постепенной заменой водонасыщенного слоя грунта, прилегающего к защищаемым от воды конструкциям, дренажным материалом. При реконструкции эксплуатируемых зданий и сооружений не рекомендуется применять пластовый дренаж ввиду сложности его устройства.
При устройстве трубчатых горизонтальных дренажей используют керамические или асбестоцементные трубы, а при глубине заложения дрен свыше 4,5 м — бетонные и железобетонные. Их укладывают в траншеи на слой щебеночной подготовки и обсыпают сначала гравием, а затем песком (по принципу обратного фильтра) и закрывают сверху хорошо уплотненным грунтом. Грунтовые воды поступают в трубы через стыковые зазоры в 10—20 мм, открытые в верхней части на две трети внутреннего диаметра по высоте (нижняя треть заделывается просмоленной паклей), или специально устраиваемые круглые или щелевые водоприемные отверстия.
Горизонтальные скважины устраивают путем забуривания их в осушаемый пласт или проходки из специальных колодцев (шахт) расходящихся скважин-лучей, в которых устанавливают фильтровальные трубы-дрены. Горизонтальные лучи могут выполняться значительной длины (до 50—100 м) поэтому водозахватная способность лучевых дренажей очень высока [37, с.146—153]. Их применение особенно эффективно для защиты от подтопления оснований существующих зданий и сооружений.
Для отвода воды от отдельных зданий и сооружений рекомендуется применение кольцевого дренажа и дренажных завес, расчет и устройство которых практически аналогичны расчету и устройству горизонтальных дренажей. Отличие заключается лишь в том, что кольцевые дренажи представляют собой всегда замкнутые, оконтуривающие конкретное здание траншеи с уложенными в них дренами и дренажной засыпкой. Дренажные же завесы представляют собой более глубокие горизонтальные дренажи, устраиваемые в траншеях аналогично противофильтрационным завесам, только вместо противофильтрационного материала в траншею укладывается дренажный материал. Через определенные участки дренажной завесы в траншее устраиваются откачные скважины, создающие поток грунтовых вод вдоль дренажной завесы и этим препятствующие поступлению их под здание.
Вертикальный дренаж применяют при относительно глубоком залегании уровня грунтовых вод, при необходимости резкого понижения его и при значительной мощности водоносного слоя. Понижение уровня грунтовых вод должно быть таким, чтобы кривая депрессии проходила на 0,5 м ниже требуемого уровня осушения грунтов основания. Вертикальный дренаж представляет собой ряд водопоглощающих колодцев или скважин, которые устраивают с принудительной откачкой или поглощающими (при наличии в нижней части скважины водовмещающих грунтов —
47
известняков, сухих песков и т.п.). Конструкции и методы расчета различных схем вертикального дренажа подробно описаны в работе [36, с.61-69].
Обычно в состав вертикального дренажа входят водопонижающие скважины, располагаемые по периметру осушаемой территории, общий водовод (коллектор), объединяющий скважины, центробежные насосы и отводящие лотки. Для осмотра скважин и контроля за их работой над каждой из них устраивают смотровые колодцы. При неглубоком залегании грунтовых вод и понижении их уровня не более чем на 5—6 м применяют одноярусное водопонижение. При больших глубинах грунтовых вод применяют многоярусное водопонижение или одноярусное с глубокими фильтрами и специальными глубинными насосами. Понижать уровень грунтовой воды можно также, спуская ее в нижерасположенный водоносный слой через поглощающие колодцы.
В случае поступления грунтовых вод на защищаемую территорию целесообразно устройство противофильтрационных завес, сооружаемых путем инъекции через скважины в грунт твердеющих растворов или заполнения узкой щели-траншеи противофильтрационным материалом: глиной, суглинком, грунтобетоном, тощим бетоном и др. [38].
Открытый водоотлив можно применять в условиях, исключающих нарушение природных свойств грунтов и обеспечивающих сохранность расположенных на осушаемом участке зданий и подземных сооружений, включая откосы земляных сооружений. Поступающая в специальные приямки (колодцы) или котлован вода отводится самотеком или с помощью насосов. В состав открытого водоотлива входят водосборники (зумпфы), насосные станции, сбросные скважины, водосборные и водоотводные канавы.
Электроосмотическое осушение, основанное на действии постоянного электрического тока на влажные глинистые грунты, успешно применяется для защиты от подтопления котлованов и подвальных помещений, а также для повышения устойчивости склонов. Эффективность электроосушения повышается при одновременном воздействии постоянного электрического тока и вакуумирования.
Способы осушения и устройства дренажа оснований описаны в нормативно-справочной [39, с.44—74; 40, с.15—28] и научно-технической литературе {36, 37]. Ниже рассмотрены способы осушения и устройства дренажа оснований для повышения несущей способности грунтов и обеспечения нормальных условий эксплуатации зданий и сооружений, находившихся в аварийном состоянии.
Примером эффективного применения систематического горизонтального дренажа для защиты от подтопления является его устройство в поселке Партизанский в Донбассе. Интенсивный подъем грунтовых вод, связанный с устройством водохранилища вблизи поселка, повышением уровня воды в протекающей рядом реке, а также усиленным поливом окружающих полей и другими факторами, привел к затоплению подвалов, деформациям зданий и гибели приусадебных участков. Обводненные грунты состояли из почвенно-растительного слоя, иловатых супесей и суглинков. Для понижения уровня воды на 2—2,5 м необходимо было устроить траншеи с дренами на глубине 3—5 м. Кроме горизонтального дренажа, была запроектирована разветвленная система поверхностного водоотвода.
Дренажные траншеи с дренами из керамических труб прокладывали по улицам поселка с таким расчетом, чтобы установившаяся меэеду со-
48
Рис.3.1. Фрагмент плана горизонтального дренажа в пос. Партизанский
1 — смотровые К-33—К-70 и псрепадные колодцы на трассах дрен; 2 — дрены; 3 — улицы поселка; 4 — направления уклонов дрен и коллектора; 5 — насосная станция;
6 — магистральная железная дорога; 7 — река; 8 — колодцы на трассе коллектора; 9 — собирательный коллектор
седними дренами депрессионная кривая обеспечивала понижение уровня грунтовых вод на требуемую величину. Дрены сводились в магистральный коллектор (рис.3.1), вода из которого с помощью насосных станций перекачивалась в реку. В отдельных местах, где это позволяли условия, вода из коллектора с помощью очередного смотрового колодца и отводящей трубы самотеком спускалась в реку. На трассах дрен и коллекторов устраивали обычные смотровые канализационные колодцы. Там, где требовалось резко изменить отметку дрены или коллектора, закладывали перепадные колодцы, которые изготовлялись из сборных (реже монолитных) железобетонных конструкций, как правило, по типовым проектам.
49
Рис. 3.2. Схема защиты от грунтовых Вод карьера Ингулецкого ГОКа
1 — противофильтрационная диафрагма; '2 — отвалы кварцита; 3 — борт карьера;
4 — существовавшая ранее депрессионная кривая; 5 — депрессионная кривая после устройства противофильтрационной диафрагмы
Примером длинной противофильтрационной диафрагмы может служить завеса, выполненная трестом Укргидроспецфундаментстрой по чертежам Укрспецстройпроекта для защиты от подтопления карьера Ингулецкого горнообогатительного комбината (рис.3.2). Грунтовые воды высачивались по бортам карьера, вызывая оплывины, создавая гидродинамическое давление на борт и снижая прочностные характеристики грунтов. Снижение устойчивости усугублялось пригрузкой бортов в верхней части отвалами кварцита.
Протяженность противофильтрационной завесы, которая прорезала все водопроницаемые слои (супесь, песок с включениями валунов, суглинок) и заглублялась в водоупор (глина), составляла 3500 м, глубина — до 26 м. Траншея для завесы шириной 600 мм устраивалась с помощью широкозахватного грейфера конструкции НИИСП и Укргидроспецфунда-ментстроя и барражной машины конструкции ВИОГЕМ. Траншея по мере разработки заполнялась глинистым раствором, предохранявшим ее стенки от обрушения. Затем в траншею с помощью специального шнекового питателя подавался суглинок из близко расположенного карьера, который после укладки образовывал противофильтрационный материал диафрагмы. Противофильтрационные свойства материала диафрагмы и параметры глинистого раствора определялись лабораторным путем. Фактические коэффициенты фильтрации сквозь изготовленную противофильт-рационную диафрагму устанавливались с помощью откачек из опытных замкнутых участков завесы. После изготовления противофильтрационной диафрагмы доступ воды в карьер практически прекратился.
Для успешной защиты от грунтовых вод могут служить дренажные засыпки за подпорными стенами. Такой способ был применен в Ереване при выполнении защиты от подтопления территории складской площади магазина и завода химических реактивов. Площадка представляла собой застроенную территорию с двумя складскими зданиями, конторой и гаражом. Территория складской площадки была незаасфальтирована и мес-50
Рис. 3.3. Деталь подпорной стены с застенным горизонтальным дренажом.
1 - подготовка из щебня, пролитого битумом, толщиной 100 мм; 2 - обратная засыпка из послойно уплотненной мятой глины общей толщиной не менее 1 000 мм;
3 — асбестоцементная труба диаметром 250 мм; 4, 5 — гравий крупностью соответственно 8-40 и 20—30 мм; 6 - песчаная засыпка; 7 - обратная засыпка; 8 - под-
порная стенка
тами заболочена, на территории имелись мелкие овраги и крутой склон, с которого дренировала вода, что создавало постоянную угрозу затопления площадки. Водовмещающими слоями являлись супесчано- и галечно-гравийные грунты, перекрытые сверху насыпными и суглинистыми грунтами и подстилаемые снизу мергелистыми глинами. Источником питания потока грунтовых вод, ориентированного в соответствии с уклоном площадки, являлся оросительный канал с выпускными канавами. Затопление площадки привело к снижению несущей способности основания, к появлению трещин в складских и административных зданиях и к нарушению устойчивости естественного склона, ограничивающего рассматриваемую территорию с южной стороны.
При проектировании способа осушения территории рассматривались варианты устройства противофильтрационной завесы, преграждающей путь движения грунтовых вод, и изготовления подпорных стен с застенным дренажом. Последний вариант был принят потому, что,во-первых, не было строительной организации, имевшей опыт устройства противофильтрационной завесы, а, во-вторых, прилегающий к площадке с юга естественный склон требовал укрепления.
Для крепления откосов в районе естественного склона были выполнены монолитные железобетонные подпорные стены (рис.33) из бетона марки МЗОО на сульфатостойком портландцементе. Подпорные стены, прорезая слои фильтрующих грунтов, заглублялись в мергелистые глины не менее чем на 1 м.
51
Конструкция пристенного дренажа состояла из асбестоцементных труб диаметром 250 мм со щелевидной насечкой на сульфатостойком портландцементе с послойной отсыпкой гравия средней крупности (8— 40 мм) и крупнозернистого песка (0,25—0,5 мм). Для отвода воды предусмотрен коллектор из чугунных труб диаметром 250 мм. Контроль за работой дренажной системы осуществлялся через смотровые колодцы диаметром 1 м из сборного железобетона. Обратная засыпка котлована со стороны дренажа осуществлена из местного гравелистого грунта, а с другой стороны подпорной стены — из местных грунтов разного вида. У зданий конторы и гаража, а также в местах близкого расположения существующих фундаментов к проектируемой стене и дренажу разработку траншеи для фундамента подпорной стены выполняли с креплением стенок.
Осуществленная система водопонижения и устройство подпорных стен оказались весьма эффективными — заболоченность территории исчезла полностью, деформации зданий прекратились, склон стабилизировался.
Примером успешного применения вертикального дренажа может служить его устройство для предотвращения дальнейшего подъема уровня грунтовых вод в основании административного здания в Херсоне. Здание было построено на ленточных фундаментах на лессовидных грунтах с про-садочностью II типа. В проекте были предусмотрены водозащитные мероприятия. Однако начавшийся подъем уровня грунтовых вод на всей прилегающей к зданию территории вызвал проявление просадки лессовидных грунтов и недопустимые деформации фундаментов и надземных конструкций. Все временные мероприятия (дополнительная водозащи-та, частичное отключение водопровода и канализации, ремонт разрушающихся конструкций и т.д.) не давали желаемого эффекта - деформации прогрессировали.
Укрспецстройпроектом было запроектировано усиление фундаментов путем подведения сплошной железобетонной плиты. Но учитывая, что расчетные деформации при водонасыщении грунтов превышали допустимые, а также в целях предотвращения затопления подвалов параллельно с усилением фундаментов была запроектирована система водопонижения для предотвращения дальнейшего подъема уровня грунтовых вод. При выборе способа водопонижения было рассмотрено шесть вариантов: горизонтальный кольцевой дренаж, систематический горизонтальный дренаж; пластовый дренаж, вертикальный дренаж с помощью вакуумных водопонизительных скважин, лучевой дренаж и вертикальный дренаж с помощью обычных откачных водопонизительных скважин. На основе технико-экономического сравнения вариантов и анализа возможностей местных строительных организаций предпочтение было отдано способу стабилизации уровня грунтовых вод с помощью вакуумных водопонизительных скважин. Скважины располагали по периметру административного здания (рис.3.4) и устраивали глубиной 11,5 м, исходя из расчетной величины понижения уровня грунтовых вод.
Дренажные скважины — колодцы диаметром 320 мм были оборудованы фильтровыми колоннами с фильтрующей обсыпкой из песчаной смеси. Оголовок скважин решен как колодец из сборных железобетонных колец. Вода из скважин поступала по трубопроводу в приемный резервуар насосной станции, представляющий собой колодец диаметром 1200 мм из металлических колец. Насосная станция была оборудована вакуум-насосами ВВН-3 для создания вакуума в системе и центробежными насосами 1ЭЦВ6-10—80 с погружными электродвигателями для откачки воды из приемного резервуара (управление насосами автомати-52
Рис.3.4. Схема вертикального дренажа у административного здания
1 - административное здание; 2 - дренажные колодцы-скважины; 3 - канализационная сеть; 4 — насосная станция и водосборный резервуар (диамет-метр 3, глубина 8 м); 5 — резервные и наблюдательные скважины; 6 - всасывающий трубопровод; ДК - дренажные колодцы
ческое). Дренажные воды отводились в существующую канализацию. На площадке было предусмотрено шесть наблюдательных скважин, уровень воды в которых определялся замерами от поверхности земли. Как показал опыт работы описанного вертикального дренажа, уровень воды в наблюдательных скважинах не поднимался выше расчетного, что подтвердило надежность выбранного способа водопонижения.
Водопонижение с помощью лучевого дренажа было успешно осуществлено на Днепропетровском шинном заводе. На стенах отдельных зданий, начиная с 1970 г., стали появляться трещины просадочного характера с шириной раскрытия от 50 до 200 мм. Как показали наблюдения и анализ местных условий, осадки фундаментов, достигавшие 40—100 мм, вызывались замачиванием лессовидных просадочных грунтов, на которых были построены промышленные корпуса завода.
В период изысканий под строительство завода (1956 г.) грунтовые воды до глубины 30—35 м не были обнаружены. К 1978 г. уровень грунтовых вод находился на глубине 5—7 м, т.е. за время экспуатации завода грунтовые воды поднялись на 25—30 м и этот подъем неуклонно продолжался. При замачивании грунтов сжимаемой толщи деформации фундаментов могли значительно возрасти, поэтому потребовалось срочно проектировать и выполнять мероприятия по снижению уровня грунтовых вод.
Применение вертикального или горизонтального дренажа в условиях действующих цехов оказалось невозможным из-за высокой плотности застройки, насыщенности оборудованием и наличия на промышленных площадках густой сети подземных коммуникаций. Поэтому для водопонижения был принят способ лучевого дренажа.
Для каждого здания была разработана своя система водопонижения. Например, для главного корпуса был запроектирован лучевой дренаж, включающий восемь шахтных железобетонных колодцев с горизонтальными лучевыми дренами длиной 40—90 м (из расчета перекрытия всей площадки под корпусом). Из каждого колодца расходилось четыре-пять лучей, перекрывающих влияние друг друга. Колодцы глубиной 14 м располагались снаружи по периметру здания.
Расчет системы лучевых дренажей производился путем последовательного вычисления общего дебита каждого колодца, дебита всей системы взаимодействующих дренажей, дебита каждого колодца с учетом их взаимодействия, притока, приходящегося на 1 м горизонтальной дрены для каждого дренажа, и понижения уровня грунтовых вод в произвольной точке пласта при работе лучевых дренажей. Вычисления выполнялись для нескольких контрольных и наиболее ответственных точек осушае-
53
Рис. 3.5. Схема лучевого дренажа для склада мазута
1 - помещения склада; 2 — вертикальный шахтный колодец; 3 - горизонтальные лучи-дрены
мой территории. Необходимый дренажный эффект достигался путем увеличения числа лучевых скважин, при достижении требуемого снижения уровней воды в заданных точках промышленной площадки расчеты завершались. При расчете использовалась программа для ЭЦВМ ”Наири-2” в соответствии с методикой, разработанной Белгородским институтом ВИОГЕМ.
Под отдельные небольшие сооружения возможно осуществление водопонижения системой лучей-дрен из одного колодца. Такая схема была принята, например, для водопонижения под складом мазута теплофикационной котельной (рис.3.5). Лучи-дрены проходили под заглубленными помещениями склада для снижения уровня грунтовых вод ниже фундаментов и осушения подвалов.
Лучевые дрены представляли собой каркасно-проволочные фильтры диаметром 135 мм из нержавеющей витой проволоки диаметром 2 мм с зазором между витками 3,5 мм. По витой проволоке сделано фильтрующее покрытие из четырех-пяти слоев нетканого стеклохолста марки ВВ1.
Стены шахтных колодцев выполнялись методом ’’стена в грунте” следующим образом. В разработанную широкозахватным грейфером под защитой глинистого раствора траншею опускались сборные железобетонные панели стен колодца, омоноличиваемые между собой. Затем внутри колодца грейфером разрабатывался грунт и устраивалось монолитное железобетонное днище колодца по дренажной засыпке и гидроизоляции. Горизонтальные лучевые скважины из колодца бурились с помощью станка УЛБ-130. Бурение выполнялось в обсадных трубах диаметром 150 мм, которые извлекались после установки в них фильтров.
При работе лучевого дренажа грунтовые воды, поступающие в лучевые дрены, систематически отродятся в водосборный приямок шахтного колодца, откуда периодически откачиваются насосами в ливневую канализацию.
3.2. Закрепление грунтов оснований
Для повышения прочности оснований эксплуатируемых зданий и сооружений и предотвращения развития в их конструкциях деформаций аварийного характера, а также для выполнения работ по реконструкции
54
существующих фундаментов и их оснований широко применяют различные методы закрепления. В зависимости от технологии закрепления и процессов, происходящих в грунте, методы закрепления оснований можно разделить на три основных вида: химическое, термическое и физико-химическое. Закрепление оснований не требует перерыва в эксплуатации зданий и сооружений, является достаточно быстрым, надежным, а в ряде случаев единственно возможным мероприятием по упрочнению грунтов с недостаточной несущей способностью.
Способами закрепления являются: силикатизация, электросиликатизация, газовая силикатизация, аммонизация, смолизация [39, с.234— 273; 40, с.29—38, 41, с.99-228; 42, с.29-254; 43, 47, 48, с.390^104] и др. Химическое закрепление используют также для усиления существующих фундаментов и подпорных стен, увеличения несущей способности свай, защиты фундаментов от агрессивных воздействий, а также для закрепления откосов котлованов и земляных сооружений.
Основным материалом для силикатизации является жидкое стекло — коллоидный раствор силиката натрия (Na2O* nSiO2 + П1Н2О). В зависимости от вида, состава и состояния закрепляемых грунтов применяется одно-и двухрастворная силикатизация
Однорастворная силикатизация основана на введении (инъецировании) в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов. Получили распространение силикатно-фосфорнокислые, силикатно-алюмо-сернокислые, силикатно-фтористосернокислые, сили-катно-фтористоводородные и другие составы. Однорастворный способ используется для закрепления лессовых просадочных и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5—5 м/сут.
Двухрастворный способ силикатизации применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации до 0,5 м/сут и заключается в поочередном нагнетании (инъецировании) в грунт двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции образуется гель кремниевой кислоты, придающей грунту в короткие сроки высокую прочность (до 2—6 МПа) и водонепроницаемость.
Электросиликатизация основана на сочетании двух методов воздействия на грунт — силикатизации и постоянного электрического тока и предназначена для закрепления переувлажненных мелкозернистых песков и супесей с коэффициентом фильтрации до 0,2 м/сут.
При газовой силикатизации в качестве отвердителя силиката натрия используют углекислый газ. Способ позволяет закреплять песчаные грунты (в том числе карбонатные) с коэффициентом фильтрации 0,1—0,2 м/сут и лессовые грунты, а также грунты с высоким (до 0,2) содержанием органических веществ. Прочность закрепленного грунта составляет 0,5— 2 МПа и достигается в кратчайшие сроки.
Аммонизация заключается в нагнетании в грунт под небольшим давлением газообразного аммиака. Способ применяют для придания лессовым грунтам свойства непросадочности.
Смолизация представляет собой закрепление песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5—5 м/сут и лессовых грунтов путем инъецирования в них водных растворов синтетических смол (карбамидных, фенольных, фурановых, эпоксидных и др.). Эффект смолизация возрастает при добавлении в закрепляющий раствор соляной кислоты (для песчаных грунтов или при предварительной обработке его углекислым газом (для лессовых грунтов). Время гелеобразования легко регулируется
55
количеством вводимого отвердителя. Закрепленному смолизацией грунту сообщается водонепроницаемость и прочность на сжатие до 1—5 МПа.
По характеру расположения инъекторов химическое закрепление может быть вертикальным, наклонным, горизонтальным и комбинированным (рис. 3.6, а, б, в и г соответственно). Схемы зон закрепления в плане устраивают ленточными, сплошными, прерывистыми, кольцевыми и фигурными (рис.3.7). Выбор способа и схем закрепления зависит в основном от характеристик основания, формы и размеров фундамента, действующих нагрузок.
В нашей стране и за рубежом уже накоплен большой опыт химического закрепления фундаментов существующих зданий. Так, способом однорастворной силикатизации были закреплены основания, в том числе из насыпных и просадочных грунтов, под фундаментами отдельных зданий Московского Кремля, театральных зданий в Москве. Ленинграде, Одессе, Куйбышеве, Запорожье, жилых и административных зданий в Москве, Ташкенте и Ростове-на-Дону, а также при строительстве метрополитена в Москве, Ленинграде, Харькове [46; 41, с.99—228]. С помощью двухрастворной силикатизации в Москве закреплены грунты под фундаментами концертного зала, кинотеатра и ряда жилых зданий. Одно-и двухрастворная электросиликатизация применена при закреплении обводненных лессовидных грунтов под фундаментами промышленного здания в Таганроге и ряда зданий в Ростове-на-Дону, плывунных грунтов при надстройке тремя этажами существующего трехэтажного здания в Ленинграде [45]. В ФРГ силикатизация используется при усилении фундаментов, связанных с прокладкой метро, реконструкцией промышленных и жилых зданий, сохранением памятников архитектуры [47]. В аналогичных целях закрепление силикатизацией широко применяется в Англии и Японии [48, с.390—404, 511—518], здесь же этот способ используется для закрепления откосов, оползневых склонов и создании противофиль-трационных завес.
Способом газовой силикатизации, разработанным и впервые примененным в нашей стране для закрепления грунтов, осуществлено усиление оснований под фундаментами жилых и промышленных зданий в Ногинске, Запорожье, Москве, Пярну и других городах, а также церкви Св. Лазаря в Московском Кремле.
В последние годы для усиления фундаментов существующих зданий и сооружений получил применение способ смолизации, основанный на использовании карбамидных смол и отвердителей — соляной и щавелевой кислот. С его помощью усилены фундаменты: в Москве — завода ’’Борец” и фабрики ’’Большевичка”, в Ленинграде — Театра оперы и балета им. Кирова, здания молококомбината, Малого зала филармонии и Московского вокзала, в Угличе — Воскресенского собора, в Орехово-Зуеве — завода ’’Карболит” и др. )41, с.'1О5]. Способом смолизации устроена подпорная стенка при сооружении опускных колодцев в непосредственной близости от фундаментов колонн в одном из пролетов цеха холодного проката на Ново-Липецком металлургическом комбинате [49, с.153; 44, с.122—132]. Смолизацией, осуществленной в горизонтальном направлении, выполнено закрепление основания фундаментов церкви, расположенной в Московском Кремле [42, с.196—200]. Инъекторы, которые размещались ниже фундаментов в четыре яруса с расстоянием между собой 0,7—1 м, задавливали в основание из двух технологических шахтных колодцев, расположенных по обе стороны здания. Способ смолизации может быть также использован для закрепления грунта в межсвай-
56
Рис. 3.6. Схема возможного расположения инъекторов при закреплении оснований фундаментов
1 - фундамент; 2 - инъектор; 3 - зона закрепления; 4 - сооружение; 5 - шахта
Рис. 3.7. Схема закрепления оснований существующих зданий
а - ленточная; б - сплошная; в - прерывистая (столбчатая); г - кольцевая
57
Рис. 3.8. Схема закрепления лессовых грунтов под ленточным фундаментом здания клуба
1 — закрепленные столбы грунт; 2 -фундамент; 3 — стены подвала; 4 — лессовидный суглинок
ном пространстве при необходимости усиления свайных фундаментов [32, с. 180; 45, с.10]. Закрепление грунтов смолизацией при усилении оснований и фундаментов, а также ликвидации течи в подземных поме- j щениях широко используют и за рубежом [47,48].
В качестве примера закрепления грунтов силикатизацией рассмотрим проектирование усиления основания здания клуба на 800 мест в г. Георгиевске Ставропольского края. Здание П-образной формы в плане построено на ленточных фундаментах шириной до 2 м и давлением по подошве 0,25—0,3 МПа. Основанием фундаментов являлись лессовидные суглинки, которые в условиях эксплуатации неоднократно замачивались, в результате чего в здании стали развиваться недопустимые деформации. При разработке проекта усиления Укрспецстройпроектом было рассмотрено несколько вариантов: уширение фундаментов с устранением просадочных свойств основания методом организованного замачивания, усиления фундаментов сваями и силикатизацией. При технико-зкономи-ческом сравнении за основной был принят вариант усиления основания силикатизацией.
Закрепление было выполнено способом однорастворной силикатизации на основе силиката натрия (плотность 1,3 г/см3) и кремнефтористоводородной кислоты повышенной концентрации (плотность 1,1 г/см3). Гелеобразующая смесь для указанных компонентов соединялась в соотношении 10:2,7, в результате чего получался силикатный раствор с плотностью 1,13—1,17 г/см3. Время гелеобразования составляло 18—20 мин.
Инъекторы для закачки силикатного раствора погружались с обеих сторон ленточных фундаментов (рис.3.8). Расстояние между инъекторами вдоль фундаментов определялось из условия взаимного перекрытия площади закрепления грунта от каждого инъектора. Радиус закрепления для лессовидных грунтов первоначально был принят 0,4 м. Затем он про-58
верялся с помощью изготовления опытного куста путем инъекции по четырем инъекторам и бурения скважин.
Силикатный раствор нагнетался снизу вверх с отметки 9 м в несколько приемов при глубине заходки, равной 1,5 м. Работы по силикатизации выполнялись захватками по. шесть скважин одновременно. На каждой захватке мотобуром Д-10 бурилась скважина диаметром 90 мм. Инъекто-ры в пробуренные скважины погружались с помощью отбойных молотков типа КЦМ-4, а извлекались гидравлическими домкратами грузоподъемностью 5—10 т. Закрепляющий раствор силиката натрия нагнетался насосом НС-3 под давлением 0,2—0,3 МПа, заходками снизу вверх одновременно в шесть скважин.
Как показали штамповые испытания, прочность закрепленного грунта составляла 1—1,4 МПа. Деформации здания были прекращены.
Термозакрепление (обжиг) применяется в основном при закреплении просадочных грунтов. В практике строительства используется предложенный И.М. Литвиновым термохимический способ, который основан на обработке грунтов продуктами горения жидкого или газообразного топлива, обогащенного при необходимости специальными химическими добавками. Топливо сжигают в герметически закрытых затворами скважинах, пробуренных (вертикально, наклонно или горизонтально) в толще закрепляемого грунта.
Термическое закрепление лессовых оснований при их усилении применено на ряде промышленных и жилищных объектов, которые вследствие неравномерных осадок фундаментов получили недопустимые деформации, в их числе фундаменты газовой турбины Запорожского масложиркомбината [41, с.ЗО], дымовой трубы высотой 85 м ТЭЦ Баглейского коксохимического завода, производственного корпуса завода металлоизделий и ряда жилых домов в г. Запорожье. Интересен опыт термического закрепления грунтов под 26 одиночными фундаментами склада клинкера и 4 фундаментами опор вращающихся печей цементного завода. Закрепление проводили из вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин, при этом вертикальные скважины проходили через бетон фундамента, наклонные — преимущественно со стороны его наружной части, горизонтальные — из специально разрабатываемых шурфов [41, с.372— 376]. Термическое закрепление суглинистых грунтов в откосах котлованов осуществлено на строительстве блока цехов Ворошиловградского трубопрокатного завода в связи с необходимостью устройства глубоких котлованов под оборудование в непосредственной близости от фундаментов колонн построенного ранее цеха [41, с.31 ].
Новым в термическом закреплении является применение так называемого электротермического способа обжига грунта, основанного на использовании нихромных электронагревателей. Благодаря изменению мощности теплоисточника по высоте скважины в результате применения погружных элементов можно регулировать форму и размеры образующихся при обжиге термогрунтовых тел с учетом неоднородности напластования грунтов [50].
К физико-химическим способам закрепления грунтов можно отнести цементацию, а также использование грунтоцементных материалов. Цементация грунта заключается в нагнетании в грунт через инъекторы цементного или цементно-песчаного раствора, который обеспечивает в закрепляемом основании создание отдельных столбов или массивов из цементированного грунта. Цементацию обычно применяют для закрепления песчаных и крупнообломочных грунтов, а также трещиноватых скальных пород.
59
Расположение инъекторов аналогично их расположению при химическом закреплении (см. рис.3.6 и 3.7).
В последнее время для укрепления оснований под существующими зданиями применяют специальные грунтоцементные сваи, которые устраивают без извлечения грунта на земную поверхность путем перемешивания его с вяжущим материалом в пробуриваемой скважине. В целях реализации указанного направления в НИЙ оснований и подземных сооружений разработана (В.Е. Соколович) и успешно опробована технология устройства илоцементных свай [42, с.21; 70]. Такие сваи могут применяться для закрепления слабых грунтов при возведении сооружений вблизи эксплуатируемых, создания противофильтрационных завес и ограждений котлованов, а также подземных конструкций в слабых грунтах. Ведется также разработка новой технологии (НИИ оснований и подземных сооружений, НИИСП, Госстроя УССР) устройства грунтоцементных свай в глинистых и песчаных грунтах пониженной прочности [42, с.11]. Существо технологии устройства илоцементных и грунтоцементных свай заключается в том, что рабочий орган буровой штанги, снабженный как основными (режуще-уплотняющими), так и дополнительными (перемешивающими) лопастями, вращаясь, погружается в грунт, который рыхлит и одновременно перемешивает с подаваемым через полый корпус штанги закрепляемым материалом (обычно суспензией). При.извле-чении рабочего органа, осуществляемом обратным вращением, смесь грунта с цементом дополнительно перемешивается и уплотняется задними гранями основных лопастей.
Представляет интерес применяемый в Японии способ укрепления оснований путем устройства грунтоцементных свай [48, с.493—495] - Способ основан на разрушении грунта с помощью гидравлических струй высокого давления при применении гидромонитора специальной конструкции, который обеспечивает раздельную подачу воды, воздуха и цементного раствора. Кроме водяных струй, могут использоваться струи из цементной суспензии. В этом случае необходимость в подаче воздуха отпадает и конструкция гидромонитора упрощается [51 ].
3.3. Повышение прочности основания
Усиление основания может быть обеспечено глубинным уплотнением грунта механическими способами — устройством грунтовых свай (песчаных и грунтоизвестковых) и включением в основание жестких элементов (например, свай). Особенность применения извести для глубинного уплотнения слабых водонасыщенных грунтов, в том числе обводненных лессовых, заключается в трехкратном увеличении объема извести при ее гашении в скважине. Развивающееся при этом давление существенно уплотняет стенки скважины.
Глубинное уплотнение оснований фундаментов существующих зданий в основном выполняется путем устройства наклонных скважин. До последнего времени такие скважины устраивались применением различных буровых снарядов, когда разбуренный грунт извлекается из скважины или путем пробивки специальными сердечниками. Однако указанные способы несовершенны, особенно при проходке наклонных скважин. При применении буровых снарядов снижается степень уплотнения грунта вокруг скважин, которые, кроме того, обладают недостаточной устойчивостью в слабых грунтах. В случае устройства скважин пробивкой возникают значительные динамические воздействия, а также определенные трудности
Рис. 3.9. Схема упрочнения основания песчаными сваями
/ — здание трансформаторного отделения; 2 — фундамент; 3 — песчаные сваи; 4 - зона упрочнения; 5 — насыпной грунт; б — торф
при извлечении снарядов из наклонных скважин. Более совершенными методами устройства грунтовых свай являются способ винтового пропяв-ливания грунта или разбуривание их по специальной технологии без выемки грунта с одновременным перемешиванием его с подаваемым закрепляющим материалом [48, с.517—518; 52].
Эффективность использования глубинного уплотнения основания песчаными сваями рассмотрим на примере устранения аварийного состояния трансформаторного отделения насосной станции в Казани [53]. В первый год эксплуатации одноэтажное здание трансформаторного отделения на ленточном фундаменте из монолитного бетона получило неравномерную осадку до 20 см, а в кирпичных стенах образовались значительные трещины. В основании фундаментов (рис.3.9) залегали насыпные пески средней крупности и плотности с включением щебня, подстилаемые мелкими песками, местами слабозаторфованными, торфом и мягкопластичными глинами. Причиной деформаций, развивающихся во времени, явилось уплотнение торфа под действием веса расположенных выше слоев грунтов и давления от сооружения. Глубинное уплотнение осуществлялось путем наклонной забивки сердечника диаметром 40 см, обеспечивающего создание уплотненной зоны в торфе диаметром 75 см. При двухрядной забивке свай с шагом 75 см общее их число составило 80. Для предохранения здания от разрушения при забивке сердечников стены временно были укреплены швеллерами и тяжами. Принятый способ упрочнения основания повысил модуль деформации с 0,3 до 2—5 МПа, при этом определенное уплотнение получили также мелкие и насыпные пески. Трехлетний срок эксплуатации насосной станции не выявил каких-либо существенных деформаций здания и его основания.
Основания могут быть усилены путем устройства по периметру фундамента (ленточного, столбчатого) ограждающей стенки, выполняемой из шпунта, труб или свай (забивных, буронабивных, буроинъекционных и др.). Грунт основания, расположенный между ограждающими стенками, уплотняется, и вследствие трения, возникающего в процессе его осепяння, часть нагрузки передается на стенки. Стенки глубиной, равной 2,5-3 ширинам фундамента, должны быть максимально удалены от фундамента, насколько это позволяет технология производства работ.
60
61
ГЛАВА 4. УСИЛЕНИЕ И РЕКОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
4.1. Классификация методов усиления
Выбор метода усиления и реконструкции фундаментов мелкого заложения (как столбчатых, так и ленточных) зависит от причин, вызывающих необходимость такого усиления, конструктивных особенностей существующих фундаментов и инженерно-геологических условий строительной площадки [1—5; 7,10—13; 54].
Известно, что проектирование усиления фундаментов почти всегда сложнее проектирования новых конструкций. Это объясняется тем, что в каждом случае усиления приходится считаться с условиями эксплуатации объекта, со стесненными условиями работы, с разнообразием проявления деформаций зданий и сооружений и др.
Применяемые в настоящее время методы усиления и реконструкции фундаментов мелкого заложения можно классифицировать в зависимости от конструктивно-технологических способов их выполнения (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Классификация методов усиления и реконструкции фундаментов мелкого заложения
Метод усиления или реконструкции Условия применения
Усиление кладки фундаментов цементацией пустот При образовании пустот в швах кладки и небольшом разрушении материала фундамента; нагрузка на фундамент не увеличивается или увеличивается незначительно
Частичная замена кладки фундамента При средней степени разрушения материала фундамента; нагрузка на фундамент не увеличивается или увеличивается незначительно; при достаточной несущей способности основания
Устройство обойм: без уширения подошвы фундамента При значительном разрушении материала фундамента; нагрузка на фундамент не увеличивается или увеличивается незначительно; при достаточной несущей способности основания
с уширением подошвы фундамента При увеличении нагрузки на фундамент и недостаточной несущей способности основания
Подведение конструктивных элементов под существующие фундаменты: плит столбов стены При большой толще слабых грунтов в основании При неглубоком залегании несущего слоя грунта То же, а также в случае увеличения глубины заложения фундамента при устройстве подвалов, при необходимости передачи нагрузки на более прочные грунты
Подведение новых фундаментов При коррозионном или ином разрушении фундамента; при необходимости значительного увеличения нагрузок, глубины заложения и изменении конструкций подземной части зданий и сооружений
62
Продолжение табл. 4.1
Метод усиления или реконструкции Условия применения
Усиление вдавливаемыми сваями При значительном увеличении нагрузок; при наличии подстилающих прочных грунтов; при невозможности проведения работ непосредственно под подошвой фундамента
Подведение свай под подошву фундамента В маловлажных грунтах; при небольшой глубине существующего фундамента и невозможности уширения его подошвы
Пересадка на выносные сваи В водонасыщенных грунтах; при относительно большой глубине залегания прочного слоя грунта
Усиление буронабивными сваями При значительном увеличении нагрузок и большой толще слабых грунтов в основании: в сложных условиях реконструкции и строительства
Усиление корневидными буроинъекционными сваями То же, а также при невозможности частичной разборки существующих фундаментов и в стесненных условиях строительства
Усиление конструкциями, возводимыми способом ’’стена в груте” При значительном увеличении нагрузок; в слож-
Усиление фундаментов опускными колодцами зданий и сооружений
Передача части нагрузок на дополнительные фундаменты При сложных сочетаниях нагрузок и в особых условиях выполнения работ по реконструкции
Переустройство столбчатых фундаментов в ленточные и ленточных в плитные При значительных неравномерных деформациях основания; изменении величины нагрузок и статической схемы работы фундаментов; установке дополнительного оборудования; изменении конструктивной схемы здания или сооружения; необходимости значительного повышения жесткости здания
Возвращение просевшего фундамента в первоначальное или горизонтальное положение При просадке и значительном перекосе (крене) фундаментов для исправления положения эксплуатируемых зданий или сооружений в случае сохранения их устойчивости
Повышение жесткости фундаментов (устройство дополнительных железобетонных поясов в ленточных фундаментах; устройство связей-распорок с одновременным усилением ленточных или столбчатых фундаментов)
Уменьшение силовых воздействий на фундаменты со стороны смещающегося грунтового массива (устройство компенсационных траншей вокруг фундаментов; разделение фундаментов деформационными швами; локализация деформации смещающегося грунтового массива с помощью скважин глубокого бурения)
При больших неравномерных осадках основания, например на подрабатываемых территориях, просадочных и других сложных грунтовых условиях
63
На эти способы большое влияние оказывают условия, в которых находятся фундаменты: степень их разрушения, величины нагрузок, передаваемых на них, особенности конструктивной схемы здания или сооружения, инженерно-геологические и гидрогеологические условия.
Работы по предотвращению развития аварийных деформаций зданий включают усиление надземных и подземных конструкций зданий, фундаментов, а иногда и укрепление оснований. Возможны различные сочетания конструктивных мероприятий по восстановлению и реконструкции зданий и сооружений.
4.2. Ремонт фундаментов, усиление их обоймами и подведением конструктивных элементов
Фундаменты промышленных, жилых и гражданских зданий, построенных в первой половине XX века, как правило, выложены из бутового камня, бутобетонной кладки и сравнительно редко из пережженного красного кирпича — железняка. Под влиянием грунтовых вод, агрессивных сред, температурных и других воздействий материал фундаментов с течением времени теряет свою прочность и становится легко разрушаемым. Длительное увлажнение бутового камня, в особенности из слабых известняковых пород, приводит к образованию глубоких каверн, снижению несущей способности и интенсивному разрушению кладки. В бутовой кладке чаще всего разрушается материал швов. Под влиянием коррозии разрушаются также бетонные и железобетонные фундаменты.
Для восстановления прочности кладки используют цементацию. Цементация производится путем нагнетания в пустоты фундамента через инъекционные трубки цементного раствора консистенции от 1:1 до 1:2 и более под давлением 0,2—1 МПа. Иногда боковую поверхность фундамента перед цементацией покрывают цементной штукатуркой. Цементацию производят после засыпки и уплотнения грунта в предварительно разработанных (по условиям технологии установки инъекционных трубок) траншеях с противоположных сторон фундамента. Порядок и технология работ по цементации кладки фундаментов детально отражены в работе•[1} и др.
При незначительных повреждениях фундамента на отдельных захватках в шахматном порядке через 0,5 м в кладку заделываются анкерные штыри, к которым прикрепляется арматурная сетка, и устраивается рубашка. Рубашка может быть выполнена из раствора на крупном песке методом штукатурки или торкретирования, а также пневмонабрызгом бетона или укладкой его в опалубку. Вместо анкерных штырей иногда лучше пробивать в кладке отверстия через 1,5—2 м и пропускать балки.
Если цементацию провести затруднительно, то кладку можно усилить бетонными или железобетонными обоймами на всю высоту фундамента или его часть. В ленточных фундаментах противоположные стенки обоймы в отдельных случаях крепят одна к другой анкерами из арматурной стали и поперечными балками. Иногда обоймы устраивают с предварительной установкой в них инъекционных труб для последующей цементации. В этом случае в процессе цементации обоймы препятствуют вытеканию раствора из фундамента и поступлению его в грунт, что позволяет создать в теле фундамента большое давление, которое способствует лучшему прониканию раствора внутрь кладки. Применение этого способа особенно целесообразно при цементации бутовых стен подвалов, так как обойма препятствует поступлению раствора внутрь помещения.
64
Рис.4.1. Схема усиления кладки ленточных фундаментов
/ - фундамент; 2 — трещины в ступенях; 3 — продольная балка на ступени; 4 -контрфорс; 5 — рубашка; 6 — рандбалки; 7 - стена здания; 8 — стальной ригель; 9 - клин; 10-стойка; 11 - монолитный бетон; 12 - плита
При появлении трещин в нижних ступенях фундаментов или плитах ленточных фундаментов их усиливают путем устройства под ступенями продольных железобетонных балок (рис.4.1, а). Балки опираются на контрфорсы, ширина которых определяется по расчету на смятие кладки в местах пересечения ригеля контрфорса с кладкой стены. Расстояние между контрфорсами находится из расчета фундаментных балок на изгиб. Далее весь фундамент заключается в железобетонную рубашку, монолитно связанную с фундаментными балками [ 1 ].
В зависимости от того, насколько интенсивно возрастает нагрузка, усиление фундамента может быть сплошным или прерывистым. При усилении увеличивается площадь подошвы фундамента, а отметка его заложения сохраняется. Конструкция усиления может быть двух- и трехконтрфорсной и состоит из плиты, на которой установлены стойки, прикрепленные к стальному ригелю. Стены усиливаются балками-коротышами. Все сборные элементы >обмонолйчиваются бетоном в единый контрфорс; (рис.4.1, б). После усиления часть нагрузки на грунт под существующим фундаментом снимается и передается на плиты уширения. Обжатие плит уширения и включение их в работу предварительно осуществляется домкратами.
В отдельных случаях усиление целесообразно выполнять столбами-пилястрами, не разбирая нарушенную кладку. На плиты уширения укладывают сборные стаканы, которые заполняют бетоном. Нагрузка от стены на столбы передается через ригели, которые в дальнейшем замо-ноличиваются бетоном. Фундамент на участках между столбами заключается в рубашку. Если кладка ленточного фундамента сильно разрушилась и не может больше служить, то она выключается из работы. Ленточный фундамент заменяется столбчатым. Столбы возводятся по способу, описанному выше, с той лишь разницей, что дополнительно подводятся рандбалки, опирающиеся на ригели. В этом случае размеры плит, сечения столбов и расстояние между столбами определяются расчетом.
65
3-291
Усиление фундаментов обоймами, устраиваемыми без его углубления, производят как без увеличения площади подошвы, так и с увеличением ее в случае недостаточной несущей способности основания, частичного разрушения фундамента или существенного возрастания нагрузки при реконструкции.
Устройство обойм без увеличения площади подошвы фундамента чаще всего вызывается некачественным выполнением строительных работ. Так, например, при строительстве одного из жилых домов сборные фундаменты под столбами были выполнены недостаточно качественно, что явилось одной из причин обрушения конструкций [55]. Усиление выполнено путем заключения верхней части фундамента над подушками в железобетонные обоймы (рис.4.2), что позволило обеспечить более равномерную передачу нагрузки на подушки. В верхней части обоймы установлены анкеры для крепления колонн.
Усиление железобетонными или бетонными обоймами с увеличением площади подошвы фундамента возможно для фундаментов мелкого заложения (из кладки, бетона, железобетона) как подвальных, так и беспод-вальных зданий на всю высоту фундамента или его часть (рис.4.3).
При устройстве обойм нельзя забывать о том, что прочность сцепления усиливаемого фундамента и новой кладки зависит от многих факторов, в том числе от вида и качества составляющих бетона. При усилении железобетонных и бетонных конструкций, находящихся в эксплуатации длительное время, необходимо учитывать возможные отрицательные изменения в наружном слое бетона [54]. Поэтому, устраивая обоймы, не всегда можно быть уверенным в том, что при сцеплении нового бетона со старым гарантируется полная монолитность обоймы и существующего фундамента. В ряде случаев необходимо снимать весь поверхностный слой старого бетона, а для обеспечения восприятия сдвигающих сил на контактной поверхности приваривать арматурные коротыши, применять штрабы, железобетонные шпонки, поперечные металлические балки, анкеры и другие элементы. Свежий бетон укладывается на чистую, шероховатую, влажную поверхность старой кладки с обязательным тщательным уплотнением бетонной смеси.
Железобетонные обоймы, которые охватывают усиливаемый фундамент со всех сторон, плотно обжимая его при усадке бетона, и работают как единое целое, следует считать наиболее простым и надежным способом усиления. Толщины обоймы определяются расчетом с учетом повышения расчетной нагрузки в случае реконструкции. Армирование производят пространственными каркасами, состоящими из замкнутых хомутов. Обычно фундаментные обоймы соединяют с обоймами усиления стен подвала или колонн (см. рис.4.3). Если стены подвала или колонн не подлежат усилению, то под фундаментными обоймами, устраиваемыми навею или часть высоты фундамента, устанавливаются дополнительные обоймы на высоту 1—1,5 м [54]. Усиление ленточных и столбчатых фундаментов обоймами повышает также жесткость здания в соответствующем направлении, что особенно важно в случае применения сборных конструкций.
Уширенная часть усиленного фундамента способна воспринимать только часть увеличивающейся нагрузки, а значительная ее часть передается через подошву старого фундамента. При небольшом увеличении нагрузки это допустимо, поскольку выпор грунта в стороны невозможен из-за дополнительной пригрузки элементов уширениями. При большом увеличении нагрузки элементы уширения фундаментов должны быть введены в работу путем предварительной передачи искусственного дав-66
Рис. 4.2. Схема усиления сборного фундамента железобетонной обоймой
/ — анкерные болты; 2 — сварные сетки: 3 - обоймы
Рис. 4.3. Схема усиления ленточного (а) и столбчатого (б) фундаментов
1 — фундамент; 2 — обойма; 3 — стена подвала; 4 - анкерные тяжи; 5 - хомуты; 6 - колонна; 7 — арматура
67
Рис. 4.4. Схема усиления фундамента с обжатием грунта под подошвой
1 - фундамент; 2 - элемент усиления; 3 -предварительно напряженная арматура; 4 и 5 - эпюра реактивных моментов до и после усиления; 6 - устройство для отжатия элементов усиления
пения (обжатия). Предварительное обжатие основания производится клиньями (см. рис.4.3, б) или домкратами, которые устанавливают, например, между рандбалкой и плитой уширения. Съему домкратов предшествует установка металлических стоек-распорок с расклиниванием их, после чего производят бетонирование обоймы (столба). Способы предварительного обжатия рассмотрены в работах [1—3, 12—13, 54 и др. ]. Увеличение площади подошвы фундамента с одновременным обжатием грунта под элементами усиления обеспечивает немедленное включение в работу уширенной части фундаментов.
Обжатие основания может осуществляться путем поворота элементов уширения в сторону основания [56]. С этой целью элементы уширения объединяются с существующим фундаментом с помощью натяжения арматурных элементов. При отжатии верхней части элементов уширения подошвы от существующего фундамента грунт под их подошвой обжимается, в результате чего происходит некоторая разгрузка основания под существующим фундаментом. При повороте элементов уширения в соединительных стержнях возникают дополнительные напряжения. Расчет усиления фундамента детально рассмотрен в работе [56].
Показанный на рис. 4.4 способ обжатия основания был применен при усилении столбчатых фундаментов одноэтажного лабораторного корпуса в связи с надстройкой второго зтажа. Два сборных железобетонных элемента уширения укладывались параллельно длинной стороне существующего фундамента. Между собой элементы уширения соединялись двумя стальными стержнями с нарезанными концами, которые проходили рядом с короткой стороной существующего фундамента. После установки элементов уширения производили небольшое начальное натяжение соединительных стержней. Затем с помощью отжимных болтов верхнюю часть элементов уширения оттягивали от существующего фундамента; в соединительных стержнях увеличивались растягивающие усилия, благодаря чему элементы уширения получали наклон, который вызывал обжатие основания. Усилия в стержнях и отжимных болтах контролировали с по-
68
Рис.4.5. Схема усиления фундамента обоймой с обжатием основания
1 - фундамент; 2 - фиксированная затяжка; 3 — блоки обоймы; 4 — антифрикционное покрытие; 5 — тяжи; 6 — прижимной щит; 7 — клинья; 8 - стена здания; 9 - поперечная балка; 10 — обжатое основание
мощью динамометрического ключа. После отжатия элементов на необходимую величину зазоры между фундаментом и элементами уширения заклинивали. Такой же способ был также использован при усилении фундаментов здания спортивного комплекса в г. Белорецке. Усиливаемые фундаменты были выполнены из монолитного железобетона. Натяжение арматуры создавалось электротермическим способом.
Известен способ усиления фундамента с обжатием основания)? Он заключается в установке по периметру фундамента блоков обоймы, которые путем горизонтальных усилий обжатия тяжами вдавливаются в грунт (рис.4.5). Погружение блоков обоймы в грунт облегчается вследствие покрытия поверхностей блоков и фундамента антифрикционным материалом и скошенной наружной грани блоков. В качестве антифрикционного материала может использоваться битумная мастика или даже корка намороженного льда в зимних условиях. Путем стягивания тяжей, пропущенных сквозь прижимные щиты, упирающиеся в поперечные балки, проходящие через стену здания, сдавливают блоки, которые начинают сползать вдоль фундамента, опускаясь вниз и обжимая грунт. После окончания опускания блоков между их верхом и поперечными балками устанавливают фиксаторы, например клинья, а балки между собой стягивают фиксирующей затяжкой. Применение предлагаемого способа усиления фундамента обеспечивает простоту производства работ при одновременном обжатии основания и исключении мокрых процессов.
Усиление фундаментов мелкого заложения может выполняться путем их уширения и углубления подведением дополнительных конструктивных элементов под существующие фундаменты. Такими элементами могут быть плиты, столбы или сплошные стены (рис.4.6).
Уширение фундамента без значительного увеличения его глубины производится путем подводки железобетонных плит под подошву существующего фундамента. На участках длиной 1—2 м грунт под фундаментом откапывают и на месте изготовляют железобетонную монолитную плиту или монтируют заранее заготовленные сборные железобетонные элементы (см. рис.4.6, г). После обжатия грунта в основании гидравли-
*'А.с. № 718552 (СССР). Способ усиления фундаментов/Н.С. Мещеряков. — Заявл. 0.4 0,4.1978, № 2600897/29.-33. опубл. в Б.И., 1980, № 8.
69
Рис. 4.6. Конструктивные решения подводки фундаментов
а — отдельные столбы; б — сплошные стены; в - столбы с шахматным расположением в плане; г — железобетонные плиты; 1 - фундамент; 2 — столб; 3 — шурф;
4 — сплошная стена; 5 — плита; 6 — арматурный каркас
ческими домкратами и подклинки плиты промежуток между плитой и подошвой старого фундамента заполняют бетоном с тщательным уплотнением вибраторами.
Иногда целесообразно подвести под существующий фундамент снизу отдельные столбы, расположенные по линии или в шахматном порядке на определенном расстоянии один от другого (см. рис.4.6, б, в). Отдельные столбы применяют в тех случаях, когда на небольшой глубине (1,5— 4 м) залегает слой прочного грунта. Столбы перекрываются старым фундаментом, способным воспринимать нагрузки от сооружения в пролете между подведенными опорами. С этой целью старый фундамент может быть усилен боковыми рандбалками.
В отдельных случаях возникает необходимость в подводке сплошной стены. К таким случаям относятся недостаточная несущая способность основания, необходимость устройства подвалов, а также строительство вблизи новых сооружений. Подводка сплошной стены может осуществляться с одновременным увеличением площади подошвы фундамента и глубины его заложения (см. рис.4.6, с) или только с изменением глубины.
70
Углубление фундаментов и подводку столбов, как правило, выполняют только в сухих и маловлажных грунтах. Основные приемы подводки новых фундаментрв сводятся к следующему. Весь ленточный фундамент разбивают на отдельные захватки длиной от 1 до 3 м. Очередность бетонирования по захваткам должна быть не последовательной — один участок за другим, а с интервалом в несколько участков при постоянном продвижении в одном направлении. Направление подводки выбирают, начиная с наиболее слабых участков и мест, наименее ослабленных проемами. На период подводки фундаменты в отдельных случаях следует частично разгружать от нагрузок перекрытий и стен путем устройства временных опор или закладки разгрузочных металлических ранд-балок.
Отдельные столбы и сплошную стену при подводке фундаментов устраивают в следующем порядке. Вначале разрабатывают шурф с наружной стороны фундамента. Ширина шурфа должна быть такой, чтобы удобно было выполнять работы по проходке шахты под фундаментом. После надежного крепления стенок шурфа устанавливают опорную раму. Крепление стенок производят одновременно с разработкой грунта. Затем разрабатывают шахту под фундаментом с таким расчетом, чтобы в каждой очереди общее уменьшение площади передачи нагрузки на грунт от всего сооружения было бы не более 20%. Далее разбирают нижнюю часть фундамента и удаляют грунт, служивший основанием старого фундамента. После разборки всего старого фундамента и разработки грунта до проектной отметки приступают к кладке нового фундамента, снимая крепление снизу вверх. Промежуток между старой и новой кладкой тщательно заделывают.
При бетонировании верх нового фундамента не доводят до уровня стены на 10—12 см. Когда уложенный бетон приобретает прочность около 10 МПа, производят зачеканку зазора раствором. Эта самая ответственная часть работы не всегда выполняется с необходимой тщательностью, требуемой для создания плотного контакта между старой кладкой и новым фундаментом. Хорошее сопряжение обеспечивается при зачеканке раствора ручным ударным или механизированным способом, а также при забивке стержней, которые расклинивают и дополнительно уплотняют свежеуложенный раствор. После выполнения операций по зачеканке производится инъецирование зазоров цементным раствором. Работа считается законченной только при условии полного и тщательного заполнения зазора бетоном или раствором.
В случае значительных разрушений материала фундамента приходится производить полную разборку и замену фундамента, технология замены фундаментов рассмотрена в п.4.7.
Величина снижения осадок реконструируемых и надстраиваемых зданий зависит от формы фундамента в плане [19, 31], поэтому при разработке вариантов усиления фундаментов ее необходимо учитывать. При увеличении нагрузок на фундаменты давление по их подошве становится более расчетного. Однако грунт основания за время эксплуатации здания, намеченного к реконструкции, уже сжат под действием его веса и достигнута полная стабилизация осадок здания. Новые нагрузки вызовут меньшие дополнительные осадки, поскольку модуль деформации уплотненного грунта будет больше.
При усилении столбчатых фундаментов возможны случаи переустройства этих фундаментов в ленточные, а ленточных — в плитные. Такие случаи возникают при значительных неравномерных деформациях осно
71
вания, изменении величины нагрузок и статической схемы работы фундаментов, установке нового оборудования, изменении конструктивной схемы здания или сооружения, необходимости значительного повышения жесткости здания и в ряде других случаев.
Для переустройства столбчатого фундамента в ленточный (рис.4.7, а) между существующими фундаментами устраивается железобетонная стенка в виде перемычки. Для лучшего сопряжения перемычки на существующих фундаментах делаются насечка и штрабы, а также оголяется арматура для приварки арматуры перемычки. Кроме того, нижняя часть перемычки подводится под подошву существующего столбчатого фундамента. Перемычка охватывает подколенник железобетонной обоймой. Для повышения несущей способности нижняя часть перемычки может выполняться уширенной. При необходимости устройства подвала перемычка делается на всю высоту столбчатых фундаментов. В других случаях она может выполняться меньшей высоты. Арматуру устанавливали таким образом, чтобы во вновь образованном ленточном фундаменте все перемычки работали совместно. Для этой цели арматурные стержни перепускаются у подколенника из одной перемычки в другую, а понизу арматурные каркасы заводятся подподршву существующих фундаментов. Такое переустройство выполняется последовательно без нарушения устойчивости здания.
Переустройство ленточных фундаментов в плитные производится путем подведения концов плит под ленточный фундамент (см. рис.4.7, б). Плиты между лентами объединяют обоймами, проходящими через отверстия, пробитые в нижней части стены ленточного фундамента. Через 3—4 м плиты между лентами объединяют железобетонными перемычками, проходящими под подошвами ленточных фундаментов.
В практике реконструкции возможно переустройство столбчатых фундаментов в перекрестно-ленточные и плитные, а также перекрестноленточных в плитные. Рассмотрим характерные примеры усиления ленточных и столбчатых фундаментов.
При проведении в 1968—1969 гг. реконструкции травильного отделения трубного цеха с одновременным усилением фундаментов выполнялась их защита от коррозии. Здание цеха размером 108,6x16 м возводилось в 30-е годы. Столбчатые фундаменты (из горнблендита на растворе марки М50) под железобетонные колонны располагались с шагом 5,2 м в средней части и 7,8 м — в крайних частях; глубина их заложения составляла 2 м; основание сложено маловлажными элювиальными суглинками и глинами в твердом состоянии; среднее давление по подошве 0,15— 0,20 МПа. Травильные ванны размещались на бетонных опорах — столбиках, опирающихся непосредственно на бетонный пол.
Детальным обследованием31 фундаментов, выполненным с разработкой шурфов до кровли глинистых грунтов, выявлено следующее. Значительная часть бутовых фундаментов подверглась коррозии с разрушением бутового камня до состояния дресвы и щебня на глубину до 0,5 м, при этом фактическая прочность раствора составляла менее половины первоначальной. В фундаментных балках встречались места с разрушенным защитным слоем и оголенной коррозированной арматурой. Подушка из щебня горнблендита, являющаяся основанием под бетонный пол, оказалась разрушенной до состояния дресвы на всю высоту в 1,2 м. Грун-
х Проведены кафедрой оснований и фундаментов Уральского политехнического института.
72
Рис. 4.7. Схема переустройства столбчатых фундаментов в ленточные и ленточные в плитные
1 - столбчатый фундамент; 2 — железобетонная перемычка; 3 — арматурные каркасы; 4 — уширенная часть железобетонной перемычки; 5 — ленточный фундамент;
6 — отверстия в ленточном фундаменте; 7 - подводимая плита; 8 — пропуски плиты под ленточным фундаментом
73
Рис. 4.8. Варианты схем усиления фундаментов травильного отделения
1 - фундамент; 2 — битумная обмазка; 3 — глиняный замок; 4 — фундаментная балка; 5 - колонна; 6 - обойма
Рис.4.9. Схема усиления столбчатого фундамента в условиях недопустимого внецентренного загружения
1 - существующий фундамент; 2 -колонна; 3 - фундаментная балка;
4 - штраба; 5 - арматурный каркас;
6 — обойма
товые воды имели общекислотную агрессивность с содержанием ионов SO4", превышающим его содержание при нормативной сульфатной агрессивности более чем в 10 раз; значение pH не превышало 3. Грунтовые воды находились в среднем на глубине 1 м от пола. Несмотря на некоторое снижение механических свойств глинистого основания под воздействием агрессивной среды, исследования выявили в целом достаточно высокие физико-механические показатели грунтов: 7~ 1,96 т/мЗ, IV=0,26, е = 0,8, с - 0,04 МПа, У= 15°, Е - 10,2 МПа. Наружные кирпичные стены, уложенные на фундаментных балках, со стороны травильного отделения оказались в значительной степени деформированными. Травильные ванны вследствие неравномерного проседания бетонного пола получили перекос.
Работы по усилению столбчатых фундаментов производились в условиях работы травильных ванн. Уровень грунтовых вод понижали способом
74
Открытого водоотлива из разработанных по периметру шурфов. Для каждого обследуемого фундамента составлялась дефектная ведомость. В слу-Ше относительно удовлетворительного состояния фундамента (рис.4.8, а) Выполняли только ремонтные работы с одновременной защитой их от Воздействия агрессивной среды путем битумной обмазки слоем толщиной ДО 50 мм. Перед обмазкой боковую поверхность фундаментной кладки частично очищали с последующей двух-трехразовой промывкой известковым молоком и нанесением выравнивающего слоя известково-цементного раствора. Битум заливали между отремонтированным фундаментом н опалубкой с последующим устройством глиняного замка толщиной 300—400 мм. При неудовлетворительном состоянии фундамента (рис. 4.8, б) его поверхность расчищали на глубину разрушения кладки с последующей промывкой известковым молоком. После этого фундамент восстанавливали до прежних размеров путем устройства подбетонки из бетона марки Ml00 и железобетонной обоймы толщиной 150—200 мм из бетона марки М200 с конструктивным армированием сетками с размером ячеек 100x100 мм из арматуры диаметром 8—10 мм класса А-П. После устройства обоймы выполняли работы по защите от агрессивной среды.
Усиление фундаментных балок выполняли с очисткой арматуры от коррозии и ©бетонирования этих мест бетоном марки М300 с последующей битумной обмазкой за 2 раза. В процессе усиления фундаментов и фундаментных балок вели постоянные наблюдения за возможным развитием деформаций в несущих конструкциях (стенах, рамах и др.).
После усиления фундаментов выполняли разборку деформированного бетонного пола в местах размещения травильных ванн с предварительным их демонтажем. Вместо выбранной щебеночной подушки из разрушенного горнблендита устраивали засыпку гранитным щебнем на полную высоту выемки с послойным трамбованием и обработкой горячим битумом. Под устанавливаемыми новыми ваннами фундамент выполнен в виде железобетонной подушки толщиной 200 мм с легким конструктивным армированием двумя арматурными сетками (вверху и внизу) из проволоки диаметром 5 мм с ячейками размером 100x100 мм из арматуры класса А-I. Замена щебеночной подушки и устройство новых фундаментов под травильные ванны были выполнены в минимальные сроки.
Интересным является пример усиления столбчатых фундаментов под каркас ангара железобетонной обоймой в связи с допущенной при проектировании ошибкой (рис.4.9). При условном расчетном давлении на глинистые грунты основания Rq = 0,25 МПа фундаменты запроектированы при среднем давлении по подошве = 0,3 МПа. Проектом допущено смещение центра тяжести подошвы фундамента по отношению к оси колонны внутрь здания на 0,4 м, т.е. в направлении, противоположном направлению действия максимального изгибающего момента. Это привело к значительному превышению максимального краевого давления на основание по сравнению с допустимым значением: рмакс = 0,64 МПа вместо 1,2 Ro = = 0,3 МПа.
Уральским политехническим институтом (Б.Л. Тарасов, О.А. Лисовой) разработан проект усиления фундамента, при котором совместную работу несимметричной железобетонной обоймы из бетона марки MISO с армированием сеткой с размером ячеек 200x200 мм из арматуры диаметром 12 мм класса А-П обеспечивали горизонтальные шпонки по граням фундамента. После устройства шпонок перед бетонированием боковые поверхности усиливаемого фундамента тщательно очищали металлическими 75
щетками и промывали водой. Выполненное усиление оказалось достаточным для обеспечения в дальнейшем нормальной эксплуатации здания ангара.
В Краснодаре по чертежам Укрспецстройпроекта было произведено усиление фундаментов трехэтажного административно-жилого здания по ул. Комсомольской. Усиление фундаментов здания осуществлялось в связи с появлением трещин в капитальных стенах и проектированием надстройки четвертого этажа. Основанием здания являлся суглинок лессовидный, просадочный при давлениях более 0,1 МПа. Расчетное давление на этот грунт в соответствии со СНиП П-15-74 составляло 0,18 МПа. Приблизительно такая нагрузка была передана фундаментами на основание, в связи с чем при замачивании начались просадки грунта. В процессе реконструкции необходимо было снизить давление на основание до значения менее 0,1 МПа. В проекте было разработано усиление фундаментов путем устройства сплошной монолитной железобетонной плиты на уровне пола подвала. Связь проектируемой плиты с существующими конструкциями предусматривалась путем заведения металлических консолей из двутавров № 24 в отверстия, устраиваемые в существующих стенах подвала (рис.4.10). Расстояние между двутаврами в среднем принимали равным 1 м из условия расчета на срез. Двутавры усиливали привариваемым к верхней полке листом по расчету на смятие кладки стен. Арматура вертикальных каркасов плиты приваривалась к нижней и верхней полкам выступающих за грань стены концов двутавров. Верхние и нижние арматурные сетки плиты увязывались с вертикальными каркасами. Заделка двутавра в фундаментную стену и прикрепление к нему арматуры железобетонной плиты показаны на рис.4.10, б.
Фундаменты имевшихся в подвале здания отдельно стоящих колонн усиливали путем заведения отдельных стержней арматуры диаметром 20 мм класса А-П1 в просверленные в колоннах отверстия и устройства вокруг колонны арматурной обоймы, которая связывалась с каркасами железобетонной плиты. В отверстия, в которые вставлялись отдельные арматурные стержни, нагнетали цементный раствор марки Ml00. Поверхность существующего фундамента перед бетонированием тщательно насекалась.
Подведение сплошной фундаментной плиты под административное здание в Херсоне выполняли параллельно с мероприятиями по предотвращению дальнейшего подъема уровня грунтовых вод (см. п3.1). В этом здании для осей с небольшими нагрузками, где позволяли расчеты металлических выпусков-консолей на срез и изгиб, в стены вместо прокатных балок заделывали плоские арматурные каркасы. По остальным же осям в стены заделывали двутавровые балки (см. рис.4.10). К балкам же прикреплялась арматура железобетонной плиты.
В двух описанных выше случаях работы по подведению плиты под здания производили без прекращения их эксплуатации. Работы вели по участкам в последовательности, предусмотренной проектом их производства. Отверстия в стенах для заделки металлических консолей (проката или арматуры) пробивали с чередованием через одно. После заведения консолей в отверстия последние заделывали бетоном с тщательным уплотнением. Пропущенные на определенном участке отверстия пробивали после достижения бетоном уже пробитых на этом участке отверстий 70% проектной прочности. Пробивка группы отверстий, установка в них консолей и омоноличивание бетоном производились без перерыва, в течение одной смены (оставлять пробитые, но не заполненные
76
Рис. 4.10. Схема сопряжения двутавра с арматурным каркасом при усилении фундаментов сплошной плитой 1 2 существующий фундамент; 2 — бетон марки М300 на мелком щебне; 3-5 — сетки соответственно нижние, вертикальные и верхние; 6 - двутавр;
7 — лист усиления двутавра; 8 — место приварки каркаса к полкам двутавра; 9 - элементы усиления полок двутавра
бетоном отверстия не допускается). После омоноличивания всех консолей на отдельном участке производились армирование и бетонирование плиты. После устройства железобетонной плиты усиления во всех помещениях подвала выполняли выравнивающую цементную стяжку толщиной 20 мм. При усилении фундаментов зданий описанным методом полностью прекратились их деформации.
4.3. Усиление фундаментов в особых условиях
В особых условиях деформации земной поверхности проявляются в виде провалов (проседаний), уступов и трещин, а также плавных оседаний земной поверхности. Необходимость усиления и реконструкции фундаментов эксплуатируемых зданий в указанных условиях встречается на подрабатываемых территориях, когда в результате процесса сдвижения горных пород на земной поверхности образуется чашеобразная впадина, называемая мульдой сдвижения. Здания и сооружения,' попадающие в мульду сдвижения, испытывают особые воздействия (особые нагрузки), вызываемые деформацией основания. К случаям деформаций фундаментов в особых условиях относятся также и деформации, наблюдающиеся при просадках основания. Несмотря на различие в характере проявления деформаций зданий и сооружений, находящихся на подрабатываемых территориях и на просадочных грунтах, применяемые способы усиления их фундаментов во многом одинаковы.
При анализе влияния на здания и сооружения деформаций земной поверхности при подработке рассматривают перемещения и наклоны земной поверхности, вызванные вертикальными и горизонтальными сдвижениями [57]. Характер этих перемещений зависит от ряда горногеологических и горнотехнических факторов: толщины вынимаемого пласта, глубины его разработки, геометрических размеров выработки, угла падения, физико-механических свойств пород и др.
Характер повреждения фундаментов при подработке территории зависит от конструктивной схемы здания. В зависимости от этого фактора при одних и тех же параметрах деформаций земной поверхности в одних случаях определяющими являются вертикальные деформации основания, в других — горизонтальные деформации основания или его наклоны. Усиления конструктивных элементов, в том числе и фундаментов, проводятся в основном для зданий старой постройки, в которых комплекс защитных мероприятий, предусмотренный нормативами [57, 58], не проводился. Одним из важных моментов при назначении метода усиления
77
фундамента эксплуатируемого здания является определение конкретных деформаций земной поверхности в любой точке площадки, на которой оно расположено. Это позволяет установить наиболее неблагоприятные сочетания деформаций земной поверхности для различных частей здания и его конструктивных элементов, а также оптимизировать объем работ по их усилению.
Для уменьшения силовых воздействий на фундаменты со стороны смещающегося в результате горных выработок основания применяют следующие меры: разделение зданий на отсеки с устройством деформационных швов, устройство компенсационных траншей вокруг фундаментов зданий, локализация деформаций смещающегося грунтового массива с помощью скважин глубокого бурения.
Деформационные швы выполняют по всей высоте здания, включая фундаменты и кровлю. Ширина зазора деформациоштого шва регламентируется [58]. Деформационные швы устраивают, высверливая отверстия в кладке и удаляя ее между отверстиями, отбойным молотком. При выполнении этого мероприятия без постановки парных стен следует предусматривать устройство связей-распорок по каждому этажу рядом с деформационным швом.
Компенсационные траншеи применяют для уменьшения влияния горизонтальных деформаций сжатия на фундаменты здания. Траншеи разрабатывают на 15—20 см ниже подошвы фундамента на расстоянии не более 3 м от здания под углом 20° к направлению действия горизонтальных деформаций и заполняют легкосжимаемым материалом. Метод обуривания глубокими скважинами площадки, на которой находится здание, в практике используется весьма редко.
К мерам, предохраняющим конструкции и фундаменты эксплуатируемых зданий от повреждения, относятся: усиление фундаментов железобетонными поясами и обоймами, усиление стен, опорных сечений балок и колонн, увеличение площади опирания плит, балок, прогонов и ферм, а также усиление узлов их сопряжения с опорными и пролетными конструкциями.
Ленточные фундаменты усиливают с помощью рассмотренных в п.4.2 железобетонных обойм и железобетонных поясов, подводимых под фундаменты (рис.4.11). Совместность работы обоймы и фундамента обеспечивается в этом случае монолитными железобетонными шпонками и поперечными металлическими связями. Шпонки и связи располагают через 0,5—1 м по высоте и 1—2 м по длине ленточного фундамента. Усиленный таким образом фундамент способен воспринимать горизонтальные деформации земной поверхности, воздействие которых направлено вдоль фундамента.
В случае если воздействие горизонтальных деформаций направлено из плоскости стены здания, устраивают гибкие связи-распорки между фундаментами на уровне их подошвы (рис.4.12). Эти элементы рассчитываются на центральное растяжение или сжатие.
Для усиления фундаментов каркасных зданий с целью восприятия горизонтальных деформаций и поворотов основания рекомендуется устройство железобетонных обойм с постановкой связей-распорок на одном или двух уровнях. Соединение связей-распорок с фундаментами выполняется шарнирным. Обоймы армируются горизонтальной арматурой и вертикальными стержнями, устанавливаемыми у вертикальных плоскостей существующего фундамента. Обойма фундамента должна быть жестко соединена с обоймой усиления колонны. Если колонны не усиливаются. 78
Рис. 4.11. Схема усиления фундаментов обоймой с поясами
1 - существующий фундамент; 2 - поперечная связь; 3 — шпонка; 4 - железобетонная обойма; 5 - арматурный каркас; б — стена
Рис.4.12. Схема усиления фундаментов путем устройства между ними связей-распорок
а - ленточный; б — отдельно стоящий;
1 - фундамент; 2 - железобетонная обойма; 3 - поперечная связь; 4 -связь-распорка; 5 — существующая подготовка; 6 - подготовка под обойму;
7 — шарнирное соединение; 8 — горизонтальная арматура; 9 - хомуты; 10-короткая железобетонная обойма на колонне; 11 - подготовленная поверхность усиливаемого фундамента
то обойму фундамента следует продлить на колонну на высоту 1-1,2 м от обреза фундамента.
Железобетонные пояса, подводимые под фундаменты, выполняют монолитными и сборно-монолитными. В случае сборно-монолитного пояса элементы пояса стыкуют один с другим сваркой арматуры с последующим замоноличиванием. При этом способе усиления следует ограничивать длину провисания фундамента при выемке грунта под ним, которая не должна превышать 1 м.
На практике встречаются случаи, когда усиление фундаментов в особых условиях возможно путем передачи части нагрузки на дополнительные фундаменты. В качестве примера рассмотрим .усиление фундаментов главного щита управления центральной электроподстанции Дзержинска, получившего деформацию в результате сдвига горных пород [59]. Здание трехэтажное с неполным каркасом, стены кирпичные, колонны и перекрытия из монолитного железобетона, фундаменты бутобетонные и железобетонные. В результате сдвига на земной поверхности образовался уступ в угловой части пересечения осей Г и 1 (рис.4.13),. Его развитие сопровождалось горизонтальными деформациями основания. Стена по оси Г и примыкающие конструкции получили значительные повреждения. По-
79
пытки предотвратить дальнейшие деформации конструкций с помощью тяжей не привели к желаемому результату. Для защиты здания было предложено передать нагрузку от перекрытий и покрытия на новую продольную стену, установленную на специальный монолитный железобетонный фундамент.
Дополнительный фундамент (см. рис.4.13) представляет собой ряд поперечных Л-1, Л-6 и предельных Л-7, Л-11 лент, устраиваемых снаружи и внутри здания вне оседающего участка основания, вследствие чего исключалось влияние уступа. Вдоль стены по оси Г на консольных выступах поперечных лент расположена балка Б-1 под новую стену. Кроме восприятия нагрузок от нее, дополнительный фундамент должен предотвратить горизонтальные смещения конструкций. Для исключения крутящих усилий было принято раздельное устройство лент вдоль оси А: нижние ленты Л-8 и Л-10 работали на горизонтальные нагрузки, верхние Л-7 и Л-9 являлись их противовесом и испытывали лишь изгибающие моменты.
80
Рис. 4.14. Схема замачивания грунтов совместно с уширением подошвы фундаментов в здании с подвалом
1 - существующий фундамент; 2 -уширение фундамента; 3 - засыпка из щебня; 4 — железобетонная обойма; 5 - дренажная скважина;
6 - обратная засыпка местным грунтом
Мероприятия по усилению включали также устройство сплошных монолитных железобетонных обойм, в которые заключались существующие фундаменты и стены первого этажа по осям 1; 3 а 7. Обоймы сопрягали с лентами Л-7, Л-9 и балкой Б-1. При устройстве монолитных железобетонных фундаментов особое внимание обращали на аккуратность пробивки отверстий в существующих конструкциях для пропуска поперечных лент и балки Б-1, а также на выполнение рабочих швов при бетонировании. Выполненные мероприятия оказались эффективным и надежным способом предотвращения деформаций аварийного характера.
Усиление в особых условиях конструкций, расположенных выше фундаментов, довольно подробно изложено в работе [60]. К мерам, позволяющим исправлять положение эксплуатируемых зданий в целом, следует отнести следующие методы: подъем зданий или его отдельных частей с помощью гидравлических домкратов, опускание здания путем вдавливания опорных элементов фундамента в грунт основания, опускание здания путем удаления грунта из-под фундамента на менее осевших участках (метод выбуривания), направленное замачивание и др. Наиболее перспективным является метод вдавливания, так как при его применении не требуется принципиальное изменение конструктивных элементов в фундаментно-подвальной части здания. Вдавливание опорных элементов фундамента (подушек) производится поэлементно распорными устройствами, при этом используется вес самого здания. Метод выбуривания заключается в разработке и удалении буровыми инструментами грунта из-под фундамента. Грунт следует удалять послойно (не более 2—3 см) на всей опускаемой части фундамента. Метод направленного замачивания применяется для опускания отдельных частей здания. Этот метод основывается на изменении степени водонасыщения или консистенции грунта основания в зоне замачивания и опускании части здания под действием собственного веса.
Способы усиления фундаментов в условиях развития просадочных деформаций описаны в ряде работ [1, 5, 18, 20, 21, 41—46 и др.]. Рассмотрим характерный пример усиления фундаментов, совмещенного с выпрямлением крена здания (рис.4.14). Так, для прекращения деформаций и выправления крена производственного здания арматурного завода в г. Георгиевске Ставропольского края было Запроектировано организован
81
ное замачивание лессовидных просадочных грунтов. Основной целью замачивания было устранение просадочных свойств основания. Ввиду того, что существующие фундаменты здания и стены подвала не представляли жестких конструкций, устойчивых к неравномерным осадкам, а были выполнены из сборных блоков (причем с наличием большого перепада в отметках), предусматривалось в первую очередь выполнить уширение фундаментов и усиление стен подвала железобетонной обоймой (рис.4.14). Согласно выполненным расчетам и исследованиям грунтов основания, уширение существующих фундаментов необходимо было выполнить в среднем на 400-600 мм. При этом напряжения на грунты основания не превышали бы 0,18 МПа.
Замачивание грунта предполагалось осуществлять через дренажные скважины, которые располагали по всему периметру стен здания через 3 м. Прогнозируемые просадки от замачивания составляли от 5 до 15 см. Замачивание здания предполагалось производить по блокам, разделенным осадочными швами, с постоянным геодезическим наблюдением за проявлением просадки. Расход воды на такое замачивание составлял приблизительно 10000 м3.
4.4. Усиление фундаментов вдавливаемыми сваями
В особо сложных случаях усиления фундаментов мелкого заложения, когда нагрузку от здания надо передать на глубоко залегающие прочные грунты, особенно при наличии высокого уровня грунтовых вод, используют вдавливаемые сваи. Усиление фундаментов сваями (сборными железобетонными или из отдельных сплошных или трубчатых элементов) производится двумя способами: пересадкой фундаментов на выносные сваи или подведением свай под подошву фундамента.
Для усиления ленточных фундаментов выносные сваи могут устраиваться как с каждой стороны ленточного фундамента (рис.4.15, д), так и с одной его стороны в один или два ряда (консольные и рычажные системы) (рис.4.15, б). Для пересадки столбчатых фундаментов сваи могут располагаться с двух противоположных сторон подошвы (рис.4.15, в) или вокруг нее (рис.4.15, г). Сваи, подводимые под подошву фундамента, можно также располагать в один или несколько рядов в зависимости от конструкции существующего фундамента.
Выносные сваи применяют при высоком уровне грунтовых вод, а сваи, подводимые под подошву фундамента, — при низком. Сваи располагают одну от другой на расстоянии не менее 3d.
Головы свай с усиливаемым фундаментом соединяются ростверками, выполняемыми в виде железобетонных поясов (для ленточных фундаментов) или железобетонных обойм (для столбчатых фундаментов). Если усиливаемые фундаменты не имеют достаточной прочности, то их укрепляют обвязочными балками. Для лучшей передачи нагрузки от усиливаемого фундамента на сваи применяют проходящие через него поперечные металлические и железобетонные балки. Длина свай устанавливается в зависимости от характеристики грунтов, размеров поперечного сечения свай и нагрузок на фундамент.
При проектировании усиления работа старого фундамента, как правило, в расчетах не учитывается. Вся нагрузка от существующего здания, а также и дополнительная должны быть восприняты свайным фундаментом. Для предварительных соображений несущую способность свай определяют по расчету, уточнение ее производится путем испытания пробных
82
Рис. 4.15. Схемы размещения выносных свай при усилении ленточных и столбчатых фундаментов
1 - усиливаемый фундамент; 2 — свая; 3 - железобетонный пояс; 4 - рандбалки;
5 - поперечная балка; 6 - рычажный ростверк; 7 - железобетонная обойма
свай статической нагрузкой непосредственно на строительной площадке, где производится усиление.
При усилении фундамента выносными сваями добиваются надежного сопряжения старого фундамента со сваями. В фундаменте или при необходимости в стене устанавливают в продольных штрабах рандбалки-Кроме того, в фундаменте или стене пробивают сквозные гнезда, в которые заводятся поперечные металлические балки. В качестве поперечных могут применяться железобетонные балки. Балки связываются монолитным железобетонным ростверком, который соединяет головы свай (см. рис. 4.15). Сваи выводят до верха нижней ступени фундамента, а затем бетонируют раздельные ростверки. Домкраты устанавливают непосредственно над сваями, чтобы исключить работу ростверка на изгиб. На участке, расположенном между домкратами, фундамент разбирают и бетонируют ступень фундамента, объединяющую оба ряда ростверков. Эта ступень должна быть выполнена так, чтобы смогла работать как жесткий фундамент. Через сутки домкраты снимают. Инвентарные ригели удаляют, старую кладку на этих участках разбирают и заменяют бетоном.
Для столбчатых фундаментов поперечные передаточные балки делают парными и между ними зажимают колонну или фундамент. Для синхронной работы домкраты присоединяют к общему насосу. Давление в домкратах увеличивают ступенями. После каждой ступени делают перерыв для наблюдения за осадкой свай под нагрузкой. Перерыв продолжается до тех пор, пока осадка свай не прекратится. Обжатие свай должно прекращайся, как только прибор, установленный на колонне, отметит малейший ее подъем. При этом давлении сваи получают ту нагрузку, которая будет передаваться от сооружения. После стабилизации осадки свай
83
Рис. 4.16. Различные схемы усиления фундаментов составными сваями 1 — существующий фундамент; 2 — сваи; 3 — железобетонные балки; 4 — тяги производится подклинка между рандбалками и поперечными балками, затем устраивают железобетонный пояс.
В практике строительства накоплен большой опыт усиления фундаментов мелкого заложения вдавливаемыми, в том числе составными, сваями. Кратко рассмотрим характерные случаи из отечественного и зарубежного опыта.
Способ усиления составными трубчатыми металлическими сваями фундаментов аварийного пятиэтажного жилого дома в Сумгаите был применен по предложению проф. Э М. Генделя. Вертикальные деформации фундаментов продольных несущих стен составили от 790 до 1315 мм; величина крена в сторону наибольшей деформации достигала 450 мм. Технология производства работ по вдавливанию отдельных звеньев труб длиной 0,5 м освещена в работах [7, 61].
Большой опыт применения составных впрессованных свай для усиления фундаментов существующих зданий накоплен в Венгрии. Эти сваи изготовляют из сборных железобетонных элементов длиной 60—80 см с размерами сечений 25x25 и 30x30 см. Для полов применяют элементы больших размеров 120x60x25 см. Элементы располагаются один над другим, соприкасаясь торцовыми поверхностями. Для сопряжения элементов используют вертикальные металлические штыри диаметром 37,5— 50 мм, которые вставляются в гнезда в центральной части сборных элементов и этим препятствуют их взаимному смещению. Последовательность подводки свай ’’Мега” детально рассмотрена в работах [4,48].
В случае больших нагрузок иногда возникает необходимость погружения составных свай в два ряда. Сваи размещают под фундаментом, если позволяет его ширина (рис.4.16, а), или размещают по обе стороны от фундамента при недостаточной его ширине (рис.4.16, б), иногда делают консольное уширение (рис.4.16, в). Для сопряжения свай со старым фун-84
даментом в нем устраивают отверстия и борозды. Консольные балки соединяют стальными тягами. Предпочтительнее устраивать непрерывные продольные балки, так как они распределяют реакции от свай на большую длину и способствуют увеличению продольной жесткости фундамента.
При проектировании вдавливаемых свай требуется тщательное обследование конструкций здания, так как состояние стен влияет на значения как расчетной нагрузки на сваю, так и максимального усилия погружения; при этом расчетная нагрузка на сваю не должна превышать допустимой нагрузки на участок стены. Шаг свай чаще всего составляет 1,4—2,5 м.
Рассмотрим некоторые примеры усиления фундаментов вдавливаемыми сваями. Ленточные фундаменты здания бывшей школы по ул. Ленина в Киеве были усилены с помощью задавливаемых металлических свай. Основание представляло собой свалку мелкозема с примесью строительного мусора и органических веществ, подстилаемую песками различной мощности — от 9 до 17 м, которые характеризовались различным состоянием - от влажного до водонасыщенного (единого водоносного горизонта не было установлено).
Четырехэтажное здание школы было построено в 1938 г., стены выполнены из пустотелого кирпича, междуэтажные и чердачные перекрытия деревянные, под подвалом и вестибюлем железобетонные. Фундаменты ленточные бутобетонные на известковом растворе. Под фундаментами выполнена подушка из кирпичного боя толщиной 03—0,4 м. Глубина за-, ложения фундаментов 1,6 м, в подвальной части 3,5 и 4,5 м от уровня пола первого этажа. Среднее давление на основание под подошвой существующих фундаментов равно 0,13—0,14 МПа. В конструкциях здания отсутствуют железобетонные пояса на уровне перекрытия и по фундаментам. После ввода здания в эксплуатацию стали развиваться деформации несущих конструкций. Наиболее сильное развитие неравномерных деформаций началось в 1949 г. Осадки углов здания с 1957 по 1975 г. составляли 150—270 мм. Западный фасад по центру на уровне третьего зтажа имел отклонение от вертикали в 124 мм.
Выполненные в 1975 г. инженерно-геологические изыскания показали, что основными причинами осадок фундаментов и деформаций стен здания являются: неравномерное уплотнение обводненного мощного (и неодинакового по площади здания) слоя насыпных грунтов; гниение имеющихся в грунтах основания органических остатков; разрушение бутовой кладки фундаментов.
При проектировании было рассмотрено три варианта усиления оснований и фундаментов: способ химического закрепления грунтов; устройство монолитных железобетонных фундаментных плит с включением в работу существующих фундаментов; устройство свайных фундаментов методом задавливания. Предпочтение было отдано последнему варианту.
Сваи из отрезков металлических труб длиной 1 м, диаметром 237 и толщиной стенки 8 мм располагали попарно — с двух сторон стены (рис. 4.17). Сваи погружали домкратами ГДЗ-ЗОО, которые упирались в железобетонные балки, изготовляемые совместно со сплошным железобетонным поясом, который омоноличивался со сваями. Железобетонный пояс устраивался на уровне пола первого зтажа до начала работ по задавливанию свай. Задавливание свай осуществлялось стыкующимися с помощью сварки секциями и одновременно с двух сторон стены (в местах простенков) по всему контуру здания. Для подвески домкрата и равномерного распределения усилия задавливания предусматривалась инвентарная ме-85
Рис. 4.17. Схема усиления фундаментов с помощью залавливаемых металлических свай
/ — существующий фундамент; 2 — металлические трубчатые сваи; 3 — арматурный каркас оголовка сваи;
4 — оголовок сваи; 5 - монолитные железобетонные балки; 6 - стены здания; 7 - труба для подачи в сваю бетона бетононасосом
таллическая упорная балка, которая крепилась параллельно стене здания (с каждой ее стороны) к трем соседним железобетонным балкам. После установки последней секции домкрат и инвентарную балку демонтировали, устанавливали арматуру и опалубку оголовка сваи, всю полость трубчатой сваи заполняли бетоном марки М200 литой консистенции и бетонировали оголовок сваи через отверстие в железобетонной балке.
Максимальная расчетная нагрузка на сваю была принята равной 230 кН. Полная длина свай составляла от 10 до 15 м (из условия прорезки насыпных грунтов), максимальное усилие задавливания в домкрате допускалось до 350 кН (с учетом веса здания). При невозможности погружения сваи таким усилием до проектной отметки применялось бурение лидирующих скважин диаметром 160 мм (станками ручного бурения). Такой способ усиления фундаментов позволил всю нагрузку от здания передать на прочные глубокозалегающие грунты.
Вдавливание составных металлических свай успешно было применено в Томске для предотвращения неравномерных деформаций пятиэтажного жилого дома, находящегося в аварийном состоянии. Здание характеризовалось развитием вертикальных разрывов по всей высоте [62]. По рекомендации НИИпромстроя составные сваи для усиления фундаментов успешно применяют на ряде объектов в Башкирии [32, с.181 ].
4.5. Усиление фундаментов буронабивными сваями
Широкое распространение получило усиление фундаментов мелкого заложения выносными буронабивными сваями, которые так же, как и вдавливаемые сваи, передают нагрузку от здания на лежащие ниже прочные грунты. Буронабивные сваи могут использоваться при усилении ленточных и столбчатых фундаментов, при этом располагают их относительно существующего фундамента так же, как и вдавливаемые сваи.
При усилении ленточных фундаментов буронабивными сваями выполняют следующие этапы работ (рис.4.18):
1 — вдоль стен разрабатывают шурфы или траншеи и устанавливают крепления; в стене над обрезом фундамента пробивают продольную бо-86
Рис. 4.18. Этапы работ по усилению ленточных фундаментов набивными сваями
I — фундамент; 2 - шурф; 3 - крепление шурфа; 4 — разгрузочная балка; 5 — стена; 6 - слабый грунт; / -- прочный грунт;
8 - скважина для сваи; 9 - буронабивная свая; 10 - продольная балка; 11 - поперечная балка; 12 - отверстия в усиливаемом фундаменте; 13 - домкрат; 14 - железобетонный ростверк
розду (штрабу), которая промывается, и в нее на растворе укладывают металлическую разгрузочную балку. Балку перед установкой обматывают проволокой. После установки балка может быть забетонирована;
II — производят бурение скважин, монтируют арматурные каркасы и бетонируют сваи. Бурение выполняют ручным или механизированным способом в зависимости от стесненности площадки и габаритов оборудования;
III — пробивают сквозные отверстия в существующем фундаменте, устанавливают металлические поперечные балки, необходимые для задавливания свай в грунт и включения их в работу. Поперечные балки
87
необходимы также для более надежного сопряжения ростверка с существующим фундаментом;
1У — производят задавливание свай в грунт домкратами и заклинивание балок;
У — устанавливают опалубку и бетонируют ростверк, который выполняется прерывистым или сплошным по всей длине фундамента; в последнем случае достигается более жесткое сопряжение. После схватывания бетона крепление и опалубку снимают, а траншею засыпают грунтом с тщательным трамбованием.
При усилении столбчатых фундаментов по периметру существующего фундамента пробуривают скважины, устанавливают арматурные каркасы и бетонируют сваи. Головы свай с арматурными выпусками связывают железобетонной обоймой, выполняемой вокруг существующего фундамента. Конструкции железобетонных обойм аналогичные ранее описанным конструкциям. Концы свай заглубляют в прочный слой грунта.
Усиление столбчатого фундамента рассмотрим на примере усиления фундаментов промышленного здания в г. Асбесте. В основании фундаментов залегали глинистые грунты твердой консистенции. В ходе производства монтажных работ посредине здания была обнаружена линза ранее насыпного грунта с 20%-ным содержанием органических включений. После монтажа основных несущих конструкций фундаменты над этим участком получили значительные деформации (от 100 до 300 мм). Деформации были неравномерными, в результате чего одна из колонн сместилась на 100 мм от проектной оси. Деформации привели к образованию трещин в железобетонной колонне, искривлению подкрановых балок и связей между фермами. Было принято решение демонтировать все конструкции здания на участке, где наблюдались аварийные деформации основания, и выполнить новые фундаменты с устройством буронабивных свай, опирающихся на прочные грунты природного сложения (рис.4.19). Объединение старого и нового фундамента достигалось устройством железобетонной обоймы. По расчету каждый фундамент усиливали восемью буронабивными сваями диаметром 400—800 мм. В расчете работа старого фундамента не учитывалась, вся нагрузка передавалась только через буронабивные сваи. Обоймы выполняли из бетона марки М200. Последовательность выполнения работ описана в работе [63]. Эксплуатация здания показала надежность выполненного усиления.
Одним из оригинальных способов усиления фундаментов с помощью буронабивных свай является использование их в качестве своего рода рычажных опор. Так, при выяснении причин обрушения кирпичной стены в производственном корпусе сортировочного цеха бумажной фабрики в г. Сухом Логу было установлено, что под ленточными бетонными фундаментами по оси Е в рядах 5-6 на глубине около 1 м проходила сквозная штольня шириной 6 и глубиной 2 м (рис.4.20). При восстановлении кирпичной стены по проекту Уральского политехнического института (О.А. Лисовой) рекомендовалось выключить на указанном участке длиной 21 м из работы ленточный фундамент, а нагрузку передать на 15 рычажных металлических балок, размещаемых в неглубоких траншеях с шагом 1,5 м.
Рычажные балки (см. рис.4.20) длиной 7,4 м из двутавра № 50 опирались на буронабивные сваи-стойки диаметром 500 мм и длиной 7 м (общее их число 15), которые располагались в непосредственной близости к фундаменту и опирались на слой известняка с временным сопротивлением одноосному сжатию 15 МПа. В качестве противовеса использова-88
Рис. 4.19. Схема усиления столбчатого фундамента промышленного здания набивными сваями
I — набивная свая; 2 — железобетонная обойма; 3 - деформированная колонна;
4 - насыпной грунг 5 - прочный грунт
Рис.4.20. Схема исключения из работы ленточного фундамента, расположенного над горной выработкой, путем передачи нагрузки на рычажную систему из буронабивных свай
1 — существующий фундамент; 2 — прогон из швеллера; 3 - стена здания; 4 — балка БР-1; 5 - балласт; б - плита ЛБ-1;
7 - штольня; 8 - буронабивная свая; 9 -бетон; 10 - шпунт; 11 - воздушный зазор
лась железобетонная плита высотой 0,2, шириной 1,2 и длиной 22$ м (на всем участке усиления). Соединение балки БР-1 с плитой осушествля лось рабочим болтом (диаметром 50 мм и длиной 2,1 м) с помощью гайки. Для балластного слоя рекомендовался любой материал с плотностью более 1,8 т/мЛ Наличие воздушного зазора в 0,15 м под балкой БР-1 обеспечивало надежную работу всей рычажной системы. Узлы сопряжения балки БР-1 и прогонов из швеллеров № 10, закладываемых в кирпичную стену, тщательно замоноличивали бетоном марки М200 на мелком щебне до передачи нагрузки на рычажную систему. Балка БР-1 включалась в работу только после уплотнения балластного слоя путем предварительного обжатия опорного узла рычажной системы с обеспечением расчетного (рабочего) прогиба балки в 50 мм. Это достигалось завинчиванием гаек на рабочем болте с последующей постановкой контргайки. После этого балку БР-1 бетонировали бетоном марки М200.
89
Рис. 4.21. Схема усиления сборного, ленточного фундамента дополнительными опорами без ослабления стенй^ отверстиями
1 — фундаментная подушка; 2 — рабо-чая арматура балок; 3 - стеновые бло-, ки; 4 — железобетонная балка; 5 —. дополнительные опоры
Аналогичный способ усиления ленточных фундаментов буронабивными сваями, используемыми в качестве рычажных опор, выполнен в 1973 г. трестом Гипроспецфундаментстрой по чертежам Гипролесхима в соответствии с рекомендацией НИИ оснований и подземных сооружений [7, с.41—42]. Усилению подвергались фундаменты пятиэтажной башни и примыкающей к ней трехэтажной части производственного корпуса химкомбината в связи с развитием недопустимых осадок и возможного их обрушения. Для этого на расстоянии 2,5 м от наружной стены здания были выполнены два ряда цилиндрических буронабивных свай-стоек (расстояние между рядами 5 м, шаг в ряду 3 м) диаметром 12 и длиной 16 м. Головы свай в каждом продольном ряду объединялись жесткими железобетонными балками, расположенными одна относительно другой на разных уровнях.
В качестве рычажных балок использовали металлические двутавровые консольные балки № 50 с шагом 2,5 м, рассчитанные на условия передачи на свайный фундамент соответствующих усилий от стен здания. Балки заделывали в кирпичные стены так, как показано на рис.4.20, на железобетонных балках их размещали таким образом, чтобы в первом ряду сваи работали на вдавливание, во втором — на-выдергивание. Осуществленное усиление исключило дальнейшее развитие осадок на аварийном участке корпуса.
Обычно при усилении ленточных фундаментов нагрузки от старого фундамента на сваи передают с помощью поперечных балок, проходящих через стену старого фундамента. Основными недостатками данного способа усиления являются сложность выполнения работ, связанных с пробивкой отверстий для поперечных балок в фундаментной стене, ослабление стены и трудоемкость создания плотного контакта между поперечными балками и фундаментной стеной.
Под руководством Ю.И. Лозового [54] разработан способ усиления ленточных фундаментов из бетонных блоков путем передачи части на
90
грузки от фундамента на вновь возводимые свайные или иные опоры без нарушения структуры грунта под подошвой фундамента и ослабления фундаментной стены отверстиями, пробиваемыми для введения в работу поперечных балок усиления (рис.4.21). При этом способе отверстия в стене для пропуска поперечных балок не пробивают, а сверху фундамента в горизонтальном шве со стеновым блоком пропускают только арматурные стержни. Как показали результаты исследований, блоки фундаментов надежно включаются в работу поперечных балок усиления, бетонируемых на месте. Силы трения и сцепления обеспечивают восприятие поперечной силы в местах контакта нового бетона балок со старым бетоном фундаментных блоков. Балки усиления бетонируют с расчетным шагом по длине фундамента, нижнюю арматуру подбирают, как в обычных изгибаемых железобетонных элементах на заданные нагрузки.
4.6. Применение корневидных свай, опускных колодцев и фундаментов, возводимых способом "стена в грунте"
Применение для усиления фундаментов корневидных свай, называемых в нашей стране буроинъекционными, позволяет производить работы без разработки котлованов, обнажения фундаментов и нарушения структуры грунта в основании [48,64].
Сущность способа усиления корневидными сваями заключается в устройстве под зданием своего рода подпорок — жестких корней в грунте, которые переносят большую часть нагрузки на более плотные слои грунта. При усилении корневидными сваями может предусматриваться создание единой конструкции в ростверковом и безростверковом вариантах. Корневидные сваи выполняют вертикальными или наклонными с помощью установок вращательного бурения, которые позволяют пробуривать скважины через расположенные выше стены и фундаменты. Диаметр буров изменяется от 80 до 250 мм. При бурении для обеспечения устойчивости стенок скважин могут использоваться обсадные трубы, вода, глинистая суспензия или сжатый воздух.
Корневидные сваи обладают высоким сопротивлением трению вдоль боковой поверхности, что обеспечивается путем частичной цементации грунта, находящегося в контакте со сваей. Благодаря прохождению сквозь существующие конструкции корневидные сваи оказываются связанными с сооружением, поэтому не требуется дополнительное их сопряжение с существующими фундаментами. Корневидные сваи имеют значительную прочность на растяжение, вследствие чего их иногда используют в качестве анкеров в конструкциях, подверженных воздействию горизонтальных усилий, и в конструкциях, воспринимающих внецентренные нагрузки.
После бурения в скважину устанавливают арматурные каркасы, состоящие из отдельных секций, стыкуемых с помощью сварки. Длина секций обычно не превышает 3 м и лимитируется высотой помещения, в котором производят работы. Каркас оборудуют фиксаторами, которые предупреждают отклонение от оси скважины. После установки арматурного каркаса или одновременно с этой операцией в скважину опускают инъекционную трубу диаметром 25—50 мм, через которую нагнетают цементно-песчаный раствор, обжимающий стенки скважины и образующий небольшие местные выступы. После извлечения инъекционных труб верхняя часть скважины опрессовывается сжатым воздухом.
Усиление оснований и фундаментов буроинъекционными сваями успешно применено для сохранения ряда архитектурно-исторических
91
Рис. 4.22. Схема усиления фундаментов административного здания буроинъекционными сваями
1 — деревянные сваи; 2 — стены подвала; 3 — стены здания; 4 — буроинъекционные сваи; 5 — торф и заторфованные суглинки; 6 - супесь пластичная; 7 - песок средней плотности; 8 - известняки
памятников [64]. В качестве примера можно рассмотреть укрепление кирпичного четырехэтажного административного здания, возведенного в конце XIX в.-на фундаменте из деревянных забивных свай. Под всем зданием имеется подвал, стены которого выполнены из бутового камня и красного кирпича. Вследствие гниения и разрушения голов деревянных свай, а также неравномерного сжатия подстилающих их слабых грунтов в кирпичной кладке стен и сводов подвала здания постепенно стали развиваться деформации осадочного характера, к 1973 г. ширина раскрытия трещин достигла 5 см. Проектом усиления предусматривалось устройство наклонных буроинъекционных свай с обеих сторон несущих стен длиной до 25 м с заделкой нижних концов свай в известняки (рис. 4.22). Общее число свай составляло 768. Буровые работы вели с пола первого зтажа и с наружной части здания через кирпичную кладку стен. Скважины в стенах крепили обсадными трубами диаметром 146 и 168 мм, а скважины ниже разбуриваемой кладки — бентонитовым раствором. Бурение скважин выполнялось станком СБ А-500.
За рубежом [48] корневидные сваи применяют также при необходимости устройства глубоких выемок в непосредственной близости от существующих зданий. Сооружаемая ’’решетчатая” подпорная стенка удерживает от обрушения откос вместе с фундаментом. В отдельных случаях корневидные сваи органически связаны с существующим фундаментом как единое целое.
Зарубежный и отечественный опыт показал, что во многих случаях способ усиления фундаментов и их оснований корневидными сваями является более рациональным и экономичным, чем усиление фундаментов
92
Рис. 4.23. Схема усиления фундамента опускным колодцем а — установка опускного колодца перед началом погружения; б - погружение колодца на проектную глубину; в — конструкция ножа; 1 — усиливаемый фундамент; 2 - опускной колодец; 3 — котлован; 4 — обжимаемое основание; 5 - стальной резец
вдавливаемыми и буронабивными сваями, цементация или химическое закрепление грунта. Например, способ усиления корневидными сваями в 2—2,5 раза дешевле химического закрепления грунтов основания и применим в любых грунтовых условиях. Применение системы корневидных свай для усиления существующих фундаментов и их оснований особенно эффективно при реконструкции производственных зданий с заменой устаревшего оборудования. Такое усиление проводится, как правило, с минимальной остановкой производства, а в некоторых случаях и без нарушения эксплуатации.
В Харьковском ПромстройНИИпроекте [65] разработан метод усиления основания существующих фундаментов железобетонными опускным колодцами. В этом случае фундамент может иметь любые габариты в плане и, кроме того, исключается необходимость его разгрузки при ведении работ по усилению. Внутренние размеры опускного колодца на 15—20 см должны превышать габариты подошвы фундамента. В плане колодец может иметь форму окружности или прямоугольника с закругленными углами. Опускной колодец из монолитного или сборного железобетона сооружают на поверхности или на дне котлована, глубина которого на 20—30 см выше отметки подошвы фундамента. Стенки делают с заостренным ножом, при этом скос заострения устраивают снаружи (рис.4.23). Для создания дополнительного пригруза можно снаружи уступом уширить верхнюю часть колодца. Сборные колодцы небольших размеров рационально изготовлять из двух половинок с жесткими стыками.
Колодец опускают по мере выемки грунта по наружному периметру его стен. Основание фундамента сохраняется ненарушенным и в ходе опускания колодца заключается в обойму. Для обеспечения достаточной стабильности грунтового ядра внутри колодца грунт разрабатывается только в сухом состоянии с предварительным осуществлением на обводненных участках водопонижения. После погружения колодца траншея засыпается грунтом с уплотнением. Размеры колодца в плане и его глубину определяют обычным расчетом на эксплуатационные нагрузки (грунт
93
Рис. 4.24. Схема фундаментов шахтного типа глубокого заложения при реконструкции металлургического цеха 1 — шахтный фундамент; 2 — существующее здание; 3 - проектируемое здание; 4 - свайный фундамент; 5 — скала
внутри колодца рассматривается как тело, заключенное в жесткую обойму).
Опускным колодцем можно усиливать также и фундаменты под оборудование. В этом случае верх оболочки колодца жестко сопрягается с фундаментом железобетонной обоймой. По сравнению с подводкой фундаментов участками трудоемкость при устройстве опускного колод-, ца уменьшается в 2 раза, а стоимость — в 1,8 раза [65].
В отдельных случаях при необходимости увеличения шага колонн каркаса здания целесообразно использовать фундаменты шахтного типа глубокого заложения под колонны реконструируемого промышленного здания. Применение большеразмериых конструктивных схем каркаса с укрупненным шагом колонн (24—32 м) и большими пролетами позволяет осуществлять реконструкцию и замену устаревшего оборудования без остановки производства в старом здании [66]. Такие случаи особенно характерны для металлургического производства.
По проекту института Унипромедь при реконструкции металлургического цеха медеплавильного комбината были применены фундаменты шахтного типа глубиной от 12 до 28 м, прорезающие толщу насыпных и глинистых грунтов с опиранием на трещиноватую скалу с переменным' залеганием кровли (рис.4.24). Цель заложения подошвы фундамента на скальном основании состояла в проходке шахтного ствола минимальных габаритов в плане без остановки работы цеха. При этом был принят следующий порядок производства работ:
установка шаблона на месте заложения фундамента шахтного типа по габаритам проходки ствола;
проходка круглого ствола вниз захватками по 1 м с установкой арматуры и бетонированием на всю глубину до отметки подошвы, рассечка (уширение) ствола в основании на горизонтальные выработки;
установка стержневой арматуры отдельными блоками снизу вверх в пространство пройденных выработок (ствола и рассечек) и бетонирование захватками по мере установки арматурных блоков;
94
установка опорных плит для безвыверочного монтажа крановых колонн нового здания в верхней части ствола после закрепления анкерных болтов.
Площадь основания шахтного фундамента определяли из условия прочности скальных грунтов на отметке подошвы. Для определения несущей способности грунтов и опорной площади фундаментов в центре каждой выработки производилось бурение скважин с отбором кернов.
Наряду с фундаментами шахтного типа (8 из 20) на участках, свободных от застройки, по проекту института 'Фундаментпроект были выполнены свайные фундаменты (см. рис .4.24). Конструкция сваи-стойки состояла из оболочки толщиной 8—10 мм диаметром 600 мм, арматурного каркаса, устанавливаемого во внутреннюю полость трубы после бурения и бетонного заполнения. Поверху свай, принятых по расчету в количестве 10, выполнен армированный ростверк с анкерами для безвыверочного крепления башмака крановой колонны. Следует, однако, отметить, что проходка буровым станком скважин для свай с обсадными трубами из-за наличия отвалов литого шлака в насыпном слое оказалась весьма трудоемкой и потребовала применения специальных методов. В результате интенсивность работ по устройству свайных фундаментов оказалась менее эффективной, чем проходка шахтных стволов.
Возведение фундаментов шахтного типа глубокого заложения в комбинации с устройством свайных фундаментов оказалось в 3 раза дороже выполнения столбчатых фундаментов. Однако при устройстве последних из-за стесненности производственной площади пола действующего цеха потребовалась бы остановка технологического процесса. Поэтому общая эффективность этой проведенной в особых условиях реконструкции оказалась выше более чем в 5 раз. Окупаемость капитальных вложений произведена за один год вместо пяти по сравнению с новым строительством.
При усилении и реконструкции фундаментов, проводимых в непосредственной близости от фундаментов существующих зданий и сооружений на стесненной площадке и в сложных грунтовых условиях, целесообразно применять способ ’’стена в грунте” [67]. Конструктивные решения такого усиления (глубокими стенами или прямоугольными столбами) зависят от причин, вызывающих необходимость усиления фундамента мелкого заложения, грунтовых условий, величины и характера действующих нагрузок и факторов.
Так, при устройстве глубоких выемок и подвалов в непосредственной близости от фундамента усиление производится глубокими стенами или прямоугольными столбами, возводимыми между выемкой и фундаментом (рис.4.25, а). Для обеспечения устойчивости фундамента в этом случае производится расчет защемления стены в грунте с учетом нагрузок от фундамента и грунта, находящегося за стеной. Если расчетное защемление выполнить затруднительно или экономически нецелесообразно, то повышение устойчивости стен достигается устройством анкерных креплений, располагаемых между фундаментами (рис. 4.25, б и з). Глубина заделки анкеров в грунт и их сечения определяются расчетом.
Увеличения несущей способности столбчатых фундаментов можно достичь возведением у фундамента глубоких стен или столбов прямоугольного сечения, опираемых на прочное основание (рис.4.25, в). Стены или столбы могут иметь в плане двухсторонее (рис.4.25, г) и четырехстороннее (рис.4.25, д) расположения. В некоторых случаях рационально устройство стен в виде замкнутого короба (рис.4.25, е). Возведенные
95
Рис. 4.25. Схемы усиления фундаментов мелкого заложения способом ’’стена в грунте”
1 - усиливаемый фундамент, 2 - стена в грунте или прямоугольный столб; 3 -выемка; 4 - анкер; 5 — железобетонная обойма; 6 — стена в виде глубокого короба; 7 — глубокие ленты или стены; 8 — стены-перемычки
стены или столбы объединяются с усиливаемым фундаментом железобетонной обоймой (см. рис.4.25, в).
Для одновременного увеличения устойчивости основания и усиления фундамента могут быть возведены параллельные стены в виде глубоких лент, располагаемых с обеих сторон фундаментов (рис.4.25, ж). С целью повышения жесткости стены могут объединяться стенами-перемычками, устраиваемыми на меньшую глубину, чем основные параллельные стены. При такой конструкции усиления устойчивость основания увеличивается, так как оно заключено в жесткую обойму.
96
В сложных условиях строительства и реконструкции при усилении могут применяться комбинации способа ’’стена в грунте” с устройством набивных и корневидных свай, а также с различными методами химического закрепления грунта.
4.7. Усиление гидроизоляции и защита фундаментов в агрессивных средах
В процессе длительной эксплуатации имеющаяся гидроизоляция фундаментов претерпевает значительные изменения и теряет свои водозащитные функции полностью или частично. Часто гидроизоляция фундаментов нарушается в процессе их реконструкции или усиления. В этих случаях возникает необходимость в проведении работ по усилению гидроизоляции или устройству ее вновь, а также работ по изменению режима поверхностных и грунтовых вод.
Основными видами повреждений горизонтальной гидроизоляции являются: разрыв изоляционного слоя в местах образования трещин, вызываемых неравномерными осадками основания (рис.4.26, а); повреждение изоляционного слоя на большом протяжении, как следствие появления в нем больших неравномерных осадок и усадочных трещин, а также динамических воздействий на фундамент и других причин (рис.4.26, б).
В зависимости от характера разрушения гидроизоляции работы по ее восстановлению выполняются по-разному. Работы производят участками длиной по 1 м. Над поврежденным участком в стене пробивают сквозные отверстия высотой 0,3—0,4 м. Удаляют участки поврежденной гидроизоляции, расчищают основание и при необходимости выравнивают его цементным раствором. После схватывания цементного раствора и его подсушки (через сутки) укладывают по выровненному основанию гидроизоляционный слой с перекрытием старого слоя на 0,2—0,25 м. Если заменяемый участок проходил в кирпичной стене, то отверстие закладывают кирпичом с плотным заклиниванием вверху между новой и старой кладкой цементным раствором. При восстановлении гидроизоляции в бетонной или бутобетонной стене заделку производят бетоном.
Если гидроизоляционный слой находится ниже уровня земли, а также пола первого или подвального этажа, то в первую очередь необходимо обнажить места устройства нового слоя для обеспечения удобства ведения работ. Работы могут выполняться с одной стороны, при этом целесообразно вести их снаружи. Отверстия пробивают через один или через два участка на всю ширину стены. При наклейке рубероида оставляют с каждой стороны завернутыми свободные концы длиной 0,3 м для надежного перекрытия со следующими участками. Устройство гидроизоляции на участках второй очереди выполняется через 2—3 сут.
Усиление или устройство новой наружной вертикальной гидроизоляции может быть выполнено следующим образом [68]. По периметру здания вдоль стен подвала разрабатывают траншею, закрепляя ее откосы. Для предотвращения затопления траншей ливневыми водами, а также сохранения устойчивости здания траншею разрабатывают участками по 10—15 м. Перед устройством гидроизоляции стену тщательно очищают от грунта и выравнивают цементной штукатуркой состава 1:2. После схватывания и просыхания цементного раствора поверхность покрывают слоем горячего битума, на который сразу же наклеивают слой рубероида или другого материала. Затем еще раз промазывают горячим битумом и наклеивают второй слой. При необходимости изоляцию усиливают прижимной кирпичной стенкой и выполняют глиняный замок.
97
4-291
Рис.4.26. Характер повреждения гидроизоляции фундаментов стен подвала
а - схема фундамента; бив- схемы повреждения гидроизоляции соответственно одной и несколькими трещинами; 1 - фундамент; 2 — пол; 3 — рулонная горизонтальная гидроизоляция; 4 - стена подвала; 5 - стена здания; б - горизонтальная гидроизоляция; 7 - вертикальная гидроизоляция; 8 — участок повреждения горизонтальной гидроизоляции; 9 — трещина
При высоком уровне грунтовых вод работы по устройству гидроизоляции проводят после осуществления водопонижения. Технология подготовки, покраски и наклейки слоев гидроизоляции остается такой же, как и при выполнении новой гидроизоляции [68,69].
Методы защиты фундаментов и подвальных стен от коррозии, вызванной агрессивным воздействием грунтовых вод, в основном такие же, как и при защите подземных конструкций от увлажнения. Различие состоит лишь в том, что используемые для выполнения химически стойкой изоляции материалы должны быть подобраны с учетом их устойчивости в агрессивной среде [70]. Вид антикоррозионной защиты поверхности фундаментов и подземных сооружений, подверженных воздействию агрессивных грунтовых и производственных вод, следует принимать по табл. 4.2.
Выбор гидроизоляции пола, от водонепроницаемости и стойкости которой во многом зависит сохранность фундаментов и их оснований, определяется степенью и интенсивностью агрессивного воздействия жидких сред [69,70], а именно:
а) при малой интенсивности воздействия слабоагрессивных жидких сред должна предусматриваться обмазочная гидроизоляция, выполненная из мастик на основе битума или полимеров;
б) при средней и большой интенсивности воздействия слабоагрессивных жидких сред и при малой интенсивности воздействия средне- и сильноагрессивных сред должна предусматриваться оклеенная гидроизоляция, выполненная из рулонных материалов на основе битумов’ или рулонных листовых пластмасс (два-три слоя);
в) при большой интенсивности воздействия сильноагрессивных жидких сред должна предусматриваться оклеенная гидроизоляция с числом слоев, увеличенным на один-два слоя по сравнению с числом, указанным по п. ”б”.
98
Таблица 4.2. Виды защитных покрытий для фундаментов и подземных сооружений
Вариант антикоррозионной защиты поверхности Виды защитных покрытий поверхности при воздействии среды
слабоагрессивной среднеагрессивной сильноагрессивной
1 Битумные Холодные и горячие асфальтовые Эпоксидные, каменно-угольно-эпоксидные^и-тумно-эпоксидные
2 Битумио-латексные Оклеенные битумными рулонными материалами (гидроизол, изол) с защитной стенкой Оклеенные, усиленные рулонными материалами с защитной стенкой
3 Битумно-латексные Оклеечные химически стойкими пленочными материалами (полиизобутилен, полиэтилен, поливинилхлорид) или армированные стеклотканью
4 — — Полимеррастворы на осно-
ве термореактивных синтетических смол
Защита фундаментов, подверженных воздействию технологических проливов, а также находящихся в увлажненных и закисленных грунтах, должна производиться с учетом трех возможных случаев воздействия на них агрессивной среды [71].
1. Случайное попадание агрессивных сред в грунтовое основание; при этом уровень грунтовых вод расположен ниже отметки заложения фундамента.
2. Постепенное загрязнение грунта агрессивными средами при отсутствии грунтовых вод.
3. Постепенное загрязнение грунта агрессивными средами при подъеме уровня грунтовых вод выше подошвы фундамента.
В первом случае воздействия среды боковую поверхность фундамента покрывают слоем холодной битумной грунтовки и двумя-тремя слоями холодного или горячего битума (рис.4.27, а). При этом щебеночная подготовка должна быть пропитана битумом. Во втором случае боковые поверхности фундамента после нанесения двух-трех слоев битумной окраски оклеивают двухслойной рулонной изоляцией (изолом, гидроизолом и др.) на битумной мастике (рис.4.27, 6). В третьем случае воздействия среды боковую поверхность оклеивают двухслойной изоляцией с устройством прижимной или защитной стенки (рис.4.27, б). Эта стенка выполняется из кислотоупорного или клинкерного кирпича на битумной мастике (горячий битумный раствор с песком), а также из обычного или кислотостойкого бетона.
Защитные покрытия бетонных фундаментов от агрессивного воздействия грунтовых вод по их надежности предлагается разделять на три группы [72].
Группа 1 — покрытия в виде битумно-бензиновой грунтовки (1:2 — 1:3) с последующей окраской за 2—3 раза битумно-бензиновым лаком
99
Рис.4.27. Схема защиты фундаментов от коррозии
1 — защитная подготовка; 2 - фундаментная подушка; 3 — фундаментные блоки;
4 — защитная окраска; 5 — стена; 6 - отмостка; 7 - обратная засыпка; 8 - столбчатый фундамент; 9 — оклеенная гидроизоляция; 10 — глиняный замок; 11-колонна; 12 - прижимная кирпичная стенка
с постоянным увеличением доли битума в смеси (от 1:1 до 2:1). Битумнобензиновый лак можно заменить на один-два слоя битумного расплава по той же грунтовке. Рекомендуется устраивать глиняный замок в виде набивки жирной глиной слоем высотой 20—50 см между стенками фундамента и котлована. При этом глина должна быть хорошо размята и при укладке тщательно уплотнена.
Группа 2 — покрытия в виде защитных штукатурок, наносимых по би-тумно-бензиновой грунтовке. Материал для штукатурного слоя готовится путем разогрева битума с постепенным подмешиванием в него зеленого масла, а также мелкого песка. Общая толщина штукатурки 6—10 мм.
Группа 3 — покрытия в виде оклеенной изоляции в два-три слоя рубероида на битумной мастике по битумно-бензиновой грунтовке. Кроме рубероида можно использовать бризол, гидроизол или другие стойкие рулонные материалы. В наиболее ответственных случаях возможна наклейка слоя полиизобутилена или поливинилхлорида.
Для защиты фундаментов в условиях действия слабых минеральных и органических кислот используется оклейка их поверхности полиэтиленовой пленкой, дублированной стеклотканью, бумагой или песком по расплавленному битуму [73] Полиэтиленовая пленка в данном случае является надежным изоляционным экранирующим материалом. Дублирующий слой предохраняет полиэтилен от сгорания и механического по; вреждения при укладке на горячий расплав битума и обеспечивает удовлетворительное сцепление пленки с поверхностью бетона.
Для устройства надежной изоляции от действия кислот предложено [73] покрытие из гибкого стеклопластика — полиэтиленовой пленки, дублированной с обеих сторон стеклотканью. Покрытие изготовляется из листовых материалов с помощью вулканизатора непрерывного действия. Такое покрытие водо- и газонепроницаемо при передаче давления 03—0,5 МПа, устойчиво к действию соляной, серной и синтетических жирных кислот и может быть рекомендовано для защиты поверхностей фундаментов.
100
Рис. 4.28. Схема защиты фундаментов под оборудование от коррозии
1 — фундамент; 2 — пол; 3 — кислотоупорная облицовка; 4 — раствор; 5 — опорная защитная плита; 6 — химически стойкая изоляция; 7 — анкерный болт; 8 — фасонный элемент из химически стойкого материала
При наличии жидких агрессивных сред железобетонные и бетонные фундаменты под металлические колонны должны выступать над уровнем пола не менее чем на 300 мм. При невозможности соблюдения данного требования необходимо предусматривать обетонирование нижних участков колонн на высоту 500 мм выше уровня пола и защиту от попадания агрессивных сред отгибом вверх рулонной изоляции пола на высоту 300 мм.
Фундаменты под оборудование должны быть защищены от воздействия агрессивной среды и иметь гидроизоляцию пола, обеспечивающую непроницаемость защитного покрытия. При систематическом попадании на фундамент средне- и сильноагрессивных жидкостей необходимо дополнительно предусматривать устройство поддонов под оборудованием из химически стойких материалов. Подземные части фундаментов под оборудование защищают так же, как и фундаменты здания.
При выборе защиты фундаментов под технологические аппараты необходимо учитывать возможность и число проливов раствора.
Фундаменты под оборудование работают в тяжелых условиях, особенно когда подвергаются вибрациям и механическим повреждениям, что может привести к отслоению защитных покрытий и попаданию на бетон агрессивных сред. Наиболее уязвимыми являются места крепления анкерных болтов к фундаментам при отсутствии непроницаемого изоляционного слоя [74].
Иногда опорная часть фундамента защищается кислотоупорным кирпичом, а боковые поверхности — кислотоупорным кирпичом или более легкими штучными материалами — керамическими или диабазовыми плитками. Вместо облицовки бетонных фундаментов под оборудование штучными материалами можно использовать стеклопластики. Все большее применение при защите фундаментов находит полимербетон.
Защита фундаментов выше уровня пола осуществляется аналогично защите пола (рис.4.28, а). Если фундамент выполнен из химически стойкого кирпича или другого материала, то облицовывают все поверхности фундамента (рис.4.28, б). Если оборудование вызывает вибрацию, то его анкеровка в фундаменте представляет особую трудность. Часто в фундаменте оставляют отверстия для анкерных болтов, которые после
101
установки оборудования необходимо залить раствором. Однако в случае вибрации, даже при использовании высокоплотных мастик на основе синтетических смол появляются трещины, через которые агрессивные жидкости проникают в бетон. Поэтому для антикоррозионной защиты применяют специальные фасонные изделия из плотных химически стойких материалов, забетонированные в фундамент. В эти фасонные изделия и устанавливают анкерные болты, которые затем заливают химически стойкой мастикой (рис.4.28, в).
Оценка опасности электрокоррозии железобетонных фундаментов и подземных конструкций производится по значению измеренной разности потенциалов арматура — бетон, арматура — грунт, а также по значению градиента потенциала на поверхности бетона вдоль арматуры. Измерения следует производить в период наибольшей влажности грунта.
Опоры или фундаменты, выполненные из ненапряженного железобетона, площадь поперечного сечения арматуры которых уменьшилась в результате коррозии на 10% и более, должны быть заменены новыми или усилены. При уменьшении вследствие электрокоррозии площади поперечного сечения арматуры фундамента менее чем на 10% арматуру необходимо очистить от продуктов коррозии и заделать вскрытый участок бетона, а затем восстановить изоляцию. Усиленные фундаменты и подземные конструкции в процессе эксплуатации должны находиться под особым наблюдением.
Фундаменты с анкерными болтами заменяются или усиливаются в тех случаях, когда уменьшение поперечного сечения болта, работающего на растяжение на участке без резьбы, превышает 20%, а болта, работающего на сжатие, - 30%.
Защита железобетонных фундаментов от электрокоррозии может выполняться путем окрасочной изоляции битумными мастиками. Более эффективную защиту от злектрокоррозии фундаментов создают полиэтиленовые покрытия, этиленовая змаль на основе эпоксидных смол. Для предотвращения попадания блуждающих токов из грунта на арматуру фундамента следует производить оклейку поверхностей 2—3 слоями изоляционных материалов. Такими материалами могут служить листовые и рулонные гидроизол, изол, бризол, релин и др. Технология наклейки материалов такая же, как и при обычной антикоррозионной защите [68, 69].
4.8. Особенности технологии производства работ
Работы по усилению и реконструкции фундаментов мелкого заложения должны осуществляться с особой тщательностью под авторским надзором организации, запроектировавшей усилие, в сжатые сроки с максимальным применением механизмов (в особенности средств малой механизации) и сборных конструкций, с обеспечением высокой производительности труда.
Работы выполняются небольшими захватками с таким расчетом, чтобы бетонирование каждой следующей захватки начиналось после того, как ранее уложенный бетон достигнет необходимой прочности. При сопряжении старого бетона с новым образуются швы примыкания, шероховатость поверхности которых достигается обработкой металлическими щетками, пескоструйными аппаратами и отбойными молотками, имеющими специальные приспособления для насечки. За час до укладки бетонной смеси подготовленную поверхность усиливаемого фундамента про-102
мывают водой в количестве, которое не должно существенным образом сказываться на состоянии грунтов основания. При разбивке и изменении конфигурации массивных железобетонных фундаментов рекомендуется использовать методы, описанные в работе [28. с.54—57,109—110].
При усилении фундаментов следует применять бетон марки не ниже М200 и арматурные стержни - классов А-1, А-li или А-Ill. Фасонный прокат для элементов усиления должен быть из углеродистой стали марок ВСтЗпс и 13СтЗкп подгруппы В (ГОСТ 380—71). Сварку осуществляют электродами типа Э-42 или Э42А. Пробивка отверстий и приварка коротышей должны производиться без нарушения рабочей арматуры существующей конструкции.
Железобетонные элементы усиления, подвергающиеся воздействию агрессивной среды, изготовляют из плотного водонепроницаемого бетона с водоцементным отношением 0,55. Показатели плотности бетона берут в зависимости от агрессивности среды. В качестве вяжущего принимают высокопрочный портландцемент и сульфатостойкий портландцемент. Повышенные требования предъявляют к чистоте фракционного состава, плотности и прочности мелкого и крупного заполнителя. Толщина защитного слоя бетона должна быть не менее 30 мм.
До бетонирования фундаментов производится приемка установленной стержневой или жесткой арматуры, анкерных болтов и закладных деталей, устанавливаемых с помощью инвентарных кондукторных устройств, и составляется акт на скрытые работы. При бетонировании в максимальной степени следует использовать типовые унифицированные опалубки конструкции ЦНИИОМТП и Приднепровского Промстройпроекта. Опорный каркас опалубки состоит из стальных железобетонных стоек и балок, раскрепленных связями из стержневой арматурной стали.
В условиях действующих предприятий при реконструкции в 1,5—2 раза возрастает объем бетонных работ, так как традиционные методы подачи бетонной смеси с помощью кранов и бетоноукладчиков во многих случаях применить нельзя' Для этой цели в проектах производства работ следует предусматривать использование автобетононасосов БА-80-20 и пневмобетононагнетателей ПРН-500, отличающихся высокой производительностью и создающих минимальные помехи действующему производству, а при малых объемах бетонных работ и большой стесненности — электроподъемников со специальными вибробункерами, которые позволяют комплексно механизировать бетонные работы при объемах бетонирования до 20 м3. При этом бетонная смесь уплотняется вибраторами с гибким валом.
После бетонирования фундаментов производят повторный осмотр выполненных конструкций, а при необходимости выполняют геодезическую проверку правильности установки анкерных болтов, закладных деталей и опорных частей конструкций.
При усилении фундаментов из бутовой или кирпичной кладки необходима тщательная расчистка имеющихся трещин,-промывка их известковым или известково-цементным молоком с последующей заделкой их бетоном или новой кладкой на цементном растворе.
При реконструкции зданий и сооружений, связанной с повышением нагрузок на усиливаемые фундаменты и осуществляемой вблизи существующих зданий, целесообразно устройство между усиливаемым и существующим фундаментом разделительной стенки, которую погружают ниже сжимаемой толщи по возможности срезкой в плотные грунты. Разделительную стенку выполняют из шпунта, буронабивных или буроинъекци
103
онных свай, столбов из химически закрепленного (или термообожженного) грунта или из железобетона способом ’’стена в грунте”. В особо стесненных условиях разделительную стенку можно выполнять из металлических труб буровым способом (например, с помощью установки БТС-2) в такой последовательности. Вначале бурят лидерную скважину, затем в нее опускают звено трубы, а сверху устанавливают второе звено, которое сваривают с первым. После этого трубы вдавливают в грунт и при необходимости устанавливают следующее звено. По торцам разделительной стенки устраивают шпоры шириной Ьш = 0,25 Н, где Н — мощность сжимаемой толщи. Разделительные стенки во многих случаях целесообразно сочетать с конструкцией усиления фундаментов.
Глубина заложения рядом стоящих фундаментов, расположенных на разных отметках, например в местах примыкания реконструируемого здания к существующему или в случае расположения фундамента вблизи тоннелей, каналов и других подземных сооружений, должна приниматься в соответствии с [31, с.89 -90].
Для обеспечения безопасности работ по усилению и реконструкции фундаментов (особенно в связи с возможностью проявления неожиданных осадок) часть здания или отдельные колонны укрепляют временными опорами, т.е. производят их вывешивание. Вывешивание осуществляют с помощью рандбалок, врубаемых в кладку стены или фундамента, разгрузочных балок, подкосных и подкосно-ригельных конструкций, а также производят вывешивание на сваях и шпренгельное вывешивание.
Число креплений и опор при вывешивании и их тип зависят от конструкции усиливаемого или реконструируемого сооружения, степени прочности его элементов, конструктивного решения усиления, а также метода производства работ.
При подводке фундаментов под отдельно стоящие фундаменты небольшой площади устройство временных опор является, как правило, обязательным. При подводке их под длинные ленточные фундаменты и под прямоугольные с большой площадью подошвы при их достаточной прочности можно обойтись без устройства каких-либо дополнительных опор и крепления. Работы в этом случае производят на отдельных участках в определенной последовательности так, чтобы площадь грунта, нарушенного в период производства работ на данном участке, составляла небольшой процент (не более 20) всей площади подошвы фундамента.
Вывешивание с помощью рандбалок, врубаемых в кладку стены или фундамента, применяется при подводке ленточных фундаментов, воспринимающих небольшие нагрузки. В этом случае нагрузка передается на соседние участки фундамента. Для установки рандбалок с обеих сторон стены последовательно вырубаются горизонтальные штрабы, в которые на растворе устанавливают металлические балки. Благодаря рандбалкам фундамент работает на изгиб, что позволяет производить работы по разработке грунта и усилению фундаментов без дополнительных опор.
Другим способом вывешивания является применение разгрузочных стальных балок из прокатных профилей или сварной конструкции. При таком вывешивании в стенах пробивают сквозные отверстия, через которые пропускают поперечные балки. Стену у отверстия усиливают металлической или бетонной подкладкой для предотвращения разрушения кладки при концентрации местных напряжений. Концы балок опираются на временные опоры из шпальных клеток. Нагрузку на балки передают клинь-йми или домкратами. Для уменьшения пролета балки временные otto-ры следует располагать возможно ближе к стене, но не в ущерб устойчи-
104
Рис. 4.29. Схемы вывешивания стен при замене фундаментов
1 - стена; 2 - подкос; 3 - клинья; 4 - подкладка из брусьев; 5 - шурф (траншея); б - тяж со стяжной муфтой; 7 - балка; 8 - горизонтальный брус; 9 - стойка (опора) крепления перекрытия; 10 - перекрытие
вости грунта в откосах котлована у фундамента. Для тяжелых сооружений и слабых грунтов вместо шпальных клеток временные опоры устраивают из бетона или железобетона.
При усилении ленточных фундаментов вывешивание стен производят с помощью подкосных креплений, которые могут быть двухсторонними (рис. 4.29, а) и односторонними с разгрузочной горизонтальной балкой (рис. 4.29, б). Верхние концы подкосов упирают в гнезда, выполненные в стене и усиленные прокладкой обрезков балок Z-образного профиля, нижние — в подушки, которые чаще всего выполняют в виде перекрещенных деревянных брусьев. Включение подкосов в работу осуществляют путем подбивки клиньев или обжатия домкратами.
До усиления ленточных фундаментов многоэтажных зданий нагрузку от перекрытий целесообразно передавать на временные вертикальные опоры (см. рис. 4.29, б), которые выполняют снизу вверх в следующем порядке. Вначале устраивают временные опоры в подвале или нижнем этаже, затем такие же опоры устраивают на следующем этаже и таким образом до самого верхнего этажа. Во всех последующих этажах основаниями для стоек служат брусья, уложенные поперек направления балок перекрытия. Опорные конструкции во всех этажах делают одну над другой в одной вертикальной плоскости и на расстоянии 1,5—2 м от стены, чтобы исключить влияние нагрузки от основания временных опор на котлован и шурфы, устраиваемых при работах по усилению оснований и фундаментов. В целях увеличения устойчивости конструкций между стойками устанавливают через один-два пролета подкосы.
Сочетанием описанных способов укрепления стен подкосами и временными вертикальными опорами являются подкосно-стоечные системы, которые особенно эффективно применять при использовании проемов в стенах.
Усиление столбчатого фундамента с разгрузкой нижней части колонны (рис. 4.30) можно выполнить способом, предложенным В.С. Рокочем
105
Рис. 4.30. Раскосная система для разгрузки фундамента и нижней части колонны а — общий вид; б — устройство для предварительного сжатия подкоса; 1 — фундамент; 2 - элементы усиления; 3 — колонна; 4 — металлическая обойма; 5 - предварительно сжатый раскос; 6 — поперечный элемент; 7 — упоры; 8 — металлические тяжи
Рис. 4.31. Схема вывешивания колонн с помощью шпренгельной системы при замене фундамента
1 - заменяемый фундамент; 2 - элементы шпренгеля для вывешивания первой очереди колонн; 3 - то же, второй очереди; 4 - вывешиваемая колонна
[54]. Рядом с существующим фундаментом устанавливают сборные железобетонные балки усиления, на колонне закрепляют металлическую обойму. К обойме и поперечному элементу приваривают предварительно сжатый раскос. После снятия предварительного напряжения в металлических тяжах предварительно сжатые подкосы включаются в работу, передавая расчетную часть нагрузки с колонн на железобетонные элементы усиления.
В стесненных условиях реконструкции возможно вывешивание колонн с помощью шпренгельной системы, передающей нагрузку на смежные колонны (рис. 4.31). Последние применяются тогда, когда каркас здания имеет достаточную несущую способность. При использовании шпренгель-ных систем для вывешивания колонн должно обеспечиваться особо тщательное и качественное выполнение конструкций. Хомуты на колоннах не должны вызывать местных концентраций напряжений и разрушения конструкций.
При значительных и в особенности неравномерных осадках основания (просадочные,слабые водонасыщенные грунты и др.) нередко возникает необходимость возвращения фундамента или надфундаментной конструкции в первоначальное положение, что является особенно важным для столбчатых фундаментов. Подобные случаи подъема фундаментов детально рассмотрены в работе [1, с.76—79]. В зависимости от вида колонн (столбов) и передаваемых нагрузок подъем фундамента может быть осуществлен следующими способами.
Для фундаментов, воспринимающих сравнительно небольшие нагрузки, рекомендуется подъем самого фундамента с помощью домкратов и закрепляемой на колонне подъемной траверсы с последующей подводкой под подошву фундамента сборных или монолитных железобетонных плит. При значительных размерах фундамента целесообразно выполнить подъем колонны, опереть ее на специальную стальную или железобетон-106
Рис. 4.32. схема вымешивания колонн на сваях
1 — сваи; 2 — новый фундамент; 3 — заменяемый элемент; 4 - домкраты; 5 - колонна; 6 - ребра жесткости; 7 - балки; 8 -распределительная балка
ную стойку и затем заделать колонну в новый стакан, который устраивают в виде железобетонной обоймы сверху существующего фундамента. Для металлических колонн более эффективным может оказаться подъем колонны с наращиванием анкерных болтов и дополнительным бетонированием верхней ступени фундамента.
В Новокузнецке [75] при усилении фундамента одной из колонн одноэтажного промышленного здания без перерыва в эксплуатации были применены мощные горизонтальные балки на временных опорах. Усиление производили в два приема: сначала временно передавали нагрузку от колонны (около 4000 кН) на пол цеха, а затем устраивали набивные сваи. Для передачи нагрузки на пол цеха была изготовлена специальная стальная конструкция, состоящая из нижней опорной части и верхней рамы, Опорную часть конструкции устанавливали на сплошной настил из стальных брусьев размером 100x100 мм, уложенных на песчаную подушку толщиной 100 мм, при этом давление на пол составило 0,5 МПа. Верхнюю раму подводили под консоли, приваренные к ветвям колонны. Между рамой и нижней опорой конструкции помещали четыре домкрата грузоподъемностью 1000 т, с помощью которых вывешивали колонну.
В качестве временных опор могут применяться сваи, использование которых рационально при строительстве на слабых грунтах, при больших нагрузках и в стесненных условиях работ. Так, вывешивание колонн на сваях было применено при реконструкции прокатных цехов Кировского завода в Ленинграде [76]. В процессе реконструкции необходимо было заменить старые фундаменты (глубина заложения 2,4-3,4 м) новыми с глубиной заложения 5,4—8,4 м без демонтажа конструкций каркаса здания.
Для вывешивания колонн вокруг каждого фундамента погружали металлические трубчатые сваи (рис. 4.32) и по ним устраивали временный металлический ростверк. Нагрузку от колонны на ростверк передавали с помощью жестких ребер, приваренных к колонне. Для этого после срезки анкерных болтов колонну вывешивали двумя домкратами ДГ-100, расположенными между балками, на величину ожидаемых осадок (2—3 см)
107
Рис. 4.33. Кондуктор подкосной системы с затяжкой
1 - обойма; 2 — подкос; 3 - нижний узел; 4 — направляющая рама; 5 — затяжка; б — тяга; 7 — опорная плита под домкраты; 8 — домкрат
временного свайного ростверка и нового фундамента. В зазор между ростверком и жесткими ребрами колонны устанавливали металлические подкладки, которые затем обваривали.
В процессе разработки грунта металлические трубчатые сваи объединяли в пространственную систему с помощью раскосов, соединяемых сваркой. Колонны, между которыми были установлены связи, вывешивали одновременно четырьмя домкратами. Для вывешивания одной колонны погружали восемь свай из труб диаметром 426 мм. Сваи длиной 13,5 м сваривали по длине из отдельных труб. Старые фундаменты разрушали взрывным способом с помощью мелких шпуров.
После возведения фундамента производили постепенное загруже-ние его путем подрезания жестких ребер колонн и разборки временных креплений для их вывешивания. Трубчатые сваи срезали на уровне подошвы фундамента и использовали вторично. Фундаменты заменяли одновременно по всей длине одного ряда колонн. На замену одного фунда
108
мента затрачивали 10—15 сут. Вывешивание колонн производила бригада из четырех человек.
Применение подкосов с затяжкой эффективно не только для вывешивания, но и для восстановления зданий, находящихся в аварийном состоянии. Примером этому может служить предотвращение разрушения пятиэтажного здания гидролизного завода [77] высотой 24,5 м с сеткой колонн 6x6 м. Поперечные рамы каркаса состоят из сборных железобетонных колонн и сборно-монолитных ригелей; фундаменты — столбчатые, железобетонные. Колонны опираются на подколенники сечением 0,35x0,55 и высотой 1,55 м.
Аварийное состояние здания возникло при следующих обстоятельствах. Гидролизный аппарат массой 25 т перемещали по неспланирован-ному грунту с помощью 5-тонной лебедки и полиспаста. Нейодвижный блок полиспаста закрепили на колонне на отметке — 0,2 м. При полном натяжении нитки полиспаста подколенник на отметке — 0,6 м разрушился. Колонна под действием веса строительных конструкций дала осадку на 290 мм и сместилась в сторону полиспаста на 250 мм, а по отношению к оси — на 150 мм. Рабочее сечение между верхней и нижней частями разрушенного подколенника уменьшилось до 30 % полного поперечного сечения подколенника.
Вместе с колонной осели прилегающие участки покрытия и перекрытия. Рамные узлы деформировались: закладные детали оторвались от анкеров, опорные стержни рамных узлов растянулись, бетон в узлах разрушился. Замоноличенные стыки плит перекрытий также разрушились.
Для предотвращения разрушения здания и его восстановления изготовили и установили специальный кондуктор из двух подкосов и затяжки (рис. 4.33). Верхний узел кондуктора в виде металлической обоймы охватывает колонну и ее консоли. Подкос соединен с обоймой в расчете на то, что вертикальная составляющая усилия в нем будет сдвигать обойму и консоли колонн. Нижние узлы кондуктора (сопряжение подкосов с затяжкой) опираются через два ряда опорных балок на временные фундаменты, устроенные на расстоянии 3 м от разрушенного фундамента.
После установки кондуктора, который обеспечивал передачу вертикальной нагрузки от колонны на временные фундаменты, колонны поднимали с помощью четырех гидравлических домкратов ДГ-100 (по два под каждый нижний узел кондуктора). Подъем колонны, контролируемый с помощью нивелира, осуществляли ступенями (20-50 мм) с остановками, во время которых осматривали состояние конструкций. Порядок выполнения работ детально описан в работе [77].
ГЛАВА 5. УСИЛЕНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
5.1. Методы усиления ростверков
При обследовании ростверков, выполняемом путем детального шурфования вблизи всех его граней, выявляют следующие их недостатки, уменьшающие несущую способность фундаментов:
наличие отдельных трещин, каверн, раковин, выколов или пустот;
коррозия наружного слоя бетона (вследствие действия агрессивных грунтовых вод или электрокоррозии);
109
сквозные трещины из-за неравномерных осадок свай в кусте;
недостаточная прочность бетона (из-за ошибок при строительстве или вследствие его старения);
недостаточное армирование (например, из-за увеличения нагрузки на фундамент при реконструкции здания или сооружения);
некачественное сопряжение со сваями.
Способ усиления ростверков выбирают в зависимости от характера повреждения и вызвавших его причин. Так, ремонт мелких поверхностных трещин, заделку выколов, устранение раковин, ликвидацию небольших неразвивающихся трещин и других мелких дефектов в поверхностных слоях бетона производят путем затирки влажным цементом и оштукатуриванием в несколько слоев дефектных мест. Перед нанесением штукатурки поврежденную поверхность очищают от слабого бетона, а арматуру — от ржавчины. Для лучшего сцепления штукатурки бетонную поверхность насекают зубилом и перед штукатуркой смачивают водой. Первый слой штукатурки толщиной 5—7 мм делают цементным раствором состава 1:1, а последующие ее слои — цементным раствором состава 1:3, нанося их после схватывания каждого предыдущего.
Небольшие неразвивающиеся трещины ликвидируют следующим образом. Трещины расчищают на такую глубину, где бетон находится в неповрежденном состоянии. Расчистку трещин производят обычно вручную зубилом и крейцмейселем, а при значительных объемах используют механизированный инструмент, например, пневматическое зубило. После расчистки трещину промывают струей воды под напором. Непосредственно перед заполнением раствором поверхность трещины поливают цементным молоком. После этого в трещину с помощью нагнетательного аппарата подают под давлением цементный раствор состава 1:2 и уплотняют его специальной штыковкой.
При коррозии наружного слоя бетона ростверков, а также для исправления и предохранения от дальнейшего разрушения выветрившейся и трещиноватой их поверхности следует применять торкретирование путем нанесения на поверхность ростверков под давлением цементного раствора, состоящего из одной части цемента, трех—пяти частей песка и 10—18 % воды по отношению к массе цемента. Перед торкретированием поверхность ростверка должна быть тщательно очищена стальными щетками или пескоструйным аппаратом, продута сжатым воздухом и промыта водой под давлением. Торкретирование рекомендуется производить це-мент-пушкой или установкой с пневматическим аппаратом КР по металлической сетке с ячейками размером 5—10 см при диаметре проволоки около 5 мм. Сетку привязывают вязальной проволокой к анкерам диаметром 8—10 мм, заделанным в ростверк на 15—25 см. Расстояние между анкерами в обоих направлениях составляет 40—80 см. Торкрет наносят под давлением 0,4—0,6 МПа толщиной 20—40 мм в два-три слоя полосами шириной 1—1,5 м сверху вниз. Каждый последующий слой наносят после схватывания предыдущего.
При серьезных повреждениях железобетонных ростверков любых видов (плит, подколенников, монолитных лент, насадок и т.д.) производят более крупные ремонтные работы. Глубокие трещины, пустоты в бетоне и т.д. исправляются путем нагнетания цементного раствора под давлением. Для этого в массиве ростверка перфораторами бурят вертикальные или наклонные скважины диаметром 36—75 мм, располагая их в шахматном порядке. Расстояние между скважинами принимают ориентировочно 0,9—1,3 м — при нагнетании раствора без добавок и 1,1—1,6 м —
НО
при нагнетании раствора с пластифицирующими добавками. Длина наклонных скважин не должна быть более 3/8 толщины массива при бурении с обеих сторон массива и более 3/4 — при бурении с одной стороны. Общее число и расположение скважин устанавливают в зависимости от степени разрушения материала ростверка, а также от расположения рабочей арматуры ростверка, поскольку скважины должны буриться между стержнями арматуры (их положение устанавливают по имеющимся чертежам ростверка или пробным бурением).
После окончания бурения всех скважин бетон через инъекционные трубки промывают водой под давлением 0,2—0,4 МПа [68]. При промывке определяют способность поглощения воды материалом ростверка, а следовательно, объем пустот, который необходимо заполнить цементным раствором, а также выявляют все трещины и пустоты, через которые раствор может вытекать при нагнетании. Эти трещины перед цементацией заделывают паклей или мешковиной. После промывки производят продувку сжатым воздухом через скважины в том же порядке, как делали промывку.
Для цементации обычно применяют водоцементный раствор состава от 1:10 до 1:1 (отношение цемента к воде по массе). В начале нагнетания применяют более жидкую консистенцию от 1:10 до 1:4 при давлении около 0,1 МПа, а к концу — до 1:1 при давлении до 0,5—1,1 МПа. При малых поглощениях раствора (мелкотрещиноватая структура) состав раствора в процессе нагнетания не изменяют, но значительно увеличивают давление (до 1,1 МПа).
Для повышения качества нагнетаемого раствора и улучшения его проходимости через трещины в бетоне рекомендуется применять пластифицирующие добавки. Добавки вводят путем перемешивания их с сухим цементом или разбавленными в воде в следующей пропорции: сульфатно-спиртовой барды 0,25 % или мылонафта 0,75—1 % массы цемента. В зависимости от мощности нагнетательных аппаратов (механические или поршневые или насосы, работающие на сжатом воздухе) нагнетание водоцементного раствора может производиться в одну скважину или одновременно в несколько скважин. При расположении скважин на боковых поверхностях ростверка нагнетание ведут последовательно снизу вверх, начиная с самых нижних скважин. Вертикальные скважины заполняют, начиная от расположенных на внутренних участках ростверка и кончая расположенными у наружных.
При сквозных трещинах в ростверке, при недостаточной прочности бетона при недостаточном армировании, а также для предотвращения дальнейшего развития опасных вертикальных трещин в ростверке наряду с цементацией можно устраивать железобетонные обоймы. При незначительных размерах ростверка обойма, как правило, выполняется сплошной по всей высоте ростверка (рис. 5.1, а). Такая обойма обычно изготовляется замкнутой по периметру ростверка. Если имеется разрушение бетона и в нижней грани ростверка, то необходимо выполнить цементацию грунта под ростверком. При большой высоте ростверков (опоры, подколенники и пр.) такие обоймы могут выполняться в виде отдельных железобетонных поясов (рис. 5.1, б) высотой 1—1,5 м и толщиной 25— 40 см. Арматура пояса прикрепляется к телу ростверка специальными анкерами (штырями) или приваривается к оголяемой рабочей арматуре ростверка. При устройстве поясов одновременно с цементацией тела ростверка анкеры заделывают в скважинах, через которые нагнетают цементный раствор.
111
Рис. 5.1. Различные схемы усиления ростверков
1 - сваи; 2 - ростверк; 3 — железобетонная обойма (пояс, рубашка); 4 - зацементированный щебень; 5 — замкнутое ограждение, выполненное способом "стена в грунте"
Арматура поясов и сплошных обойм должна быть замкнутой по периметру ростверка. В железобетонной обойме и поясах рекомендуется применять предварительно напряженную арматуру. Иногда вместо обычной арматуры применяют металлические хомуты, состоящие из рельсов, дву-таров или швеллеров, стянутых круглыми металлическими тяжами, пропущенными сквозь ростверк. На концах тяжей имеются гайки, с помощью которых производят натяжение. Расчет поясов и обойм, как и любого другого вида усиления ростверков, производится на ту долю полезной нагрузки, которую не может воспринять усиливаемый ростверк. Эта доля ориентировочно устанавливается в результате обследования реконструируемого фундамента. При этом важно обеспечить совместную работу свай, старого ростверка и элементов усиления. Если по каким-либо причинам зто не удается (например, невозможно осуществить цементацию под ростверком или любым другим способом усилить его нижнюю грань), то необходимо добавлять сваи, опирать на них устраиваемую железобетонную обойму и максимальную часть нагрузки передавать на эту обойму. При незначительных разрушениях ростверка, когда он продолжает воспринимать основную долю нагрузки, размеры и армирование поясов, обойм и других элементов усиления принимают конструктивно.
В случаях когда вскрытие ростверка для усиления представляет значительные трудности из-за большого притока воды или наличия оплывающих грунтов, усиление производят с применением метода ’’стена в грунте” (см. рис. 5.1, г). В этом случае вокруг ростверка (отступив от него на расстояние, необходимое для размещения конструкций усиления) разрабатывают траншею под защитой глинистого раствора одним из имеющихся механизмов (широкозахватный грейфер, штанговый экскаватор, барражная машина и т.д.). В траншею опускают арматурный каркас будущей железобетонной стены в грунте и бетонируют стену методом вертикально-перемещаемой трубы (ВПТ). Вокруг ростверка образуется железобетонное кольцо, между внутренней гранью которого и внешней гранью ростверка можно извлекать грунт. Огражденный ростверк усиливается любым из* известных способов. Обычно внутри стены в грунте вокруг ростверка устраивается железобетонная рубашка, кото-
112
Рис. 5.2. Схема усиления сопряжений ростверка со сваями
а - при расположении головы сваи от подошвы ростверка до 50 см; б - то же, до 30 см; 1 - свая; 2 - утолщение ростверка; 3 - дополнительная арматура утолщения; 4 — хомуты; 5 — арматура, наваренная к продольной арматуре сваи; б — железобетонный ростверк; 7 - продольная арматура ростверка
рая для повышения несущей способности может соединяться с конструкцией стены в грунте. Глубина траншеи для стены в грунте обычно принимается из условия безопасной выемки грунта из замкнутого контура траншеи и устойчивости ограждения без дополнительных креплений. По этим же соображениям выполняется расчет ограждения стены в грунте. При большой глубине заложения ростверка между ограждением и ростверком целесообразно устанавливать распорки, которые затем остаются в теле железобетонной рубашки. Ширина стены в грунте зависит от применяемого для разработки траншеи оборудования и обычно не превышает 600 мм.
При усилении ростверков в агрессивных средах толщина защитного слоя бетона для арматуры должна быть не менее 30 мм. При наличии сульфатных вод бетон следует применять на сульфатостойком портландцементе. Поверхность ростверка следует защищать антикоррозионной покраской, как и при выполнении обычных фундаментов.
Особо следует рассмотреть способы усиления ростверков при нарушении их сопряжений со сваями в случае погружения голов свай на боль -шую глубину, что предусмотрено проектом, а также при коррозионном разрушении сопряжений (рис. 5.2 ).
5.2. Усиление стволов свай
Для безростверковых фундаментов, свай-колонн и высоких свайных ростверков наиболее доступным является усиление части ствола сваи, находящейся над грунтом. В этом случае сваи с поперечными или продольными трещинами, с выколами бетона, раковинами, коррозионным разрушением и др. следует усиливать железобетонной обоймой, толщина стенок которой должна быть не менее 100 мм, площадь вертикальной арматуры не менее 1 % площади сечения обоймы. Обойма устраивается на всю высоту свободной части сваи и заглубляется в грунт не менее чем на 1 м.
Известен способ обуривания ствола сваи скважинами малого диаметра, по которым подается цементный раствор для создания вокруг всего ствола сплошной цементной рубашки. При этом способе вплотную к поверхности сваи пробуривают в грунте скважины диаметром 50—80 мм с
ИЗ
Рис. 5.3. Схема усиления верхних концов железобетонных свай
1 — сваи; 2 — бетон; 3 — арматурная сетка; 4 — выколы, раковины и трещины в бетоне свай; 5 - ростверк; 6 - оголовки свай, загрязненные грунтом, в сопряжениях с ростверком; 7 - повреждения бетона в нижней части ростверка с оголением арматуры
расчетом не менее одной скважины вдоль каждой грани сваи. По этим скважинам нагнетается под давлением цементный раствор, который окружает сваю сплошным прочным чех пом, препятствующим дальнейшему разрушению материала ствола свайп повышающим прочность околосвай-ного пространства. Указанный способ осуществим и при наличии ростверка. Кроме того, можно вплотную к стволу сваи (забивной или буронабивной) бурить одну-две скважины большого диаметра. Эти скважины затем следует армировать и бетонировать, получая как бы двойное (или даже тройное) сечение ствола сваи. Практически к свае, ствол которой требует усиления, добавляются одна-две буронабивные сваи, поэтому таким способом следует усиливать не все сваи подряд, а каждую вторую или даже третью — в зависимости от процента потери несущей способности материала ствола.
В случаях когда ростверк усиливаемого свайного фундамента можно разобрать (сборная насадка, безростверковый фундамент разобранного здания, свободное свайное поле с еще не возведенным ростверком и т.д.), стволы свай, материал которых разрушен по всей длине, могут быть усилены путем забивки конических пустотелых свай, которые будут служить обоймой для усиливаемых свай. Усиление может осуществляться также описанным выше способом устройства вокруг ствола одной, двух буронабивных свай. Применение для усиления ствола конических пустотелых и буронабивных свай осуществимо и при наличии монолитного ростверка, однако при этом в нем потребуется пробуривать скважины большого диаметра, что достаточно трудоемко.
Усиление верхних концов железобетонных свай и мест их сопряжений с ростверком, необходимость которого наиболее часто встречается в практике строительства (различные случаи повреждений и нарушений в процессе производства работ, разрушение бетона и арматуры при эксплуатации), может быть выполнено устройством железобетонной рубашки — обоймы (рис. 5.3). Работы выполняются крупными захватками без применения каких-либо мер по разгрузке свай, с очисткой поверхностей и обеспечением надежной связи бе гона свай с бетоном рубашки; размеры рубашки и армирование принимают конструктивно. 114
При изготовлении рубашки следует применять бетонную смесь подвижной консистенции с укладкой ее под некоторым напором. Бетонирование выполняют горизонтальными слоями с тщательным уплотнением для обеспечения хорошего примыкания к поверхности существующего ростверка. При невозможности разработки котлована для оголения свай и ростверка следует применять шпунтовое ограждение или ограждение, устраиваемое методом ’’стена в грунте” (см. п. 5.1).
Иногда элементы свайного фундамента оказываются дефектными из-за некачественного изготовления различного вида набивных свай: несоблюдения технологии их устройства, отсутствия контроля за диаметром уширенной полости, применения жесткой бетонной смеси при бетонировании сваи в скважине и др. Способы усиления набивных свай описаны в работе [10].
В практике строительства встречаются случаи разрушения трубчатых свай и свай-оболочек под действием давления замерзающей воды, находящейся во внутренней полости свай в зоне сезонного промерзания. Способы предохранения таких свай в указанном случае рассмотрены в работе [78].
5.3. Усиление кустов свай
Усиление свайных фундаментов осуществляют в случаях недостаточной несущей способности грунтов, на которые опирается свайный фундамент, а также значительного возрастания нагрузки на фундамент при реконструкции здания или сооружения, когда очевиден выход из строя фундамента в целом (свай и ростверка). При усилении свайного фундамента в целом (куста свай) нередко приходится одновременно усиливать ростверк и стволы свай, однако это усиление должно органически входить в общий комплекс мероприятий, проектируемых для реконструкции данного свайного фундамента.
При исчерпании несущей способности основания, на которое опирается свайный фундамент, а также окружающей его грунтовой толщи применяют методы закрепления и повышения прочности грунтов,описанные в гл. 3. Грунт в межсвайном пространстве и под остриями свай может быть упрочнен путем цементации, силикатизации, смолизации, обжига и другими способами укрепления оснований. Для этой цели, как и при укреплении оснований под фундаментами мелкого заложения, скважины для нагнетания раствора или обжига бурят с таким расчетом, чтобы можно было укрепить всю толщу грунтов между сваями и под ними — до более прочных грунтов. При малых размерах ростверков такие скважины рекомендуется устраивать наклонными и бурить за пределами ростверка. При больших размерах свайного фундамента скважины приходится бурить сквозь ростверк, что связано с известными трудностями. В связи с этим методы укрепления оснований при усилении свайных фундаментов применяются сравнительно редко. Их чаще используют для усиления не кустов свай, а односвайных фундаментов.
Так, по рекомендации НИИпромстроя усиление односвайных фундаментов (свай-колонн) каркасного одноэтажного здания осуществлено путем нагнетания карбамидной смолы в околосвайный грунт, представленный суглинками мягко- и текучепластичной консистенции. Усиление производилось для каждой сваи среднего пролета через наклонно погружаемые инъекторы с закреплением грунта поочередно с двух сторон за-ходками снизу вверх. В НИИпромстрое [32, с.179—181] создана специальная установка для закрепления околосвайного грунта смолизацией.
115
При устройстве спайного (фундамента на слабых водонасыщенных грунт*х выдавливание грунта может происходить как из межсвайного пространства, так н из-под свай. В этих случаях для свай длиной 7—9 м можно устраивать сплошную обойму для всего свайно-грунтового массива. Такую обойму выполняют из устраиваемых вплотную одна к другой буронабивных свай или методом ’’стена в грунте”. Ограждение заглубляют в более плотный грунт и рассчитывают на боковое давление выжимаемого грунта. Расчет обычно производится на горизонтальное давление грунта, расположенного под свайным фундаментом. При этом свайный фундамент рассматривают как условный массивный фундамент, устанавливают среднее давление р на уровне острия свай, а затем по известным формулам [79] определяют вертикальные и горизонтальные напряжения в основании под концами свай. При расчете необходимо учитывать пассивный отпор грунта за ограждением.
Одним из несложных методов усиления свайного ленточного фундамента в случае отсутствия у отдельных свай надежного сопряжения с ростверком является подводка дополнительной железобетонной плиты под ростверк (см. рис.5.3). Такой метод усиления был с успехом применен в г. Ростове-на-Дону для двух жилых 9-зтажных домов, получивших деформации аварийного характера [18, с.77—7о]. Принятое решение позволило часть нагрузки от надземной части здания (около 0,15 МПа) передать на основание через железобетонную ленту и одновременно включить в работу все свои фундаменты. Подводка фундамента была осуществлена отдельными захватками по 1,5—2 м.
При использовании указанного метода усиления особое внимание следует обращать на сопряжение верхней плоскости подводимой плиты с подошвой существующего ростверка. Плотность сопряжения достигается путем применения пластичных бетонных смесей. Наряду с монолитными плитами применяют плиты из сборных элементов.
Усиление свайных фундаментов в случае их недостаточной несущей способности может осуществляться путем задавливания свай до опирания их нижних концов в плотные грунты, или наращивания существующих свай дополнительными секциями.
Наиболее часто применяется усиление свайных фундаментов погружением дополнительных свай вне контура фундамента (выносные сваи) й передачи нагрузки (полностью или частично) от реконструированного фундамента на эти сваи. Нагрузка на выносные сваи может передаваться с помощью специальных упорных горизонтальных балок, пропускаемых сквозь ростверк или стену здания. Эти балки должны рассчитываться на срез и на изгиб (при наличии плеча изгибающего момента) от усилий, равных реакциям выносных свай. Горизонтальные (поперечные и продольные) балки, передающие нагрузку на выносные сваи, могут быть объединены в единый фундамент с усиливаемым ростверком (рис. 5.4,а). Такое усиление особенно эффективно для ленточных свайных фундаментов. Возможна передача нагрузки на дополнительные сваи с помощью нового ростверка усиливаемого фундамента (рис. 5.4, б). Для связи дополнительного ростверка с усиливаемым в последний обычно заделываются штыри из арматуры путем пробивки в бетоне отверстий пневмопробойником и установки в них штырей с замоноличиванием их цементным раствором. Допускается вместо установки штырей оголять арматуру усиливаемого ростверка и приваривать к ней арматуру дополнительного ростверка.
116
Рис. 5.4. Схема усиления свайных фундаментов путем устройства выносных свай 1,2 — сваи и ростверк усиливаемого фундамента; 3 — отверстия для пропуска горизонтальной балки; 4 — поперечная балка; 5 — продольная балка; 6 — новый ростверк (железобетонная обойма); 7 - дополнительная (выносная) свая; 8 -плотный грунт; 9 - штыри для связи дополнительного ростверка с усиливаемым
Расчет дополнительных свай и ростверков производится на ту часть полной нагрузки на фундамент, которую не воспринимает усиливаемый фундамент. Эта часть нагрузки должна определяться в результате обследования реконструируемых фундаментов.
Во избежание значительных осадок после передачи нагрузки от сооружения на выносные сваи, последние предварительно обжимают гидравлическими домкратами (зто особенно важно при висячих сваях). Домкраты устанавливают на головы свай или на обвязку по сваям и упирают в поперечные балки. Работы ведут участками одновременно с обеих сторон фундамента. При опирании поперечных балок непосредственно на сваи длина участка, на котором производятся работы по обжатию, может быть принята минимальной (в этом случае участвуют лишь две симметричные сваи), и обжатие при этом выполняется наиболее просто. При наличии обвязки по сваям обжатие ведут участками большей протяженности, при этом на границах участков в обвязке предусматривают поперечный шов.
При небольшом числе одновременно обжимаемых свай давление на каждую сваю может превышать давление на нее от сооружения. Практикой установлено, что давление обжатия в этом случае должно примерно
117
на 50 % превышать эксплуатационную нагрузку. КогДа осадки обжатия прекратятся, производят Подклинку поперечных балок металлическими клиньями и только после этого убирают домкрат.
Усиление свайных фундаментов производят и с помощью выносных набивных свай, применение которых во многих случаях более эффективно, чем погружение дополнительных эадавливаемых и забивных (в лидерных скважинах) свай. Кроме того, работы по устройству набивных свай можно производить иэ подвальных помещений, имеющих небольшую высоту.
Усиление свайных фундаментов может быть выполнено путем применения дополнительных эадавливаемых или забивных свай-инъекторов. Особенность сваи-инъектора заключается в том, что по продольной оси ее ствола устанавливается стальная трубка. После погружения сваи до требуемой отметки через эту трубку производят закрепление грунта вокруг нижнего острия сваи. В результате образуется опорный массив иэ закрепленного грунта, играющий ту же роль, что и уширенная пята.
Если на фундамент действуют значительные горизонтальные нагрузки, не воспринимаемые полностью реконструируемым фундаментом, то при определении числа дополнительных свай учитывают и горизонтальные нагрузки. В этом случае в числе дополнительных свай могут быть забиты (или изготовлены — при применении буронабивных свай) наклонные сваи. Если устройство наклонных свай трудно осуществимо, то можно погружать отдельно стоящие сваи только для восприятия горизонтальной нагрузки. Такие сваи должны быть соединены со свайным фундаментом жесткими или гибкими связями*.
Если в процессе расчета становится ясно, что сваями, добавляемыми по периметру реконструируемого фундамента, спасти положение не удается (невозможно разместить необходимое число дополнительных свай (или обеспечить несущую способность ростверка на изгиб и т.д.), то следует добавлять сваи внутри реконструируемого свайного фундамента. В таком случае сквозь усиливаемый ростверк следует пробуривать сква-жиньг с помощью колонкового или ударно-канатного бурения, а сквозь них забивать сборные сваи или изготовлять буронабивные. Диаметр скважин, их число и расположение принимают с учетом схемы армирования усиливаемого ростверка. При этом дополнительные сваи должны проходить в просветах между арматурными стержнями ростверка. Чаще всего для этой цели применяют набивные сваи малого диаметра (до 200 мм), аналогичные описанным в гл. 4 корневидным сваям. Такие сваи могут устраиваться вертикальными и наклонными так же, как при усилении несвайных фундаментов.
Тип дополнительных свай — буронабивные, залавливаемые (забивные), корневидные и т.д. — должен выбираться с учетом конкретных условий каждого объекта, возможности их устройства на действующем предприятии и наличия соответствующего оборудования у строительных организаций.
Способ задавливания существующих свай наращиванием дополнительных секций был применен в Москве под ленточными свайными фундаментами для полностью смонтированного здания серии П-57 с конструктивной схемой в виде несущих поперечных стен с шагом 3,2 м [80;
х А-с. № 669018 (СССР). Фундамент для зданий и сооружений В.И. Волосяный. -Заявл. 22.02. 1978, № 2583852/29-33, опубл, в Б.И., 1979, № 23.
118
7, с.101]. Сваи сечением 30x30 см, подлежащие усилению, подрубались отбойным молотком на высоту, обеспечивающую последовательную постановку: металлического оголовника на сваю, прикрепляемого к нему на сварке первого эвена стальной трубы диаметром 325 мм и длиной 0,5 м, распределительной стальной плиты, домкрата типа ДГ-200 и стальной поддомкратной балки. Ход поршня домкрата в 12—15 см соответствовал одному циклу погружения. После четырех таких циклов свая наращивалась установкой на сварке очередного эвена трубы, длиной 0,5 м. Отдельные сваи погружались в грунт до 2 м. Перекрепление задавленных свай на ростверк достигалось путем установки парных стоек из швеллеров № 24 с креплением их на сварке к поддону поддомкратной балки и последнему звену трубы. Одновременно работы велись на трех-четырех сваях, при этом залавливалась только одна свая в поперечном ряду или расстоянии между рядами 6,4—9,6 м. Отрезки металлических труб через боковые отверстия заполнялись пластичной бетонной смесью.
Усиление с помощью выносных набивных свай оказалось эффективным при усилении деформированного свайного фундамента колонны одноэтажного промышленного здания в Новокузнецке [75]. Вследствие значительных осадок (227 мм), протекавших с интенсивностью 2—3 мм/сут, были деформированы элементы покрытия. Осадки фундамента вызывались тем. что ча'сть сваи была расположена в насыпном грунте обратной засыпки рядомрасположенного технологического тоннеля.
Усиление фундамента производили в два приема: вначале временно передали нагрузку от колонны (около 4000 кН) на специальную стальную рамную конструкцию, опирающуюся на пол цеха, а затем устроили набивные сваи в стальной оболочке (рис. 5.5, а). Такая последовательность работ позволила обеспечить нормальную эксплуатацию цеха и восстановление деформированных конструкций покрытия без остановки производства.
С каждой длинной стороны существующего фундамента было устроено по четыре набивных сваи на глубину 26—28 м. Оболочка свай выполнена в виде составной трубы диаметром 529 мм. Трубу, состоящую из звеньев длиной 2—3 м,. погружали с помощью двух станков ударно-канатного бурения УКС-22. По мере погружения наваривали звенья трубы. На погружение одной трубы затрачивали 6— 10 сут. Не все оболочки удалось погрузить на заданную отметку, поэтому произвели цементацию галечника, залегающего под пятой сваи. Под каждую сваю с помощью инъектора диаметром 37 мм в течение одной смены нагнетали от 3 до 5 м3 цементного раствора марки М500 с водоцементным отношением, равным 0,5. Всего в каждую оболочку было уложено до 6 м3 бетонной смеси, при этом нижняя часть оболочки заполнялась, методом подводного бетонирования. В верхней части свай на длине 6 м устанавливали арматурный каркас.
Для полной уверенности в достаточности несущей способности набивных свай и включении их в работу каждую'иэ них обжимали расчетной нагрузкой в 1000 кН. Для обжатия использовали рычаг (см. рис. 5.5, б), короткое плечо которого крепили к выключенному из работы фундаменту колонны (масса 80 т); к длинному плечу рычага прикладывали нагрузку из чугунных болванок общей массой 40 т. При обжатии свай упругие деформации не превышали 2,1 мм, а остальные (после снятия нагрузки) — 0,5 мм. Поверху свай после их обжатия был устроен металлический ростверк, на который затем устанавливали колонну.
Поучительным является пример стабилизации осадки свайного фундамента с одновременным выправлением крена 16-этажного жилого кир-
119
Рис. 5.5. Схема усиления деформированного свайного фундамента под колонну
1 — стальная колонна; 2 — металлический ростверк; 3 - железобетонный фундамент; 4 — набивная свая; 5 — существующие сваи; б - кровля галечника; 7 - закрепленный цементацией под пятой сваи грунт; 8 — составная балка-рычаг для обжатия; 9 — подвеска для рамы (к короткому плечу рычага); 10 — рама, соединяющая обнаженную арматуру фундамента со стальным листом; 11 - стальной лист; 12 - обнаженная арматура; 13 - домкрат грузоподъемностью 1000 кН; 14 - нагрузка массой 40 т
пичного дома в Ленинграде [81]. В возведенном на полную высоту доме, имеющем в плане форму ’’трилистника”, обнаружился крен, заметно прогрессирующий во времени. Отклонение наружной стены здания на уровне карниза кровли составило 29,5 см. Осадка фундаментов с одной стороны здания, нарастая со скоростью 0,5 мм/сут, достигла 35—40 см.
Свайные, однорядные, ленточные фундаменты здания под несущие стены состояли из 165 свай сечением 30x30 см и длиной 12 м. Принятая в проекте расчетная нагрузка на сваю в 1500 кН подтверждена проведенными испытаниями двух свай. Острия свай по проекту должны были располагаться в слое плотного моренного суглинка, перекрытого слабыми послеледниковыми отложениями и подстилаемого коренными плотными глинами. Однако на рассматриваемой площадке кровля глин оказалась неровной, и между ней и наносами имеется переходный слой выветрелой ослабленной породы переменной толщины, в который и были, очевидно, заглублены острия свай на стороне здания, испытывающей наибольшую осадку. Статическое зондирование, проведенное на участке наибольшей осадки, показало, что сопротивление внедрению зонда на глубине острия свай примерно на 30 % меньше, чем под остальной частью здания. Несущая способность этих свай оценивалась примерно в 800 кН. Поскольку на участке наибольшего крена было забито 27 свай, недостаток несущей способности этой группы свай оценивался примерно в 6000 кН. Учитывая изло-120
Рис. 5.6. Схема усиления свайного фундамента жилого дома
1 - основные сваи; 2 - сваи усиления;
3 — дополнительный ростверк; 4 - существующий ростверк; 5 — несущая кирпичная стена; 6 - сторона здания, по которой вырубались сваи
женное, работы по стабилизации осадка фундамента было решено провести в два этапа: стабилизация осадки путем усиления фундамента и выправление крена.
С учетом конструктивных и архитектурных особенностей деформированного здания решение по усилению фундаментов состояло в погружении путем вдавливания 12 дополнительных свай длиной 12 м, которые располагались двумя группами (по шесть) у края проездов-выступов дома, вплотную к краю имеющихся балок ростверка и наружных стен. Дополнительные сваи каждой группы объединяли железобетонной рамой, которая подводилась под балку ростверка и омоноличивалась с ней, образуя цельную конструкцию (рис. 5.6). Сваи погружали сваевдавливающим агрегатом за 14 сут. Максимальное усиление вдавливания составило 1000—1200 кН. Скорость нарастания осадки здания за это время осталась прежней. Ростверки обеих групп свай были выполнены в кратчайший срок — 11 сут благодаря четкой организации работ, применению быст-ротвердеющего бетона и электропрогрева. Во время проведения этих работ скорость нарастания осадки резко возросла, а осадка наружной стороны здания увеличилась на 18-20 см. Отклонение карниза от вертикали при этом увеличилось до 53 см, направление крена осталось прежним.
Скорость развития осадки заметно уменьшилась на третьи-четвертые сутки после укладки бетона ростверков и засыпки пазух плит, а через 15—20 сут осадка практически стабилизировалась, что позволило приступить к выполнению работ второго этапа. Разность осадок основания достигла 50 см. Для выправления крена было решено опустить здание. Сначала на сторонах выступов здания — ’’трилистника”, противоположных участку наибольшей осадки, были откопаны балки - ростверков, что на скорости развития осадки не отразилось. Это свидетельствовало о том, что суммарная несущая способность имеющихся свай этой части фундаментов достаточна. Тогда было принято решение о вдавливании этих свай под действием веса здания путем исключения части свай данной группы из работы вырубкой их в последовательности, определенной проектом.
Для предосторожности были вдавлены еще две группы дополнительных свай, аналогичных описанным. Затем была осуществлена вырубка части свай. В течение одного рабочего дня вырубали по 10—15 см стволов у двух—четырех свай. После вырубки каждой сваи между ее торцом и низом балки ростверка размещали пакет металлических пластин, которые затем постепенно выбивали одновременно у всех вырубленных в этот день свай. В общей сложности было вырублено и выключено из работы 11 свай. При этом осадка здания на стороне вырубаемых свай стала резко нарастать и за 9 сут увеличилась на 40—50 см. Здание практически вернулось в вертикальное положение. Для корректировки выправления крена потребовалось вырубить еще две сваи, после чего здание имело отклонение от
121
вертикали на уровне карниза кровли не более 10 см (в сторону, противоположную стороне первоначального крена), что допускается нормами.
Работы по выправлению крена здания прошли успешно, без осложнений и продолжались 15 сут. Головы обрубленных свай были вновь омоно-личены с имеющимися ростверками и группами дополнительных свай.
Наблюдения показали, что по завершении всех описанных работ нарастание осадки основания резко замедлилось и стало равномерным. За последующие полгода осадка увеличилась в среднем на 0,5 см, а за следующий год, когда здание было уже сдано в эксплуатацию, еще на 1,5 см. В период окончания строительства здания потребовалось провести незначительные работы по усилению кирпичных простенков и столбов, в которых образовались трещины, не получившие опасного развития.
Уникальным является осуществленное в 1979—1981 гг. в Днепропетровске Укргидроспецфундаментстроем усиление свайных фундаментов в возведенном трехпролетном каркасном промышленном здании, которое было запроектировано в 1964—1965 гг. Здание с размерами в плане 108x240 м имело пролеты по 36 м с высотами 25 и 38,4 м. Каркас цеха и фермы покрытия металлические, покрытие состоит из сборных железобетонных плит размером 3x12 м. Шаг колонн 12 м. Наружные стены состоят из сборных навесных железобетонных панелей размером 12x1,2 м. Цех оборудован мостовыми кранами грузоподъемностью 100; 150 и 250 т.
Площадка, на которой было возведено промышленное здание, сложена следующими напластованиями грунтов (сверху вниз): насыпным и почвенно-растительным слоем толщиной 2—3 м; просадочным ( = 0,02-5-
50,06) лессом и лессовидным суглинком толщиной 6—8 м; малопросадочным лессовидным суглинком толщиной 3—5 м, который подстилается лессовой пластичной супесью толщиной 10-12 м. Ниже с глубины 30 м залегают плотные красно-бурые суглинки в твердом состоянии. Здание располагалось вдоль имеющегося уклона площадки в сторону находящегося невдалеке оврага. Примерно такой же уклон имели указанные напластования грунтов.
При изысканиях в 1972 г., грунтовые воды были встречены на глубинах 22—26 м от планировочной отметки. Вследствие интенсивного питания водоносного горизонта естественными и искусственными источниками на площадке произошел интенсивный подъем грунтовых вод. Так, в 1977 г. их уровень был обнаружен на глубинах 10—16 м, а в 1978 г. — 9—12 м от отметки планировки. Скорость подъема грунтовых вод в год у оси 1 здания составляла 2,6 м, посредине у оси 11 — 1,6 м, а у крайней оси 21 — 3,17 м. Таким образом, за 16 лет уровень грунтовых вод поднялся на 15 м и более, при этом по длине здания подъем был неодинаковым. Прогноз изменения уровня грунтовых вод показал, что стабилизация его на площадке не ожидается.
Фундаменты под колонны каркаса цеха были выполнены на вибро-штампованных сваях диаметром 500 мм длиной 8—10 м (рис. 5.7). Основанием свай принят слой лессовидных суглинков. Число свай в кусте составляет 10-19. Максимальная нагрузка на сваю 1100 кН, минимальная — 410 кН. Монолитные железобетонные ростверки из бетона марки М200 армированы каркасами на высоту 110 см; шаг каркасов 200 мм; отметки низа ростверка — 3,5 м. Заглубленные помещения в корпусе и фундаменты под оборудование выполнены в основном на естественном основании без учета подъема уровня грунтовых вод. Нагрузка на бетонные полы составляла 50—100 кН/м2.
122
Рис. 5.7. Схема усиления фундамента
1 -существующие вибро штампованные сваи; 2 - ростверк; 3 — задавливаемые сваи усиления' 4 — ростверк усиления - железобетонная обойма; 5 — арматура обоймы; 6 — балки усиления опирания колонны; 7 - металлическая колонна каркаса; 8 — насыпной и почвенно-растительный слой; 9 — лесс; 10 — лессовидные просадочные суглинки; 11 — лессовидный малопросадочный суглинок; 12 — лессовая супесь
Следует отметить, что в 60-х годах в практике проектирования промышленных сооружений без осуществления в них мокрого технологического процесса, по существу, не встречалось примеров значительного подъема уровня грунтовых вод. Поэтому возможность такого подъема при проектировании, как правило, не учитывалась. Существовало также мнение, что подъем уровня грунтовых вод на одной территории происходит с одинаковой скоростью, а поэтому вызываемые им просадки будут сравнительно равномерными. Поэтому при проектировании рассматриваемого здания учитывалась возможность замачивания просадочных грунтов лишь сверху — от инфильтрации атмосферных осадков, от утечек из подземных коммуникаций и тл. При этом на случай таких просадок в проекте предусматривалась возможность рихтовки металлических колонн в процессе эксплуатации до 40 см.
Здание возводилось с 1968 по 1974 г. До 1976 г. осадки фундаментов колонн не измеряли. В 1976 г. были зафиксированы значительные осадки фундаментов по оси 21. За период с 30.01.76 г. по 18.06.78 г. суммарные осадки колонн по оси 21 составили 250 мм, по осям 1—2 — 63—70 мм; в центральной части корпуса — 54 мм. Максимальные осадки наблюдались
123
по осям 14-21, где за период с 1977 по 1978 г. отмечен самый значительный подъем уровня грунтовых вод — 3,17 м в год; прирост осадок за neJ риод с 23.12.77 г. по 21.06.78 г. составил 52 мм, осадки продолжалис^ со скоростью 5—10 мм в месяц. й
Анализ характера осадок фундаментов корпуса, динамика подъема уровня грунтовых вод, нормативных сопротивлений грунтов под пятой виброштампованных свай (по результатам повторных инженерно-геолси гических изысканий), несущей способности свай, испытанных в замочен^ ных грунтах, и результатов расчета по деформациям фундаментов, огпн рающихся на замоченные лессовые грунты, позволил сделать следующим выводы. ]
1. Интенсивный подъем уровня грунтовых вод с начала строительств ва привел к замачиванию лессовых просадочных грунтов, в результате; чего в них проявились просадочные деформации, грунты потеряли структурную прочность и резко снизили прочностные и деформативные свойства; просадка этих грунтов совместно со снижением несущей способности, грунтов в активной зоне фундаментов вызвали осадки колонн и деформации конструкций.
2. Механические свойства грунтов в основании свайных фундаментов здания оказались неодинаковыми. Так, нормативное сопротивление грунта под пятой свай изменялось от 6 МПа у оси 21 до 18 МПа посередине цеха; расчетная несущая способность виброштампованных свай в частично замоченных лессовых грунтах (по состоянию на 1978 г.) по результатам их испытаний и статического зондирования грунтов составляла 878 кН посередине цеха и 388—650 кН у оси 21. При дальнейшем подъеме уровня грунтовых вод и полном замачивании лессовидного суглинка способность виброштампованных свай будет находиться в пределах 220—440 кН.
3. Осадки фундаментов корпуса будут продолжаться, пока не достигнут предельных значений, которые в соответствии с расчетом (осадка плюс просадка) составят ориентировочно 40—60 см.
В связи с полученными результатами анализа было принято решение о проектировании усиления фундаментов корпуса. Одновременно необходимо было запроектировать мероприятия для предотвращения затопления заглубленных помещений, исключение деформации фундаментов под оборудование и полов, а также снижения несущей способности виброштампованных свай менее 400 кН. Водопонижение было осуществлено методом лучевого дренажа.
При проектировании усиления свайных фундаментов Укрспецстрой-проектом было рассмотрено шесть вариантов стабилизации осадок.
1. Задавливание по периметру дополнительных (выносных) свай из металлических труб диаметром 325 мм (отдельными секциями) общей длиной 20—22 м с опиранием острия в лессовую супесь. Несущая способность таких свай по данным испытания их статической нагрузкой с замачиванием просадочных грунтов составляла 600—800 кН.
2. Задавливание аналогичным методом свай из металлических труб диаметром 350 мм длиной 26—30 м с заглублением их острия в красно-бурые суглинки. Несущая способность таких свай по данным испытаний составила 1000 кН.
3. Устройство выносных буронабивных и залавливаемых металлических свай. При этом буронабивные сваи выполняются диаметром 500 мм с уширением диаметром 1600 мм и длиной 8 м (несущая способность свай по данным испытаний 800 кН) только для тех фундаментов, для которых 124
это возможно по условиям действующего технологического процесса в здании.
4. Устройство выносных забивных железобетонных (сечением 35х х35 см) и залавливаемых металлических свай. При этом забивные сваи (длина 18—20 м, несущая способность 500 кН) предусматривались лишь для тех фундаментов, к которым можно подъехать с копром.
5. Устройство наклонных корневидных свай диаметром 200 мм и длиной 28—30 м. Сваи выполняют буровым станком СБА-500 эа пределами фундаментов с пересечением их под существующим ростверком; несущая способность корневидной сваи принята 200—300 кН.
6. Укрепление грунтов основания способом электросиликатиэации на глубину 9 м ниже подошвы свай. При этом слой лессовидного суглинка, расположенный выше уровня грунтовых вод, предполагалось закрепить способом однорастворной силикатизации.
Технико-экономическое сравнение всех шести вариантов с учетом трудоемкости намечаемых работ и имеющегося опыта осуществления усиления выявило преимущества первых двух, которые обеспечивали: возможность выполнения работ по усилению фундаментов в стесненных условиях действующего технологического процесса в здании, прорезку просадочных грунтов дополнительными сваями с опиранием их на несущие слои иэ супеси и суглинка, полное прекращение дальнейших осадок фундаментов, отсутствие динамических воздействий при производстве работ и осуществление четкого контроля за погружением свай.
Для исполнения был принят первый вариант, хотя и более металлоемкий, но позволяющий осуществлять погружение с меньшими усилиями задавливания. Несущая способность существующих виброштампованных свай, равная 400 кН, учтена в работе усиливаемого фундамента. Число дополнительных свай среднего ряда для усиления фундамента составляло в среднем 24, а крайнего ряда — 12. Для включения дополнительных свай в работу предусматривалось устройство монолитного железобетонного ростверка-обоймы, жестко соединенного с колонной и расположенного над существующим ростверком (см. рис. 5.7, а, б).
Задавливание свай первоначально предполагалось осуществить с помощью обычных гидравлических домкратов. Однако проектируемый срок задавливания свай таким способом получался значительным. Поэтому Укрспецстройпроектом, Укргидроспецфундаментстроем и Днепропетровским заводом прессов была разработана и изготовлена специальная гидравлическая залавливающая установка.
Порядок задавливания металлических трубчатых свай секциями по 6,5 м, заполнения секций бетоном и изготовления ростверков был запланирован таким, чтобы стабилизация фундаментов каадой рамы металлического каркаса здания наступала одновременно. В результате выполненного усиления практически стабилизовались осадки фундаментов несущих колонн.
За прошедшие 2 года после окончания указанных работ осадки усиленных фундаментов для наиболее неблагополучного крайнего ряда колонн по оси 21 составили 20 мм, а для фундаментов в средней части здания — 10 мм. Здание нормально эксплуатируется без каких-либо деформаций несущего каркаса и подкрановых путей.
125
глава 6. УСИЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ БАШЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПОДПОРНЫХ СТЕН
6.1. Оценка устойчивости против опрокидывания башенных сооружений
Отклонение от вертикали башенных сооружений происходит обычно в результате развития неравномерных осадок грунтового основания в течение некоторого времени (сутки, месяцы, годы). Поэтому оценка устойчивости башенных сооружений на грунтовом основании, проявляющем реологические свойства, складывается из двух задач: 1) оценки мгновенной устойчивости и 2) оценки устойчивости в течение времени. Мгновенная устойчивость еще не является достаточным условием нормальной эксплуатации сооружения, достаточным будет лишь условие его устойчивости в течение всего срока эксплуатации.
Фактор времени играет существенную роль в явлении потери устойчивости жесткого башенного сооружения на водонасыщенном глинистом основании. В результате развития осадок основания каждое отклоненное положение равновесия (некоторое значение крена) сооружения при постоянных нагрузках можно считать устойчивым для соответствующего момента времени. Однако, если рассматривать в целом весь период существования сооружения, то может оказаться, что сооружение теряет устойчивость. Такую потерю устойчивости будем называть ’’длительной потерей устойчивых форм равновесия” (ДПУФР). Длительная потеря устойчивости системы основание — сооружайте сопровождается неравномерными осадками основания вследствие высокого приложения нагрузки. Потеря устойчивости грунтового основания при этом, как правило, не наблюдается.
С целью экспериментального обоснования условия длительной устойчивости были проведены специальные натурные и лабораторные исследования [82], которые показали, что в качестве критерия устойчивости против опрокидывания башенного сооружения на водонасыщенном глинистом грунте следует принимать коэффициент устойчивости Ку в виде отношения жесткости грунтового основания к вириалу сил тяжести сооружения в заданный момент времени t.
Действующий по подошве фундамента вириал определяется как произведение веса сооружения Q на высоту ^ц.т его приложения от подошвы фундамента. Жесткость основания принимается как произведение коэффициента постели при неравномерном сжатии С^ на момент инерции подошвы фундамента I. Тогда
КУ = (Cvt)t/v- (6.1)
Для произвольной модели основания и различных нагрузок, действующих на сооружение, коэффициент устойчивости может быть определен через деформированное состояние системы в виде:
(6-2)
где 6Н - эксцентриситет нагрузки относительно центра подошвы фундамента до проявления осадок основания (рис. 6.1); - эксцентриситет нагрузки в момент
времени t, определяемый относительно центра Ц всей подошвы фундамента (рис. 6.1,6).
В течение всего периода эксплуатации башенное сооружение подвергается действию случайных нагрузок. Как правило, зто кратковременные
126
горизонтальные воздействия. Для сохранения устойчивости, сооружения при таких воздействиях необходимо обеспечить устойчивость всех форм равновесия в заданном положении. Исследованию вопроса потери всех форм равновесия башенного сооружения на грунтовом основании посвящены работы Я.Б. Львина, А.Р. Ржаницина, Г .К. Клейна, И.В. Гавриченковой, Б.П. Гармуса и др. В работе [83] можно найти достаточно простую и надежную методику расчета. Авторы справедливо отмечают, что при потере устойчивости всех форм равновесия (ПУВФР) влияние вириалов незначительно и им можно пренебречь по сравнению с влиянием осевых сжимающих сил и опрокидывающих моментов. Наши инструментальные наблюдения также показывают, что при ветровом воздействии положение фундамента сооружения не изменяется. Это говорит о том, что мгновенная жесткость грунтового основания достаточно велика и не влияет на устойчивость сооружения, поэтому в первом приближении при оценке ПУВФР осадки сооружения можно не учитывать, а коэффициент устойчивости всех форм равновесия принять в виде
* спр /е, (6.3)
где епр - предельный эксцентриситет нагрузки; е - фактический эксцентриситет.
В результате длительной потери устойчивых форм равновесия происходит изменение положения сооружения и это сказывается на величине критической нагрузки, соответствующей ПУВФР, коэффициент мгновенной устойчивости Ку по мере увеличения наклона сооружения уменьшается (рис. 6.2) вследствие увеличения начального эксцентриситета приложения мгновенной нагрузки.,
кратковременное горизонтальное воздействие в течение периода эксплуатации сооружения является величиной случайной, поэтому оно характеризуется вероятностью р^. Вероятность условия Ку = 1 в этом случае также будет р. По истечении критического времени вероятность р достигает единичного значения даже при отсутствии горизонтальных сил, т.е.
127
Рис. 6.2. Схема изменения коэффициентов устойчивости во времени
Рис. 6.3. К расчету потери устойчивости дымовой трубы высотой 45 м на водонасыщенном лессовом основании
сооружение опрокидывается только от действия вириала. Значение коэффициента Ку в момент времени, когда К° = 1, следует считать коэффициентом запаса гл. В практических расчетах коэффициент запаса следует задавать, исходя из требуемой надежности сооружения.
При кратковременном действии горизонтальной нагрузки возможен отрыв части подошвы фундамента от основания. Предельным будем считать такое состояние фундамента, когда давление по плошади контакта с основанием имеет равномерную эпюру и достигает предельного значения (рис. 6.3).
R = Q/FK, (6.4)
где FK- площадь контакта фундамента с основанием.
В качестве предельного значения R можно принять расчетное давление на основание [19].
Для обеспечения расчетов устойчивости фундаментов с круглой подошвой в случае ее неполного контакта с основанием может использоваться табл. 6.1, в которой приведены зависимости геометрических характеристик сечения от относительной ширины контакта ак /а с основанием (см. рис. 6.3).
128
Таблица 6.1. К расчету устойчивости фундамента с круглой подошвой
а* /а- | гк la-2 I I | ос, град
2,0 3,14 0 0,250 180
1,8 2,98 0,048 0,306 143
1,6 2,68 0,126 0,370 127
1,4 2,35 0,218 0,440 114
1,2 1,97 0,319 0,513 102
1,0 1,57 0,424 0,579 90
0,8 1,17 0,534 0,668 79
0,6 0,79 0,648 0,749 66
0,4 0,45 0,763 0,831 53
0,2 0,16 0,881 0,914 37
Использование предлагаемой методики расчета устойчивости проиллюстрируем примером из практики. Так, в результате водонасыщения грунтов основания дымовая труба высотой 45 м получила крен 20 мм/м и среднюю осадку 180 мм. Предельная величина крена, допускаемая СНиП для данного сооружения, составляет 5 мм/м, а предельная средняя осадка — 400 мм. Скорость средней осадки фундамента S по истечении 13 мес после аварийного замачивания составила 0,909 мм/мес.
Собственный вес дымовой трубы с учетом веса грунта на обрезах фундамента составил Q = 9,26 МН. По подошве фундамента действуют моменты от ветровой нагрузки: статический Мс = 1,73 МНм и динамический Л/д = 2,58 МНм. Среднее давление на грунт под подошвой фундамента б = 0,163 МПа. Центр тяжести сооружения (с учетом веса грунта на обрезах фундамента) расположен на высоте 1„ т = 13,3 м от подошвы фундамента. Подошва фундамента имеет круглое очертание и площадь F = = 56,72 м2.
Грунтовое основание дымовой трубы представлено слоями лессовидных суглинков различной сжимаемости. Уровень грунтовых вод в период изысканий находился на глубине 7,9 м.
Коэффициент длительной устойчивости дымовой трубы на грунтовом основании в момент времени t может быть определен в виде
Ку = I/St Нц т, (6.5)
где S^- средняя осадка фундамента в заданный момент времени.
,, Учитывая значение осадки в момент времени t = 13 мес вычислим Ку= 1,89.
Коэффициент мгновенной устойчивости в заданный момент времени определим как
р
(ф<- _?_--------------. <«>
е'+ (Мс+Мд)/0
или через коэффициент Ку в виде
/ о vt / / Мс + Мл \ , -t
(Ку) = епр/11 у + ~q )= £ ( Ку ). ( >
Значение предельного эксцентриситета епр можно рассчитать с помощью табл. 6.1. Учитывая, что
FK/fl2 = Q/Ra2 =2,05, (6.8)
1/45-291
129
находим
yJa = enpla=0^-
(6-9)
Значение ен находим через величину /Гу3 и крен сооружения в тот же момент времени (i13«21,5 мм/м)
13 , 7G “ 1 i13 I ен=—------------- ‘-ц.т
/Г13 у
Прогноз устойчивости дымовой трубы выполняется на основе линейной экстраполяции коэффициента устойчивости Ку. Для этого определим скорость изменения коэффициента длительной устойчивости в момент времени t = 13 мес с момента аварийного замачивания. На этот момент времени известна скорость средней осадки фундамента. Путем диффен-цирорания выражения (6.5) найдем
•t =__э_ ,__________L) ?_SL_
ку ат ( stFiUT ) Ку
. 13
Подставляя значения входящих величин, определим, что Ку = 0,0095 1/мес. Решая алгебраическое уравнение
13 . 13
f(/Ty + /Гу AtKp) = l
относительно AtKp, определим оставшийся интервал времени, в течение которого можно эксплуатировать дымовую трубу, т.е.
13 е Q — М„ - М„ 1
AtKPe (~*у + ~к^~’
Подставляя в равенство (6.13) численные значения-входящих в формулу величин, получим Atnp = 72,6 мес.
Таким образом, с момента аварийного замачивания грунтов основания дымовая труба может эксплуатироваться не более критического времени
Т = t + At = 13 + 72,6 = 85,6 мес * 7 лет. кр пр
Дальнейшая эксплуатация дымовой трубы возможна при условии повышения прочности основания (например, осуществление водопонижения) или снижения давления на основания путем увеличения размеров подошвы фундамента.
0,135.
(6.10)
(6.11)
ц.т
(6.12)
(6.13)
6.2. Усиление фундаментов сооружений башенного типа
При эксплуатации башенных сооружений в результате неравномерной деформации основания возникает необходимость восстановления их первоначального положения. Указанное восстановление или выправление крена сооружения может сопровождаться одновременным усилением его фундамента или основания. Способы выправления сооружений и усиления их
130
фундаментов и оснований различны и зависят как от конструктивных особенностей сооружения и его фундамента, так и от грунтовых условий.
Наиболее распространенными являются случаи выпрямления дымовых труб, усиления их оснований и фундаментов. Известны следующие способы восстановления вертикального положения дымовых труб.
1. Организованное (регулируемое) замачивание основания, обладающего просадочными свойствами, со стороны, противоположной крену [20]. Такое замачивание может осуществляться с односторонней пригрузкой, в том числе путем приложения горизонтальной нагрузки при натяжении тросов лебедками.
2. Частичная выемка грунта путем его выбуривания горизонтальными скважинами из-под подошвы фундамента со стороны, противоположной крену, и одновременное приложение горизонтальной нагрузки (оттяжки) посредством натяжения тросов лебедками [20]. Проходка горизонтальных скважин производится из разработанной полукруглой траншеи специальными грунтоносами или обычными буровыми ложками, располагаемыми через заданные расстояния в установленной последовательности на определенной глубине. В результате выбуривания увеличивается давление на грунт основания между горизонтальными скважинами, что приводит к его деформации со стороны, обратной крену. Приложение горизонтальной нагрузки способствует деформированию грунта и выравниванию подошвы фундамента.
3. Организованная усадка способом направленного изменения влажности набухающих глинистых грунтов основания путем создания условий для равномерного их нагревания под всей подошвой фундамента дымовой трубы [84]. Последнее достигается устройством дополнительного полу-кольцевого газохода вдоль периметра фундаментной плиты на отметке, совпадающей с подошвой фундамента трубы.
Усиление оснований фундаментов дымовых труб чаще всего выполняется методами химического закрепления или термического упрочнения [20, 46—48, 52]. Усиление фундаментов дымовых труб Производят описанными в главах 4 и 5 способами уширения подошвы, устройством выносных буронабивных или залавливаемых свай, головы которых обвязывают с существующим фундаментом с помощью железобетонной обоймы. Для лучшего сцепления на существующем фундаменте делаются борозды и насечки.
Фундаменты отдельно стоящих сооружении можно усилить путем их уширения, непосредственно объединяя дополнительные фундаменты с существующими (рис. 6.4). В качестве уширения устраивают мощные консоли [68, с. 170-171]. Для обеспечения надежного сцепления их с существующим фундаментом на его поверхности делают горизонтальные гребни или заделывают анкеры. Подошву уширенной части фундамента располагают выше существующей для того, чтобы при разработке котлована не повредить существующую подошву. Для более интенсивного включения в работу уширенной части фундамента рекомендуется производить обжатие грунта под ней. Для этой цели на дно котлована под консолью укладывают бетонную плиту. В просвет между плитой и консолью устанавливают гидравлические домкраты. После достижения необходимого давления на грунт между плитой и консолью устанавливают распорки. Домкраты удаляют и производят бетонирование просвета.
Для каждого конкретного случая выбор способа усиления фундамента сооружений башенного типа должен производиться на основании тщательного технико-экономического сравнения возможных вариантов. Ниже
131
5-291
Рис. 6.4. Схема усиления фундамента сооружения путем его уширения / - фундамент, 2 - консоли; 3 -забетонированный просвет; 4 - обвязочная балка; 5 - гидравлический домкрат
на примерах иэ практики рассмотрим способы усиления фундаментов башенных сооружений в условиях проявления недопустимого крена.
В селе Александровка Ставропольского края в результате замачивания верхних слоев лессовидных суглинков и супесей, находящихся в пределах сжимаемой толщи фундаментов здания элеватора, начались просадки основания, которые привели к крену зданий в верхней точке для различных корпусов от 20 до 80 см. Поскольку засыпка зерном отдельных отсеков элеватора производилась не одновременно, крен продолжал прогрессировать в течение пяти лет. Проявлению значительных осадок и кренов также способствовало повышение уровня грунтовых вод.
Здание элеватора состояло из семи корпусов, которые располагались на площадке последовательно с разрывом в 5 м. Корпуса элеватора построены по типовому проекту серии 4-15-73, емкость каждого корпуса 10 300 т. Силосный корпус имеет размеры в плане 15x33 м и высоту от пола подсилосного этажа до пола надсилосного — 35,84 м. Сетка расположения колонн, силосов 3x3, высота подсилосного этажа 5,4 м, силосной части - 30 м. Фундаменты корпуса выполнены в виде сплошной монолитной железобетонной плиты, рассчитанной по схеме перевернутого безбалочного перекрытия. Сборные колонны установлены в стаканы башмаков, выступающих из фундаментной плиты. По колоннам уложены сборные 4желеэобетонные воронки.
При проектировании усиления оснований и фундаментов Укрспец-стрбйпроектом были рассмотрены следующие варианты.
Первый вариант предусматривал усиление фундаментов буроинъекционными сваями, которые предполагалось устраивать из внутреннего помещения здания путем бурения станком СБА-500 скважин диаметром 190 мм и длиной 17 м. В каждую скважину опускается арматурный каркас, после чего скважина заполняется цементно-песчаным раствором под давлением. Стоимость этого варианта усиления 76 тыс. руб.
Во втором варианте предусматривалось термическое закрепление грунтов основания через пробуренные в фундаментной плите и грунте скважины диаметром 150 мм и длиной 11 м. Стоимость этого варианта усиления 58 тыс. руб.
По третьему варианту рассматривался метод упрочнения грунтов с помощью газовой силикатизации [43]. Погружение инъекторов типа ИТП-58 предусматривалось сквозь фундаментную плиту с помощью пневмомо-лодков на глубину 10 м, а извлечение — гидравлическими домкратами.
132
Рис. 6.5. Варианты усиления фундамента элеватора путем его уширения
1 - корпус элеватора; 2 - монолитная железобетонная рама; 3 - существующий фундамент; 4 - уширение фундаментов; 5 - монолитная железобетонная арка
Стоимость этого варианта усиления — 65 тыс. руб.
Четвертый вариант усиления (рис. 6.5, а) предусматривал увеличение площади опирания фундаментов. Однако, поскольку добавлявшиеся плитные фундаменты не обладали достаточной жесткостью для восприятия поперечной силы от реактивного давления грунта, было решено передать реакцию грунта на всю конструкцию элеватора путем устройства железобетонных рам. При бетонировании рам предусматривалась установка металлических манжетов в местах охвата колонн монолитом рамы (колонны не должны были защемляться бетоном рам до ликвидации крена корпуса). Над рамами существовавшие колонны усиливались железобетонными корсетами для восприятия повышенных реактивных усилий. Стоимость этого варианта усиления 58 тыс. руб.
Пятый вариант (рис. 6.5, б) аналогичен четвертому - усиление фундаментов осуществляется путем уширения площади их опирания. Однако реактивное усиление передается конструкциям элеватора с помощью железобетонных арок. При бетонировании арок также предусматривалась установка защитных металлических манжетов в местах охвата колонн. Сечения колонн усиливались с помощью железобетонных корсетов, охватывающих колонны на участках над арками, при этом усиление выполняется с устройством временного зазора величиной около 50 мм между верхом бетона арки и низом корсета. Крей здания ликвидируется после набора прочности бетоном арок и дополнительных фундаментов. Крен устраняется путем частичной загрузки зерном бункеров элеватора, а при необходимости — и с помощью искусственного одностороннего замачивания грунтов через инъекционные трубки или постепенного выбуривания грунта с нужной стороны. После ликвидации крека корпуса оставленные ранее зазоры между бетоном колонн и арок зачеканиваются бетоном. Стоимость строительно-монтажных работ по этому варианту 45 тыс.руб.
На основании технико-экономического сравнения вариантов работ был принят пятый вариант — усиление элеватора с помощью железобетонных арок и дополнительных фундаментов. Общее решение по принятому варианту заключалось в том, чтобы с помощью увеличения размеров фундамента (совместная работа пристраиваемой части с существующей достигалась, по предложению С.Г. Стратудата, с помощью арок) обеспечить
133
уменьшение напряжений по подошве фундаментов до давления в 0,2 МПа, при котором удовлетворяется требование СНиП по допускаемым осадкам и крену. С этой целью с обеих сторон силосного склада (корпуса элеватора) устраивают дополнительные плитные фундаменты шириной по 2,5 м и протяженностью на всю длину склада. Посредством арочных железобетонных конструкций, пересекающих здание в плоскости колонн в десяти его поперечных сечениях, нагрузка с колонн склада частично снимается и передается на пристраиваемые плитные фундаменты. Распор арочных конструкций погашается путем устройства железобетонных затяжек, заанкериваемых в существующую фундаментную плиту. Элементы затяжек располагаются ниже пола склада, поверх существующей железобетонной фундаментной плиты и в нишах, образованных подколенниками. Связь затяжек с существующей фундаментной плитой осуществляется с помощью заполнения бетоном ниш, расположенных между первым и вторым, а также пятым и шестым рядами колонн.
Расчеты всех элементов усиления производили для случаев полной загрузки зерном силосного склада и односторонней загрузки (на 2/3 его ширины). Кроме того, в расчет принимали ветровую нагрузку. По этим нагрузкам определяли нормативные давления на грунт основания и выполняли расчет по деформациям. При расчете по деформациям удовлетворялось следующее условие: суммарное значение деформаций грунта (осадка + посадка) не превышало нормативное значение деформации для такого вида сооружений (30 см) и крен корпуса также был менее нормативного G доп = 0,004).
Расчет арочных конструкций для передачи части нагрузки на пристраиваемые фундаменты выполнялся по схеме свободно опертой арки с затяжкой. На такую арку сверху (по узлам сопряжения с колоннами) действуют усилия от веса силоса (вертикальная сила и момент), а снизу (по узлам опирания) — реакции дополнительных фундаментов. По данным нагрузкам определялись усилия в колоннах и во всех элементах арки с затяжкой, по которым и рассчитывались сечения всех элементов (например, пояс арки был принят размером 1100x600 мм). Вследствие уменьшения пролета затяжки и длины арки узлами сопряжения с колоннами армирование элементов арки с затяжкой соответственно уменьшалось.
В качестве примера полного переустройства фундаментов интересен случай усиления потерявшего устойчивость железобетонного элеватора в г. Виннипеге в Канаде [85]. Здание элеватора состояло из рабочей башни размером в плане 21x19,8 м и высотой 54 м, а также силосного корпуса высотой 30 м и размером в плане 23,1x58,5 м. Элеватор опирался на сплошную железобетонную плиту с балками, расположенными сверху (рис. 6.6). Давление под фундаментом составляло 0,32 МПа.
При загрузке корпус получил значительную осадку, особенно с западной стороны, при этом крен элеватора составил 270 к вертикали. Сместившийся в сторону центр тяжести элеватора повлек за собой увеличение давления на грунт под западной частью корпуса, что вызвало выпирание слабого грунта из-под подошвы фундамента. Осадка приостановилась, когда появилось обратное давление от образовавшегося высокого бугра выжатого грунта. В результате происшедшего крена элеватора фундаментная плита с западной стороны опустилась на 8,7 м, с восточной стороны поднялась на 1,5 м относительно первоначальной отметки. Кроме того, отметка северной стороны корпуса изменилась на 1,2 м по сравнению с южной. Поскольку сооружение было достаточно жестким и при аварии не получило значительных повреждений, было принято решение о его выправле-
134
Рис. 6.6. Схема восстановления проектного положения элеватора с подведением столбов под фундаментную плиту/
а — перед началом выправления крена; б — после завершения работ по восстановлению и усилению; 1— 5 — столбы соответствующего ряда; 6 — скала; 7 - шпальные клетки; 8 — временные подкосы; 9 — фундаментная плита; 10 — железобетонный корпус элеватора; 11 — домкраты; 12 — слабый глинистый грунт
нии и подведении под него новых фундаментов в виде 70 бетонных столбов диаметром 2,1 м с опиранием их на скалу (см. рис. 6.6). Эти фундаменты бетонировались шахтным способом. Поворот сооружения осуществлялся 388 винтовыми домкратами грузоподъемностью 5000 т, которые были установлены вдоль четвертого и пятого рядов столбов (на столбах и на грунте). При повороте шпальные клетки на столбах первого и второго рядов постепенно разбирались, а на четвертом и пятом рядах постепенно наращивались. После того, как угол наклона здания был уменьшен до 8°30 , система шарнирных опор была перенесена на второй ряд, а над третьим рядом были установлены дополнительные домкраты. В дальнейшем подъем сооружения производили 420 домкратами.
В практике реконструкции известны случаи подводки и полной замены фундаментов оригинальных сооружений и архитектурных памятников. В этом отношении представляет интерес подведение фундаментов каменной колокольни Боровско-Успенской церкви в Архангельске [85]. Прежде всего подводили новые фундаменты в виде каменных столбов под местом наибольшего крена колокольни, а затем подводили фундаменты с противоположной стороны, после чего устраивали фундаменты в промежутках между ними. Каменные столбы вновь подводимого фундамента не доводили до цоколя здания, а в оставшиеся зазоры между верхом столбов и низом цоколя набивали мешки с сухим песком. Разрыв по высоте со стороны крена делали минимальным, а с противоположной стороны — максимальным. Крен выпрямляли путем постепенного извлечения песка из мешков, набитых в разрыв между подведенными фундаментами и цоколем колокольни. Для удаления песка мешки протыкали металлическими прутьями и песок высыпался. При использовании вместо
135
мешков с песком гидравлических домкратов работы начинаются с разгрузки основания со стороны наибольшего крена. Для разгрузки основания применяют поперечные балки с установкой под их концы шпальных клеток с гидравлическими домкратами.
6.3. Усиление фундаментов технологического оборудования
При усилении фундаментов технологического оборудования, а также устройстве дополнительных заглубленных и подвальных помещений в действующих цехах промышленных предприятий возникают трудности из-за стесненности места работ и нередко необходимости их выполнения без остановки производства. В таких случаях следует проектировать методы усиления в увязке с конкретными условиями. В проекте должны предусматриваться дополнительные меры по безопасному ведению работ, а также закладываться порядок демонтажа конструкций, которые мешают производству работ по усилению, и последующего их монтажа. При этом схему монтажа строительных конструкций следует проектировать с учетом условий работы при реконструкции зданий [86]. Все рассмотренные ранее способы укрепления оснований и усиления фундаментов должны применяться в увязке с особенностями работы в закрытом помещении, рядом с действующими механизмами и оборудованием.
Например, при усилении сваями железобетонной фундаментной плиты в подвальном помещении сваи можно погружать через отверстия, пробитые в плите, а при недостаточной для размещения сваепогружающего оборудования высоте подвала все работы можно производить под фундаментной плитой, погружая сваи из располагаемых под плитой раскрепленных штолен [48]. При таком усилении сваи необходимо размещать по возможности по оси несущих стен и колонн.
Передача нагрузки от зданий, сооружений и конструкций на нижележащие прочные грунты возможна также с помощью опускных колодцев, применяемых при усилении крупных сооружений в особых условиях. Такие колодцы устраивают непосредственно под фундаментами или эа их пределами, как зто делается при устройстве выносных свай. С поверхности земли или из специальных шурфов, под участками фундамента сооружают железобетонные опускные колодцы по известной технологии (рис. 6.7). Форма колодцев в зависимости от конкретных условий может быть круглой, квадратной или прямоугольной. Размеры колодца определяются расчетом, а также требованиями технологии опускания. Грунт внутри колодца разрабатывают вручную или механизированным способом. По окончании опускания, когда низ колодца достигнет проектной отметки, полость колодца заполняют бетоном или балластом (щебень, бутовый камень, песок), а по верху устраивают железобетонный обвязочный пояс. При усилении сооружений выносными колодцами нагрузка на них передается поперечными балками. Число колодцев, возводимых под зданием, определяется расчетом. Колодцы в плане располагают под несущими стенами, под углами здания и в местах сосредоточения нагрузок.
В практике известны случаи усиления фундамента прокатного стана корневидными сваями [48]. Например, монтаж нового прокатного стана на старых фундаментах на металлургическом заводе г. Баньоли (Италия) был произведен путем постепенного демонтажа старого прокатного стана с одновременным усилением фундаментов корневидными сваями, которые ’’прошивали” старые фундаменты в различных направлениях. Такой метод усиления позволяет использовать существующие фундаменты для устройства усиленной конструкции фундамента под новое оборудование.
136
Рис. 6.7. Схема усиления сооружения подведением опускного колодца
1 — фундамент сооружения; 2 — бетонная плита; 3 — опускные колодцы; 4 — втрамбованный бетон; 5 — балласт; 6 - прочный грунт
В некоторых случаях для усиления фундаментов под оборудование и сооружения можно применять крестовые связи, воспринимающие как растягивающие, так и сжимающие усилия. Например, на Новоздолбу-новском цементно-шиферном комбинате [54] крестовыми предварительно сжатыми связями были усилены пространственные фундаменты-опоры под вращающиеся печи (рис. 6.8). Крестовые связи предварительно сжимали с помощью тросов и домкратов. Величина предварительного сжатия крестовых связей устанавливалась из условия, что при любых нагрузках они останутся сжатыми. Однако при этом не исключалось, что в процессе эксплуатации в связях возможно возникновение растягивающих усилий, которые могут привести к разрушению узлов примыкания связей к рамам. Поэтому связи были сконструированы так, что сжимающие усилия передаются лобовым упором на пластины, приваренные к арматуре рамы, а растягивающие - через коротыши вдоль стержней арматуры. При этом стержни арматуры не вырываются из бетона и целость узлов рамы не нарушается.
Подобным образом могут усиливаться и рамные фундаменты — опоры технологических трубопроводов. В таком случае следует лишь тщательно учитывать действующие на опору горизонтальные нагрузки, которые слагаются из ветровой нагрузки и усилий, возникающих вследствие температурного удлинения трубопровода.
При реконструкции действующих промышленных корпусов нередко возникает необходимость в устройстве дополнительных заглубленных помещений внутри цеха или глубоких фундаментов для дополнительного оборудования. В таком случае раскопка котлована под заглубленное помещение производится вблизи существующих фундаментов нагруженных опор каркаса здания. В этой ситуации, во-первых, может возникнуть опасность для указанных фундаментов при удалении грунта из котлована, во-вторых, нагрузки от существующих фундаментов увёличи-
137
Рис. 6.8. Схема усиления фундамента-опоры под вращающиеся печи
1 - фундаментная плита; 2 - металлические крестовые связи; 3 - рама; 4 - трос;
5 — домкрат; 6 — пластины; 7 - рабочая арматура рамы; 8 - коротыши, привариваемые после напряжения связей
Рис. 6.9. Варианты устройства вертикальных ограждений
1 — стена здания; 2 - колонна; 3 - фундамент; 4 — стена строящегося заглубленного помещения; 5 — стены обоймы усиления основания; 6 — слабый грунт
вают давление на борт котлована. В связи с этим следует устраивать ограждение, которое исключает взаимовлияние котлована и существующих фундаментов.
В случае, показанном на рис. 6.9, а, ограждение котлована полностью воспринимает давление от грунта и существующих фундаментов и одно-
138
временно может служить несущей конструкцией подземного помещения. Расчет такого ограждения на давление грунта выполняется по теории Кулона с учетом пригрузки от существующих фундаментов. Устраивать такое ограждение следует, как правило, методом ’’стена в грунте”, выбирая грунт из котлована уже под его прикрытием. Иногда требуется одновременно выполнить усиление существующих фундаментов из-за разжижения грунтов основания. В таком случае основание может быть взято в обойму из двух самостоятельных ’’стен в грунте”, а ограждение котлована выполняется обособленным (рис. 6.9, б). В этом случае ограждение котлована для заглубленного помещения рассчитывается лишь на давление грунта, заключенного между двумя ограждениями (массив a b w е на рис. 6.9, б). Аналогичная картина будет в том случае, когда новое заглубленное помещение строится вблизи стены существующего подвала, более глубокого, чем новое подземное помещение. Такие случаи встречались, например, при реконструкции административного здания по ул. Станиславского в Москве, цеха на заводе в Днепропетровске и на других объектах.
Потеря устойчивости подпорной стенки сопровождается опусканием части засыпки в виде призмы аЪс (см. рис. 6.9, в), которая и является призмой обрушения [87, с. 93]. Нарушение равновесия происходит по некоторой поверхности скольжения (при смещении подпорной стенки). В результате нарушения равновесия и появляется оползающая призма, равновесие которой в целом и надо рассматривать [79, с.141]. Действующей на ограждение силой будет горизонтальная составляющая Е& веса Р призмы. Если же на ограждение (или подпорную стену) действует какой-то объем грунта (например, аЪтн. на рис. 6.9, в), отличный от объема призмы обрушения айс, то давление на ограждение Ец от такого объема грунта будет отличаться от активного давления грунта по Кулону.
Для определения активного давления на вертикальное ограждение от грунтовой засыпки, размер сечения которой меньше размера сечения призмы обрушения, определенного по теории предельного равновесия, воспользуемся выводом формулы для нахождения давления грунта по Кулону. С целью упрощения выкладок все рассуждения в основном будем вести для случая несвязного грунта и горизонтальной поверхности засыпки. Окончательное решение будет верно и для всех других случаев давления грунта на вертикальное ограждение.
Величину Е% можно получить приближенно как величину горизонтально составляющей равнодействующей веса призмы обрушения при разложении сил по линии поверхности скольжения. Действительно, вес призмы обрушения
Р = ( 2ГЯ2/2) tg (45° - V / 2), (6-14)
а горизонтальная составляющая или активное давление
£a=Ptg (45°- ^/2), (6-15)
где - плотность грунта; Н - глубина котлована; У - угол внутреннего трения грунта.
При уменьшении веса призмы обрушения грунта активное давление уменьшится прямо пропорционально уменьшению ее веса.
Если часть призмы обрушения обрезать, например, какой-то дополнительной подпорной стенкой или ограждением тп к (см. рис. 6.9, в), то активное давление грунта на рассчитываемую ограждающую конструкцию а & уменьшится во столько раз, во сколько площадь аЪтп меньше площади аЪс. На практике можно уменьшать площадь эпюры давления
139
пропорционально уменьшению площади сечения призмы обрушения. Форма эпюры давления грунта также изменяется, что видно из рис. 6.9, в. Площадь эпюры аЪдо дает величину полного активного давления грунта. Центр тяжести эпюры а Ъдо . определяет место приложения равнодействующей активного давления от ограниченного объема грунта. Опуская несложные преобразования, получим следующие выражения для определения необходимых величин (см. рис. 6.9, в):
= &htgz (45°~ Ч>/2); h =Ът tg (45° + V/2?; Е'а = б'гм <и~^2У,
(6.16)
(H~h')2 + hlH-Zhli)
2H~h
Строго говоря, при определении активного давления от ограниченного объема грунта требуется также учитывать, во-первых, изменение длины поверхности скольжения — разницу между прямой ас и ломаной апт (см. рис. 6.9, в), во-вторых, дополнительное трение между грунтом и поверхностью ограничивающего элемента тпк . Однако, как установлено нами с помощью пробных вычислений, эти факторы взаимно компенсируются. Остающаяся неточность вычислений идет в запас прочности. Поэтому при практическом проектировании этими факторами можно пренебрегать.
Если с помощью графических решений величина Еъ определяется сразу без построения зпюры давления, то при ограничении объема грунта засыпки величину Е% можно уменьшать пропорционально уменьшению площади призмы обрушения и сразу определять величину Е%. Для этого первоначально определяют давление Е& от полной призмы обрушения, а затем переходят к определению давления Ед ограниченного объема грунта.
При расчетах бокового давления грунта на вертикальные ограждения необходимо четко представлять условие его работы [9, с. 269—274]. В связи с этим следует иметь в виду, что предельные значения коэффициентов активного ( 1) и пассивного ( Д п > 1) давлений отвечают условиям
возникновения нарушения устойчивости грунта в некоторой точке. Эти значения представляют собой минимальное значение Лй, которое достигается в результате полного возможного бокового расширения грунта перед потерей им устойчивости, и максимальное значение Л п , которое достигается в результате полного возможного бокового сжатия грунта при этом же условии. Отсюда следует, что для грунта в естественных условиях его залегания, т.е. для грунта, который после своего образования не подвергался никаким воздействиям, способным привести его к расширению или сжатию в боковых направлениях, боковое давление в пределах ненарушенной и недеформированной его толщи должно иметь промежуточное значение между значениями пассивного и активного давлений того же грунта. Следовательно, при усилении массивной подземной конструкции, когда деформации ее практически равны нулю и никаких смещений прилегающего грунта не происходит, необходимо пользоваться коэффициентом бокового давления в состоянии покоя, который определяется по формуле
(6.17)
где - коэффициент Пуассона, значения которого приводятся в ряде работ Г9.79, 87 и др. ] .
140
При расчете ограждений или подпорных стен, претерпевающих любые минимальные деформации, следует пользоваться теорией активного и пассивного давления с ограничением при необходимости объема призмы обрушения путем соответствующего уменьшения площади эпюры бокового давления грунта.
Снижение активного давления при ограничении объема грунта в призме обрушения рассмотрим на примере расчета давления для вертикального ограждения (см. рис. 6.9, в) высотой Н = 10 м от песчаного грунта плотностью $ = 2 т/мЗ и углом внутреннего трения ‘/’=26°. Для указанных численных значений максимальная ордината al эпюры бокового давления от полной призмы обрушения составит б2м = 78,2 кН/м2, а активное давление на 1 м (эпюра аЪ1 на рис. 6.9, в) Е = 391 кН/м. Максимальная ордината эпюры бокового давления грунта от призмы обрушения, ограниченной дополнительным ограждением тппк, составит, 6'2М = = 57 кН/м2, активное давление Е^ = 285 кН/м (эпюра а.Ъо на рис. 6.9, в).
При проектировании усиления фундаментов технологического оборудования и подземных помещений следует иметь в виду, что горизонтальные силы на подземные конструкции часто создаются не только давлением грунта, но и системой нагрузок, действующих на лежащие выше элементы технологического оборудования. Такие горизонтальные силы возникают, например, от тормозного усилия мостовых кранов, от действия ветровой нагрузки и др. Следовательно, расчет усиления фундаментов должен выполняться на весь комплекс действующих нагрузок, как и при проектировании новых фундаментов [88]. При этом необходимо детально решать все вопросы, касающиеся усиления фундаментов, укрепление основания, изменение конструкций, способы крепления оборудования к фундаментам, методы производства работ по усилению фундаментов под оборудование [22].
При реконструкции фундаментов и заглубленных конструкций нередко возникает необходимость решения некоторых попутных вопросов, например, таких, как ликвидация сырости в помещении. Сырость фундаментов и надфундаментных конструкций влечет за собой постепенное разрушение кладки и вызывает повышенную влажность воздуха в рабочих помещениях. Поэтому при реконструкции технологических помещений необходимо проектировать мероприятия, направленные против увлажнения стен и фундаментов.
6.4. Усиление подпорных стен
Необходимость усиления подпорных стен возникает в связи с потерей их устойчивости при увеличении нагрузок на засыпку или изменении физико-механических свойств грунтов, а также при разрушении материала стен под действием коррозии и других факторов. Подпорные стены можно усиливать корневидными и анкерными сваями, грунтовыми анкерами, контрфорсами, обоймами, а также устройством дополнительных ограждений и другими способами.
Усиление подпорных стен корневидными сваями производится без разработки траншей и котлованов, при этом корневидные сваи проходят через существующую кладку под любым углом наклона, связывая стенку с грунтом. Корневидные сваи целесообразно применять при устройстве глубоких выемок в непосредственной близости от существующих зданий.
141
6-291
Рис. 6.10. Схема усиления подпорных стен
1 — подпорная стенка; 2 — грунтовый анкер; 3 — контрфорс
Подобные случаи часто возникают при реконструкции городов и промышленных комплексов, а также транспортных сооружений. Более глубокие фундаменты стремятся разместить как можно ближе к существующим фундаментам, подвалам или подпорным стенам. В зтий условиях оправдывается применение подпорных стен, усиленных корневидными сваями.
В стесненных условиях для усиления подпорных стен рационально применять грунтовые анкеры (рис. 6.10, а), предназначенные для восприятия и передачи горизонтальных усилий на глубокие слои грунта. Заделка анкера расположена за пределами призмы обрушения. Грунтовый анкер устраивают в наклонной скважине, которую выполняют различными способами (бурением, продавливанием). В нижней части скважины сооружают уширение, воспринимающее выдергивающую нагрузку. Бетонную смесь нагнетают в скважину с помощью бетононасоса или растворонасоса. Перед бетонированием в скважину закладывают анкерные стержни, имеющие на нижнем конце шайбу, а на верхнем — резьбу для гайки. Натяжение анкера производится домкратом и фиксируется гайкой. Диаметр скважины составляет 100—200 мм. Более подробно технология устройства грунтовых анкеров и схемы их расчета описаны в гл. 7 настоящей работы. В некоторых случаях задача усиления решается устройством контрфорсов (см. рис. 6.10, б), размещаемых через определенные расчетом расстояния.
При значительном ухудшении физико-механических й прочностных характеристик грунт за подпорной стенкой может быть частично заменен прочным дренажным материалом — песком, щебнем или камнем. Такой материал повышает прочностные характеристики грунтовой засыпки за подпорной стенкой, частично воспринимает нагрузку от оставшегося слабого грунта и одновременно играет роль застенного дренажа. Засыпка из дренажного материала в зависимости от условий производства работ и высоты подпорной стенки выполняется на полную глубину или частично. Поперечное сечение каменной засыпки рекомендуется принимать треугольного очертания [10, с.87].
В Сочи потерявшая устойчивость подпорная стена на Курортном проспекте была усилена обоймой и частичной отрезкой призмы обрушения (рис. 6.11). Из-за увлажнения суглинков, составлявших грунты за подпорной стеной, активное давление грунта на стенку увеличилось. В резуль-
142
Рис. 6.11. Схема усиления подпорной стенки в г. Сочи
1 - подпорная стенка; 2 - железобетонная обойма; 3 — ростверк;
4 - ряд буронабивных свай (с шагом 1,1 м); 5 — линия скольжения призмы обрушения
тате стена наклонилась над тротуаром на величину до 40 см, а ее верхняя часть разрушилась. После детального анализа условий работы подпорной стенки были разработаны и выполнены мероприятия, которые заключались в следующем.
Существующая подпорная стена сверху была разобрана на величину нарушенной кладки и до отметки заметного отклонения (с учетом возможности раскопки засыпки за стенкой из условия безопасности близко расположенных зданий). Разобранная кладка была заменена новой. Ввид> того, что при деформации подпорной стены трещины развились практически до самого фундамента, вся подпорная стена была взята в железобетонную обойму. Для уменьшения активного давления грунта на подпорную стену часть призмы обрушения была отрезана рядом буронабивных свай диаметром 1020 мм и длиной 14 м, сваи располагались на расстоянии 1,7 м одна от другой и были объединены поверху железобетонным ростверком. В свету расстояние между сваями составило 680 мм, что обеспечило непродавливание грунта между ними благодаря проявлению арочного эффекта. Существующая подпорная стена совместно с железобетонной обоймой была рассчитана на давление от ограниченного объема грунта в соответствии с изложенной в п. 6.3 методикой. Длина буронабивных свай рассчитывалась из условия необходимой заделки их ниже линии скольжения (см. гл. 7).
Для облегчения работы подпорной стены могут применяться и так называемые анкерные сваи. Такие сваи устраивают (или забивают при применении сборных свай) за пределами призмы обрушения. Поверху свай изготовляется железобетонный ростверк, в который заделывают концы металлических тяжей. Другие концы тяжей заделывают в шапочный брус, изготовляемый поверху усиливаемой подпорной стенки. Шапочный брус должен жестко соединяться с существующей подпорной стенкой, для чего арматура последней оголяется и к ней приваривается арматура шапочного бруса. Тяжи могут быть изготовлены из круглого металла диаметром 40-60 мм или из прокатных профилей. Тяжи должны обетонироваться или покрываться качественным антикоррозионным покрытием. Как правило, тяжи стремятся располагать ниже поверхности грунта. Следует помнить, что при применении анкерных свай и тяжей
143
усиливаемая подпорная стена начинает работать по схеме однопролет* ной балки,, следовательно, такой способ целесообразнее применять при усилении железобетонных подпорных стен. При усилении бутовых стен этот способ можно использовать только после тщательного анализа, выполнения расчетов и проектирования усиления самой конструкции стены.
глава 7. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СООРУЖЕНИЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА СКЛОНАХ
7.1. Проектирование и устройство контрбанкетов
Наиболее эффективными мероприятиями по закреплению неустойчивого (оползневого) склона с расположенными на нем сооружениями является устройство контрбанкетов, контрфорсов и удерживающих конструкций. Применение других противооползневых мероприятий освещено в литературе [89,90,92 и др.].
Следует иметь в виду, что сооружения, построенные на склонах, могут деформироваться и независимо от степени устойчивости склона. Если склон или откос, на котором (или вблизи которого) возведено сооружение, устойчив, а деформации фундаментов происходят, то причины этих деформаций нужно искать в недостаточной несущей способности основания или прочности фундамента. В этом случае усиление фундаментов и самих сооружений производится рассмотренными в главах 3—6 методами.
Деформации сооружений, построенных на оползневых склонах, могут происходить как из-за воздействия давления неустойчивых маср грунта на конструкции сооружения, так и вследствие разрыхления грунта в основании фундамента при смещении оползневых масс вниз по склону. В этих случаях усиление и реконструкция фундаментов, как правило, должны сопровождаться укреплением всего склона, на котором расположены здания и сооружения. Иногда допускается выполнять усиление лишь фундаментов сооружения на склоне с тем, чтобы оползень, продолжая двигаться, ’’обтекал” конструкции фундаментов. Однако такой случай допустим лишь тогда, когда не предполагается использование окружающей сооружение территории (усиление фундаментов опор газо- и нефтепроводов, линий электропередач и т.п.).
При обследовании усиливаемого или реконструируемого здания или сооружения и выполнении инженерно-геологических изысканий склона необходимо устанавливать причины нарушения устойчивости грунтов и появления оползневых подвижек, а также определять вид воздействия смещающегося грунта на фундамент здания или сооружения (см. п. 1.5). С этой целью все изыскания на склоне (геодезические и геологические) следует выполнять в полном соответствии с нормативными документами [89,90].
В зависимости от инженерно-геологической обстановки на склоне, характера деформаций расположенных на нем сооружений и результатов технико-экономического сравнения вариантов при проектировании укрепления неустойчивого склона могут осуществляться следующие противооползневые мероприятия (по отдельности и в сочетании друг с другом): террасирование или уполаживание склонов, водопонижение и поверх-
144
костный водоотвод, дренирование подземных вод, сооружение подпорных стен, устройство контрфорсов и контрбанкетов, применение противооползневых удерживающих свайных конструкций, одерновка и озеленение склонов, закрепление грунтов химическим или иным способами, устройство берегоукрепительных сооружений.
Перед началом проектирования противооползневых мероприятий необходимо на основании полученных материалов инженерно-геологических изысканий расчетным путем установить степень устойчивости укрепляемого склона. Методов оценки устойчивости склонов и откосов существует очень много. Однако для практических расчетов [92, с.11— 14] могут быть рекомендованы следующие: 1) метод круглоцилиндрической поверхности скольжения (для склонов с относительно однородными грунтами, когда поверхность скольжения не предопределена геологическим строением склона и не установлена материалами изысканий); 2) метод горизонтальных сил Маслова-Берера; 3) аналитический метод Шахунянца (для склонов, у которых положение и конфигурацию поверхности скольжения можно установить по материалам инженерно-геологических изысканий). При выполнении расчетов без применения ЭВМ может использоваться и ускоренный способ расчета методом Шахунянца [92, с. 14—17]. Следует отметить, что метод круглоцилиндрической поверхности скольжения применим лишь для определения коэффициента устойчивости склона, а методы Маслова-Берера и Шахунянца—также и для определения оползневого давления, на которое следует рассчитывать противооползневую удерживающую конструкцию. Учитывая многоплановость условий работы грунтового склона или откоса, вычисления требуется производить несколькими методами для возможности всестороннего анализа получаемых результатов.
Введем следующие обозначения: Ку — фактический коэффициент устойчивости склона; Е^п — суммарное оползневое давление на удерживающую конструкцию; К~ — задаваемый коэффициент устойчивости для укрепляемого склона;у — плотность воды; с-, — удельное сцеп-
ление и угол внутреннего трения грунта на уровне подошвы отсека (по поверхности скольжения в данном отсеке); св± , V’g/ —сдвиговые характеристики водонасыщенного грунта; ni — нормальное напряжение в рассматриваемой точке отсека; р _ t v —
rpi ci/oni
коэффициент сопротивления сдвигу; = arctg Fpi - угол сдвига; hi — средняя высота водонасыщенной части отсека; — полный вес одного из отсеков, на которые разбивается оползневый склон (с учетом внешней временной или постоянной нагрузки от сооружений, находящихся в.пределах отсека); РВ£ ~ вес отсека с учетом взвешивания водой;
— фильтрационная сила (гидродинамическое давление) в i-м отсеке; QCt- — сейсмическая сила в отсеке.
Для расчета контрбанкетов основными являются формулы для определения коэффициента устойчивости склона, а для расчета удерживающих конструкций — формулы для вычисления оползневого давления.
Контрбанкет (рис. 7.1), представляющий собой отсыпку из грунта, предназначен для увеличения удерживающих сил в склоне под действием своего собственного веса. Следовательно, наибольший эффект будет получен от контрбанкета в том случае, когда он расположен над восходящей ветвью поверхности скольжения. В этом случае к удерживающим силам, действующим по поверхности скольжения в самом склоне, добавляются
145
Рис. 7.1. Схема склона с контрбанкетом
1 — поверхность склона; 2 - контрбанкет; 3. — поверхность скольжения; 4 - номера расчетных отсеков, на которые условно разбивается оползневый массив
касательная составляющая веса контрбанкета = Р£ since- )
и сила сопротивления перемещению, состоящая из силы трения по поверхности скольжения (Т1 = cos aj tg Vj). Поэтому коэффициент устойчивости склона с учетом работы контрбаикета, например по "'методу круглоцилиндрической поверхности скольжения (при отсутствии грунтовых вод), выразится формулой
(P£cosa.itgV^cil.) + .Eg(Pi sincCL + P£ cosa^g ¥-)
* Sin °C'i + ^ci )
где д — номер расчетного^отсека, над которым начинается контрбанкет.
Очевидно, что при вычислении по формуле (7.1) необходимо строго учитывать знак угла наклона поверхности скольжения . Все веса отсеков грунта, которые расположены над нисходящей ветвью поверхности скольжения, будут увеличивать сдвигающие силы, а все веса отсеков, расположенных над восходящей ветвью поверхности скольжения, — удерживающие силы. Это не касается лишь сил трения и сцепления, которые всегда относятся к удерживающим силам. В связи с этим контрбанкет может быть расположен над ниспадающей ветвью поверхности скольжения. В этом случае силы трения должны превышать сдвигающие силы от веса контрбанкета, т.е. должно выполняться неравенство
P*sin < Р* cos tg (7.2)
В этом случае силы Р* sin ос £ , относящиеся к части контрбанкета, расположенной над ниспадающей ветвью поверхности скольжения, будут сдвигающими и должны перейти в знаменатель формулы (7.1).
Именно такими тщательными расчетами (которые рекомендуется выполнять на ЭВМ по специальной программе) устанавливаются размеры и форма контрбанкета, обеспечивающие повышение коэффициента общей устойчивости склона до нормативного значения [89, с. 10]. При назначении размеров контрбанкета следует учитывать, чтобы он распространялся за
146
пределы языка оползня, во избежание выжимания грунтов по новой поверхности скольжения.
Форма контрбанкета должна уточняться и из условий производства работ. На стадии проектирования контрбанкета уточняются схемы завозки грунта, определяется необходимая плотность укладки, устанавливаются схемы отвода поверхностных вод в процессе отсыпки и тд. Для решения этих вопросов необходимо параллельно с проектированием контрбанкета разрабатывать проект производства работ по его отсыпке.
При укреплении склона оврага контрбанкет может одновременно служить засыпкой лога. В этом случае контрбанкет работает не только в виде пригруза, но и создает отпор оползневому давлению благодаря распору между двумя бортами оврага. Таким образом был укреплен борт оврага, над которым располагалось здание котельной по ул. Полигонной в Днепропетровске (см. п. 1.5). По тальвегу оврага укладывали дренажный коллектор для сбора вод ручья и грунтовых вод, который был обсыпан дренажным материалом (щебнем и песком), а затем поверху отсыпали контрбанкет. В результате оползневое явление было прекращено.
Иногда из-за стесненности территории требуемый по расчету контрбанкет не вмещается между существующими зданиями. В таком случае применяют отрезку низового откоса контрбанкета подпорной стеной или свайной конструкцией. Подобным образом вышли из положения в описанном ниже примере. В июле 1976 г. потерял устойчивость застроенный склон Аптекарской балки в Днепропетровске. Сверху склона на расстоянии 20 м от бровки располагалось 9-зтажное промышленное здание. Ниже на пологой части склона размещались одноэтажные жилые дома. Внизу, под склоном, находились двухэтажный бытовой корпус автотранспортного предприятия, здание гаража и 2-этажное административное здание. За сутки до появления оползня, после прошедших ливневых дождей, была обнаружена в верхней части склона закольная трещина с шириной раскрытия до 15 см. Это послужило сигналом к выселению жителей из одноэтажных домов, благодаря чему жертв не было.
Обрушение склона произошло в течение 2—3 мин. Общая длина оползня составила около 160 м, ширина — 100 м, глубина — 10—15 м. У 9-этажного здания образовалась вертикальная стенка срыва высотой 6—7 м. Здание не потеряло устойчивость, так как фундаментом его являлась сплошная железобетонная плита, но крен здания достиг 160 мм. Одноэтажные дома на склоне и бытовой корпус автопредприятия внизу были полностью разрушены. Гараж привалило грунтом, вал выпирания образовался у административного здания.
До обрушения склон в верхней части имел крутизну 60-70°, ниже был' несколько положе. Борта балки сложены четвертичными лессовидными суглинками, подстилаемыми на большой глубине красно-бурыми суглинками и глинами. На самом оползневым склоне балки в течение многих лет производилась отсыпка мусора, что привело к образованию в вершине оврага толщи насыпных грунтов (с органическими остатками) мощностью более 10 м. В результате отсыпки грунтов значительно изменились конфигурация оврага, условия дренирования грунтовых вод и стока поверхностных вод. Уровень грунтовых вод до 1973 г. находился на глубине 12—14 м, а к июню 1976 г. он поднялся на 5—6 м (в основном из-за отсутствия организованного сброса поверхностных вод).
При проектировании восстановления склона и ликвидации последствий оползня было решено нейтрализовать причины неустойчивого положения склона, а именно, тщательно спланировать обрушившиеся массы грун-
147
Рис. 7.2. Схема укрепления склона Аптекарской балки
1 — стена административного здания;
2 - сборные навесные панели; 3 -заполнение доменным шлаком; 4 -железобетонный ростверк; 5 — послойная засыпка суглинком; 6 -контрбанкет; 7 - дренажный слой;
8 — отводная дренажная труба; 9 -поверхность скольжения оползня;
10 — железобетонные сваи
та; отсыпкой контрбанкета увеличить удерживающие силы, ликвидировав перегрузку склона; создать под контрбанкетом дренажный слой для отвода грунтовых вод; организовать упорядоченный водоотвод поверхностных вод.
Последовательность отсыпки контрбанкета была принята такой, чтобы в первую очередь ликвидировать опасность для верхнего 9-зтажного корпуса и для расположенных внизу зданий. Поэтому отсыпка контрбанкета велась параллельно в нижней и верхней частях склона (с опережением отсыпки в языке оползня). Мощность слоя отсыпаемого контрбанкета в отдельных местах составляла 4—5 м. Нижний откос контрбанкета не вмещался перед гаражом и административным зданием автопредприятия, поэтому его решено было обрезать, подперев подпорной стеной из забивных свай (рис. 7.2). Сваи забивали в четыре ряда с выступом над уровнем грунта, так что этот частокол непосредственно подпирал грунт контрбанкета. Чтобы грунт не просыпался, на последнем (наружном от контрбанкета) ряду свай навешивались сборные железобетонные панели. После выполнения всех запроектированных противооползневых мероприятий склон нормально эксплуатируется в течение нескольких лет.
7.2. Укрепление склонов с помощью контрфорсов
При сравнительно невысоких склонах устраивать сплошной контрбанкет иногда становится нецелесообразным. В таких случаях контрбанкет делают прерывистым по ширине склона, т.е. он фактически превращается в контрфорсы.
Контрфорс представляет собой поперечный вертикальный выступ, ребро или стенку, усиливающий основную несущую конструкцию (в данном случае склон) и принимающий на себя давление грунта. Для укрепления склона чаще всего применяют грунтовые контрфорсы, укрепленные камнем, или контрфорсы полностью из камня. При невысоком склоне с расположенным на нем зданием^ которое требует усиления, могут применяться бетонные контрфорсы, укрепляющие одновременно склон и стену здания (рис. 7.3,а).
При укреплении высоких оползневых склонов применяют контр* форсы из камня и щебня. Такие контрфорсы, создавая отпор, могут одновременно служить для отвода из толщи склона грунтовых вод, в таком случае они называются контрфорсными дренажами (рис. 7.3, б).
148
Рис. 7.3. Схема устройства контрфорсов и контрфорсных дренажей
1 - поверхность склона; 2 - усиливаемое здание; 3 - бетонные контрфорсы;
4 — первоначальная поверхность оползня; 5 — контрфорсные дренажи; б - возможная поверхность оползня; 7 - линия срыва (закольная трещина)
Заглубление контрфорсного дренажа определяется положением возможной наиболее глубокой поверхности оползания неустойчивых грунтов; расположение же и заглубление откосных дренажей, работающих только для сбора и отвода вод, определяется самой пониженной точкой скопления или выхода подземных вод. Контрфорсные дренажи выполняют таким образом, что их нижняя ступенчатая грань пересекает наиболее опасную поверхность скольжения.
Контрфорсные дренажи обычно устраивают: из каменной наброски, тщательной сухой, каменной кладки с засыпкой пустот чистым крупнозернистым песком; смешанного типа — наружные грани выполняют из сухой каменной кладки, а внутреннюю полость заполняют гравелисто-песчаными грунтами; из щебенистых или гравелистых грунтов. Наилучшим осушительным действием обладают контрфорсные дренажи из фильтрующего (дренажного) материала — гравия, щебня, каменной наброски. Однако для повышения устойчивости контрфорсных дренажей из щебня или гравия в верхней части каждого дренажа следует устраивать подпорную стенку из каменной сухой кладки.
Схема расчета контрфорсных дренажей еще в 1952 г. была предложена инж. Б.В. Пащенко. Приведем эту схему расчета, несколько преобразовав ее [89,92, с.24].
На рис. 7.3, б, кривая niF— установленная инженерно-геологическими изысканиями первоначальная поверхность скольжения до устройства дренажей; CiF— возможная наиболее опасная поверхность скольжения после прекращения осушающего действия дренажей (верхняя граница этой поверхности доходит до уплотненной зоны BCD, образующейся в соответствии с теорией арочного эффекта [92, с.29—34]). Введем обозначения:
149
(fa — полный вес земляного массива ABCDEFA после устройства контрфорсных дренажей (сползание грунта возможно по поверхности Ci F ); ^2~ вес клина niC, заключенного между первоначальной поверхностью скольжения ni F и поверхностью CiF- и ос2— углы наклона к горизонту касательных к поверхности CiF и niF в местах пересечения их силами 0, и ^2 5 и ct ~ соответственно угол внутреннего трения и удельное сцепление для случая полного увлажнения оползающих грунтов при плотности их, соответствующей плотности грунтов в естественном залегании до устройства контрфорсных дренажей; и сг ~ то же> ПРИ наибольшем возможном уплотнении оползающих грунтов.
Смещения оползневого массива после устройства контрфорсных дренажей не произойдет, если
91 sin «J «б qj cos «J tg У} + поверхн. (ABCDEFA)Cy, Г7-3) где поверхность (ABCBEFA) представлена в виде клина.
С другой стороны, при правильно назначенном расстоянии между дренажами L грунты, залегающие выше пояса BCD (см. рис. 7.3, о) вследствие уплотнения смещаться не будут, даже если произойдет некоторое смещение грунтов склона, залегающих ниже этого пояса; поэтому условие устойчивости клина С in представится выражением:
92 sin aj < 92 cos а2 tgV2 + поверхн. (ni) с2, (7.4)
где поверхность Ш в плане имеет контур DCBnr (данный расчет можно вести и на единицу длины между дренажами).
Вес ij.1 зависит от расстояния L между дренажами и расстояния S2 от подошвы склона до пояса уплотненного грунта; вес — от разницы расстояний ( S, — S2 ), т.е. при известном расстоянии 5^ от подошвы склона до места срыва первоначальной поверхности скольжения (например, крайняя вверх по склону закольная трещина) вес <fa зависит лишь от расстояния Sz. Зная на основе инженерно-геологических изысканий расстояние , принятую длину контрфорсных дренажей 10, а затем построив поверхность возможного сползания CiF, найдем величины 32и (fa.
Неизвестная поверхность скольжения CiF принимается в верхней части Ci цилиндрической, а в нижней части IF— совпадающей с основной поверхностью скольжения niF . Точка i является общей для поверхностей CiF и niF. Задаваясь различными кривыми Ci , можно определить крайнее положение точки С, в котором клин Ci п будет находиться в устойчивом состоянии. Положение точки С должно быть таким, чтобы соблюдались зависимости: S2 > 1О и уравнение (7.4) . Из уравнения (7.3) можно определить искомое расстояние между дренажами L , которое входит в выражение для определения веса .
Геометрические размеры контрфорсных дренажей следует назначать исходя из того, что основание дренажа должно быть ниже известной поверхности скольжения, а длина дренажа 10 должна быть такой, чтобы его задняя стенка ВВ} располагалась за точкой i . Задаваясь длиной дренажа 10, его расчетную ширину Ър определим с учетом того, что после выступления контрфорсных дренажей в действие и образования уплотненной зоны BCJJ на дренаж АВВ1 А1 будут действовать следующие силы: Е— от давления оползневого массива ( Вп тпВ1) г £,/2 — от давления половины оползневого массива (В‘met) и Z^/2 — от давления половины оползневого массива (BnrD). Если принять б,-Бг~С, то сила, смещающая контрфорсный дренаж, будет равна E+G.
150
Обозначая принятую площадь продольного сечения дренажа S2 , среднюю плотность его заполнения If и коэффициент трения дренажного заполнения по грунту основания f , а также пренебрегая (в запас) трением дренажа о грунт по граням АВ и А1 В1, при заданном коэффициенте устойчивости Ку получим следующее условие устойчивости дренажа:
грЛ zrf/(F + G) >К*. (7.5)
Если это условие не выполняется, то необходимо увеличить ширину или длину дренажа, или же увеличить вес дренажного заполнения. При заданном/Су из формулы (7.5) находят ширину 5р.
Описанные конструкции контрфорсных дренажей были применены на отдельных перегонах Южной железной дороги, на косогорных участках нефтепровода ’’Дружба” и на других объектах. Как правило, они надежно стабилизировали оползневые участки горных склонов и искусственных откосов насыпей.
7.3. Применение удерживающих конструкций
Деформации зданий и сооружений на склонах нередко происходят от таких оползневых подвижек, которые невозможно остановить с помощью обычных противооползневых мероприятий. В подобных случаях требуется устройство противооползневых удерживающих конструкций глубокого заложения (из свай или столбов). Удерживающие конструкции из забивных и буронабивных свай представляют собой устраиваемые поперек движения оползня свайные ряды, объединенные железобетонными ростверками. Методика расчета и проектирования таких сооружений относительно четко разработана и проверена экспериментальными исследованиями и многолетней практикой эксплуатации построенных противооползневых сооружений [92].
В настоящее время разработан удобный и точный способ расчета рамы из удерживающих свай [93]. Многопролетную рамную конструкцию расчленяют на отдельные Г-образные рамы. Исходят из допущения, что узлы соединения ригеля со стойками многопролетной рамы противооползневой конструкции могут перемещаться только по горизонтали (рис. 7.4, а). Отсюда расчет многопролетнрй конструкции сводится к расчету Г-образ-ной рамы с заделанным в грунт нижним концом и с защемленно-подвижной верхней опорой (рис. 7.4, 6). Эта верхняя опора, не мешая свободному горизонтальному перемещению конца ригеля, препятствует его повороту и вертикальному перемещению:
Ф4=0; Д4=0, (7.6)
где 'fc, Д д — соответственно угол поворота и вертикальное перемещение точки 4рамы.’ ’
Заменив действие верхней защемленно-подвижной опоры реактивным моментом Мд и вертикальной реакцией 1/д и пользуясь принципом независимости действия сил, раскладывают полученную расчетную схему на три составные (рис. 7.5). В соответствии с получешыми схемами вводят обозначения: ЕоП - доля оползневого давления, приходящаяся на одну стойку рамы, от общего оползневого давления £^5 Ер 1Р — жесткость сечения ригеля рамы; Ес I с — жесткость сечения стойки рамы (сваи или столба); с, V — прочностные характеристики грунта ниже поверхности скольжения; у0 , — соответственно горизонтальное
перемещение и угол поворота точки 0.
151
Рис.7.4. Противооползневая удерживающая конструкция
а - схема сооружения; б - расчетная схема; 1 — поверхность скольжения;
2 - устойчивые грунты; 0-4 - расчетные сечения
Рис. 7.5. Составляющие расчетные схемы от действия оползневого давления (о) , вертикальной реакции (б) и реактивного момента (в)
Полные значения угла поворота и вертикального перемещения точки 4 Г-образной рамы составят:
Ч> =. = J Л (7'7)
Ч Ч Ч 4 ’ 4 4 4 4
Верхние индексы Е, V ,М при буквах V и ZJ обозначают усилие, определяющее данное перемещение.
Опуская промежуточные решения, после математических преобразований получим систему уравнений:
lol?W (<?мм 4-h/EcIc)(M^~ ^а)+
+ (2М^а-^аг)/2Ер1р = 0; (7-8)
4-(3M{/a-2^as)/6EpIp^0. 0-9)
152
Отсюда:
Еоп ^М£ + г0 ^ММ + 1о№с ?с) 4 " 2 (?мм* Л /ЕС1С)+ а/2Ер1р
(7.10)
V4=3Af4/a, (7.11)
где и d1углы поворота 4^ соответственно от силы £о=1 и момента /Ио = 1, определяемые по методике, приведенной в работах [94,90].
Для построения эпюр изгибающих моментов и перерезывающих сил (рис. 7.6, а) в верхней части конструкции (выше поверхности скольжения) усилия рассчитывают по формулам:
^о^оп^-^^^^оп^о-^;
(7.12) M^=N^a — М^=2М^.
Усилие Мц находят по формуле (7.10), а величины Яо,1 и Q 2,4 — по формулам:
Н0,1 = Еоп> ^2,4 =V4’ (713)
Расчет нижней части конструкции, расположенной под поверхностью скольжения, производится по методике расчета опор глубокого заложения в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 7.6, б [94, 90]. Перед началом расчета нижней части конструкции ориентировочную глубину заделки стоек рамы (удерживающих элементов) ниже поверхности скольжения рекомендуется определять согласно работе [92, с. 40—42]. Аналогичным образом из работы [92, с. 29—37] находят критическое расстояние между удерживающими элементами. Это расстояние принимают перпендикулярным направлению действия оползневого давления из условия непродавливания грунта для случаев пластического и непластического его состояния. На усилия, определенные по расчету рамной конструкции, рассчитываются сечения удерживающих элементов [92, с. 43-53].
С помощью приведенной методики расчета запроектированы и построены десятки противооползневых удерживающих конструкций из забивных и буронабивных свай в Крыму, на Кавказе, в Закарпатье, на Волге и в других местах нашей страны. Все склоны, укрепленные таким способом, успешно эксплуатируются. Приведем один из многих примеров.
В Сочи, у поворота автомобильной дороги на Мацесту (301-й км автотрассы Новороссийск—Батуми) склоны подхода к мацестинскому виадуку долгое время были неустойчивыми. Особенно опасным являлся подход на ответвлении дороги к г. Мацеста — правобережный склон р. Ма-цеста.
Полотно автомобильной дороги в этом месте проваливалось по 3—4 раза в год. Закономерности провалов установить не удавалось — они случались в любое время года; после обильного выпадения дождей, после снегопадов и даже в сухие периоды. После засыпки провала щебнем и восстановления асфальтового полотна дороги наступал короткий период стабилизации оползня, а затем все повторялось. В результате в склоне созда-дался мощный слой щебня с асфальтом, однако оползневые подвижки ежегодно продолжались. Внизу у берега р. Мацеста образовался большой вал выпирания. Оползень начал давить на устой виадука, в результате чего появились трещины в теле устоя и начали разрушаться пролетные строения. Оползень угрожал и зданиям расположенного выше автодороги Института курортологии.
153
Рис. 7.6. Расчетные схемы и эпюры действующих усилий в верхней (а) и нижней (б) частях рамы относительно поверхности скольжения I 1-4- расчетные сечения
В 1976 г. Укрспецстройпроект выполнил проектно-изыскательские работы по проектированию на данном объекте противооползневых удерживающих конструкций из буронабивных свай. Инженерно-геологические изыскания показали, что на данном склоне четвертичные делювиальные образования (тяжелые суглинки и глины с щебнем и обломками песчаников) сползают по коренным породам - аргиллитам с прослоями песчаников. Мощность оползневой толщи в среднем составляла 6—9 м. Постоянно действующий водоносный горизонт грунтовых вод, залегающий на глубинах более 1,5—9 м, располагался на контакте делювия и коренных пород.
Во время проведения изысканий оползень имел длину 270 м, ширину 100—150 м. Поверхность оползня в его средней части была наклонена под углом 10—12° к горизонту и представляла собой типично оползневый мелкобугристый рельеф с хорошо выраженными уступами заколами и буграми выпирания. В связи с тем, что оползень был в основном вызван самим геологическим строением склона, различные поверхностные противооползневые мероприятия не могли привести к его стабилизации. В процессе проектирования рассматривались варианты укрепления склона с помощью контрбанкета и контфорсов, однако, из-за расположения в нижней части склона опор виадука и берега реки, а также в связи с глубоким расположением поверхности скольжения эти варианты оказались неприемлемыми.
На объекте были запроектированы противооползневые удерживающие конструкции глубокого заложения в два яруса — верховая и низовая (рис. 7.7). Конструкции были рассчитаны на оползневое давление 300—500 кН (в зависимости от расположения конструкции и местоположения расчетного поперечника по протяженности склона). Оползневое давление определялось по полученным из материалов инженерногеологических изысканий прочностным характеристикам грунтов на уровне поверхности скольжения: угол внутреннего трения V = 9-?15°, удельное сцепление с = 0,15д-0.4 МПа.
Противооползневые удерживающие конструкции представляли собой свайные поля из буронабивных свай диаметром 820 мм и длиной 9,5— 14 м (из условия углубления в коренные породы на расчетную величину 4—5 м). Сваи армировали арматурными каркасами из степжней диамет-
154
1
Рис. 7.7. Противооползневые удерживающие конструкции глубокого заложения
1 — существующие подпорные стены; 2, 3 — верховая и низовая удерживающие конструкции; 4 — насыпной грунт; 5 — аргиллиты и алевролиты; 6 — буронабивные сваи
ром 28 мм класса А-Ш. Число стержней принималось от 10 до 18 — в зависимости от результатов расчета сплошного круглого сечения на изгиб (на усилия, появляющиеся в стойках рамы). В некоторых местах армирование сечения буронабивных свай пришлось принять неравномерным: со стороны действия оползневого давления (в растянутой зоне) было поставлено большее число стержней, чем в остальной части сечения.'Поверху головы буронабивных свай были объединены железобетонными плитами ростверков (при необходимости с невысокими подпорными стенками). Плиты ростверков армировали на усилия, появлявшиеся в ригеле по результатам расчета рамы.
Буронабивные сваи изготовлял трест Укргидроспецфундаментстрой. Ростверки армировали и бетонировали посекционно — по мере изготовления буронабивных свай в отдельной секции свайного поля. При этом вначале выполнялась удерживающая конструкция верхнего яруса, а затем — нижнего. Такой порядок работ всегда должен сохраняться при противооползневом строительстве, чтобы последовательно отсекать соответствующую часть оползневого давления. В течение четырех лет, прошедших с окончания устройства свайных сооружений, никаких оползневых подвижек на рассмотренном объекте не наблюдалось.
В последнее время противооползневые удерживающие свайные конструкции стали использоваться с применением анкера, который закрепляет ростверк к коренным породам (рис. 7.8). Такие свайные конструкции с заанкеренным ростверком оказываются несколько экономичнее обычных противооползневых свайных сооружений, поскольку анкеровка головы конструкции существенно облегчает ее работу и позволяет уменьшить число рядов свай, их диаметры и длину.
155
Рис.7.8. Схема заанкеренной противооползневой свайной конструкции
1 — анкер; 2 — ростверк; 3 — сваи; 4 - оползневая толща; 5 — поверхность скольжения; 6 — устойчивые грунты
При расчете заанкеренной конструкции принимается основная теоретическая предпосылка о работе свайной противооползневой конструкции как свайно-грунтовой стены.
В заанкеренной свайной конструкции в качестве анкерных устройств чаще всего применяют грунтовые анкеры, выполняемые в виде наклонных буроинъекционных свай диаметром 200—300 мм. Отличительная особенность таких анкерных устройств состоит в том, что они обладают некоторой податливостью, обусловленной возможностью растяжения материала анкера и ползучестью грунта, в который он заделан.
Результаты выполненных расчетов, заанкеренной удерживающей конструкции, изображенной на рис. 7.8 для серии рам с различными параметрами методом перемещений на ЭВМ ”Минск-32М”, показали, что усилия в анкере и в стойке рамы практически не зависят от податливости анкера при шарнирном соединении стойки с ригелем. Как показали вычисления и анализ работы построенных конструкций, шарниры в расчетной схеме могут применяться в двух случаях:
1) при устройстве действительных шарниров в реальной конструкции (путем соответствующей заделки свай в ростверк с прокладками, обмазкой и пр., или соединения свай с ростверком с помощью шарниров и т.д.);
2) при снижении жесткости ростверка (ригеля рамы) в несколько раз по сравнению с жесткостью свай (стоек) и ограничении расчетной податливости анкера до 1—1,5 см.
Только в этих случаях анкерное устройство дает эффект, снижая усилия в сваях по сравнению с усилиями в них в незаанкеренной конструкции. Нетрудно заметить, что в шарнирной расчетной схеме ростверк (ригель рамы) не препятствует свободному повороту голов свай (стоек рамы) и служит лишь для передачи на анкер реактивных усилий, возникающих в голове каждой сваи. С учетом этого, а также того, что к сваям приложены одинаковые по значению и направлению силы Е', становится ясно, что схемы работы каждой стойки идентичны. Поэтому достаточно рассмотреть работу одной стойки по схеме, представленной на рис. 7.9, а. Следует иметь в виду, что итоговое усилие в анкере, удерживающем всю
156
Рис. 7.9. Расчетная схема стойки-рамы с эпюрами усилий а — расчетная схема; б — эпюра изгибающих моментов; в — эпюра перерезывающих сил; 1 - устойчивые грунты; 2 - поверхность скольжения; 3 — свая; 0; 1; 2; 3 — номера сечений стойки рамы
(7.14)
свайную конструкцию, будет равно сумме реактивных усилий, возникающих в голове каждой сваи. Выполненные по такой схеме расчеты показали их полную идентичность с расчетами шарнирной рамы целиком.
Таким образом, расчет заанкеренной свайной конструкции сводится к расчету сваи с упруго-защемленным в грунт нижним концом (см. рис. 7.9, а). Действие ростверка на голову сваи заменяется реактивным усилием А, которое позволяет голове сваи совершать ограниченное горизонтальное перемещение у 2, равное расчетной податливости анкера А. В этой схеме точка 2 соответствует местоположению ростверка (через него передается усилие на анкер), а точка 0 расположена на уровне поверхности скольжения оползня.
Усилие А, не мешая свободному повороту головы сваи в точке 2, ограничивает ее результирующее горизонтальное перемещение у2, т.е.:
Е' А
У2= У» ~ у2 •
Е1
где у 2 - горизонтальное перемещение головы свободно стоящей сваи в точке 2 от действия на нее оползневого давления Е'" у* — то же, от действия реактивного усилия в анкере А. t 2
Для вычисления деформаций сваи в точке 0 воспользуемся методом расчета свай на действие горизонтальных нагрузок и моментов, принятым в настоящее время в нормах [91, 95]. В точке 0 действуют усилия (см. рис. 7.6, б)
НО=Е- А и М0=Е 1о - Ah. (7.15)
Обозначим, как и ранее, горизонтальное перемещение и угол поворота оси сваи в точке 0 от действия единичной горизонтальной силы Но = 1 соответственно через £/*нн и (fMH,а горизонтальное перемещение и угол поворота оси сваи в точке 0 от действия единичного момента, Мо - 1 — через и Подставив в уравнение (7.14) значения У г (вы-
ражения для них опущены), которые были предварительно преобразованы с учетом указанных выше обозначений, и решив его относительно Л, после некоторых преобразований получим:
Cq f’in \
Г У г.
-------> (7.16)
to / ММ о
А — m ----
157
где /п = 1 =- 1,1 — коэффициент условий работы, учитывающий некоторую условность расчетной схемы и зависящий от числа рядов свай (при одном раде /я=1, при числе рядов более т=1,1, в остальных случаях находится интерполяцией); lfm, lfHM , if щи , единичные перемещения, выражения для которых приведены в работе [90].
Из выражения (7.16) очевидно,- что чем меньше заданное значение у2, тем больше усилие, воспринимаемое анкером, а значит, тем рациональнее заанкеренная удерживающая конструкция. Для получения эффективных заанкеренных удерживающих конструкций рекомендуется применять предварительное натяжение анкера с целью снижения его податливости при эксплуатации. В реальных конструкциях следует добиваться, чтобы натяжение анкера при эксплуатации противооползневого сооружения составляло не более 3—4 см. При этом условии и'при обеспечении шарнирного соединения свай с ростверком расчеты без большой погрешности можно производить, принимая у-2 = 0.
Расчет заанкеренных противооползневых свайных конструкций по предложенной схеме рекомендуется выполнять в следующем порядке. Задаваясь рабочими параметрами грунтового анкера, опытным путем определяют его несущую способность на выдергивание и его деформа-тивность (податливость) Л. Разрабатывают план свай в удерживающей конструкции — задаются числом рядов свай п и шагом их в ряду Ъ Затем, принимая заглубление сваи в устойчивые нескальные грунты = = 24-2,5 м (в скальные — 0,5-1 м) и принимая у2 = Л, по формуле (7.16) находят реактивное усилие в голове одной сваи А. Далее, определив по формулам (7.15) усилия Но и Мо, в соответствии с методикой, изложенной в работе [90]? выполняют проверку достаточности принятой величины заглубления сваи h,. Если при принятом заглублении h1 не обеспечивается устойчивость сваи, то значение несколько увеличивают и расчет повторяют. Рекомендуется окончательно принимать значение заглубления сваи в нескальные грунты не менее 2 м, а в скальные — 0,5 м.
Определив необходимое значение заглубления h1, в соответствии с рис. 7,9, бив строят эпюры изгибающих моментов и перерезывающих сил в верхней части сваи (выше поверхности скольжения) и в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 7.7, б — в нижней части сваи.
Значения изгибающих моментов и перерезывающих сил выше поверхности скольжения (см. рис. 7.9, б, в) определяют по формулам:
Л/j =Д(/о-/7);
2Ho=F'Zo-XA;
6?2=Л' °l=0o=ffo=E'-A.
(7.17)
(7.18)
Расчет усилий в нижней части сваи, расположенной ниже поверхности скольжения, производят по методике расчета пор глубокого заложения [94,90].
Шаг анкерных устройств t , измеренный вдоль оси конструкции, определяют в соответствии с приведенной ниже формулой:
t = N sin а Ъ /Ап, (7.19)
где ос - угол наклона анкера к вертикальной оси (см. рис. 7.8).
С помощью описанной методики расчета противооползневые анкерные свайные конструкции запроектированы на нескольких объектах автодороги Симферополь — Ялта — Севастополь.
158
Рис. 7.10. Анкерная подпорная стенка из буронабивных свай с ограждающими панелями-оболочками
1 - основная свая; 2 - трубчатая стойка; 3 - бортовая балка; 4 — цилиндрические панели-оболочки;
5 — железобетонный ростверк; 6 — анкерные сваи
1 .°’
В последнее время стали применяться подпорные стены из буронабивных свай для ограждения котлованов, для устройства террас при перепаде отметок территории, для защиты фундаментов существующих зданий при выполнении реконструкции и для укрепления неустойчивых откосов.
Для удержания стенок разбуриваемых под сваи скважин от обрушения грунта применяют глинистый раствор или обсадные трубы. Сваи армируют цилиндрическими каркасами; продольные стержни имеют разную длину (в соответствии с эпюрой изгибающих моментов).
На Пышминском песчаном карьере для укрепления откоса была внедрена анкерная подпорная стенка из буронабивных свай диаметром 800 мм с шагом 6 м. При бетонировании в сваи устанавливали металлические стойки, к которым приваривали панели-оболочки, воспринимающие давление грунта. Для разгрузки основной конструкции подпорной стенки устраивали анкерные буронабивные сваи диаметром 800 мм, которые соединяли с основной конструкцией стенки железобетонными тяжами (рис. 7.10). Анкерные сваи были сделаны на различную глубину.
Применение буронабивных свай в сочетании с ограждающими криволинейными тонкостенными оболочками при реконструкции и строительстве Пышминского песчаного карьера, фабрик № 4—5, щебеночного завода и других объектов в г. Асбесте позволили сократить расход бетона в 4—8 раз, арматурной стали в 4—6 раз также снизить трудоемкость работ в 5 раз и более.
7.4. Применение метода "стена в грунте"
Благодаря применению метода ’’стена в грунте” становится возможным использование противооползневых удерживающих конструкций, даже там, где они казалось бы неприемлемы. Например, в грунтах, текучих или подвергающихся сильному разжижению удерживающие свайные конструкции, как правило, не применяют. Однако при невозможности осуществления иных противооползневых мероприятий на таких грунтах может быть запроектирована свайная конструкция в сочетании со сплошным ограждением. Такое ограждение устраивают чаще всего методом
159
Рис. 7.11. Поперечные сечения удерживающих элементов из секущихся буронабивных свай
а - в плотных грунтах; б - в неустойчивых грунтах
Рис. 7.12. Конструкция лидерно-направляющих труб (с) и схема их примыкания одна к другой (б)
Рис. 7.13. Схемы удерживающего элемента (д) и его работы в условиях обтекания оползнем (б)
1 - замкнутое ограждение, устраиваемое методом "стена в грунте"; 2 - армирование ограждения; 3 - оставленный целик грунта, укрепленный цементацией; 4 — столбы-обоймы или опоры, обтекаемые оползнем (в плане); 5 -часть оползневого склона, с которой на опору действует оползневое давление £оп
’’стена в грунте” в створе с нижним рядом удерживающих элементов (свай или столбов). Ограждение имеет отверстия для пропуска воды. Подобное сооружение было запроектировано для укрепления оползневого склона в районе строительства Ингури ГЭС.
В тех случаях, когда для восприятия значительных усилий требуется увеличить сечение удерживающего элемента (в направлении действия оползневого давления), устраивают сдвоенные или строенные буронабивные сваи (рис. 7.11), т.е. сечения удерживающих элементов увеличивают методом ’’стена в грунте”.
Такие стенки, располагаемые параллельно длине оползневого склона, изготовляют с помощью так называемых лидерно-направляющих труб (ЛНТ), которые по сечению имеют вогнутый участок с радиусом кривизны, совпадающим с радиусом самой трубы (рис. 7.12). Таким образом,
160
когда одна труба примыкает к другой, то в плане они образуют очертание восьмерки и расстояние между осями соседних скважин оказывается меньше, чем их диаметр.
Подобный прием позволяет получить ряд примыкающих вплотную друг к другу скважин (любое число их). В процессе изготовления таких свай в каждую предыдущую скважину устанавливается ладерно-каправ* ляющая труба, вдоль которой ведется бурение следующей скважины. При изготовлении удерживающих элементов в относительно устойчивых грунтах все ЛНТ извлекаются после окончания бурения, и свая армируется общим каркасом. При наличии неустойчивых грунтов каждая скважина по отдельности армируется и бетонируется, после чего извлекаются лидерно-направляющие трубы. Метод изготовления удерживающих элементов из секущихся буронабивных свай освоен трестом Укргидроспец-фундаментстрой [95].
При необходимости восприятия больших оползневых давлений в качестве удерживающих элементов могут применяться прямоугольные железобетонные столбы,которые обычно устраивают шахтным способом. Однако более рационально изготовлять удерживающие элементы [опоры с помощью метода ’’стена в грунте” (рис.7.13)] .С зтойцелью в грунте устраивают сплошной вертикальный ограждающий замкнутый контур необходимой глубины. Контур устраивают путем разработки замкнутой траншеи (широкозахватным грейфером или каким-либо другим механизмом), армирования ее и бетонирования методом ВПТ. Затем внутри контура в оставшемся грунте пробуривают вертикальные скважины, в них устанавливают иньекторы и нагнетают в грунт находящийся внутри контура цементный раствор. В результате получается удерживающий элемент в виде столба, сечение которого состоит из железобетонной коробки с зацементированным целиком грунта внутри.
В случае когда здание или сооружение находится на оползневом склоне, который не требуется укреплять в целом, фундамент здания или сооружения можно оградить обоймой, устраиваемой методом ’’стена в грунте”. Такие обоймы уже описывались в п. 4.2, однако в данном случае обойма должна выдержать горизонтальное давление от обтекающего ее оползня. Следовательно, обойма, устроенная методом ’’стена в грунте”, должна быть заглублена в несмещаемые породы и работать как противооползневый столб. Отличие такого столба от удерживающего элемента в том, что последний, работая вместе с конструкцией, удерживает оползневые массы грунта от сползания, а столб-обойма позволяет оползню двигаться, обтекая его, но при этом сам остается устойчивым. Расчет такого столба-обоймы производится на оползневое давление, испытываемое оползневым склоном, определенной шириныШиринаоползневого склона Ьр, с которой действует оползневое давление на опору глубокого заложения в условиях обтекания ее оползнем, в результате действия сил трения и сцепления будет больше ширины опоры (см. рис. 7.13, б). Ориентировочно эту ширину можно принимать поформуле 13S (7М)
где Ъ - расстояние, определяемое согласно работе С 92, с. 371 из условия непро-давливания грунта; Ъ < Ъ' (здесь Ъ ’ — расстояние между опорами, обтекаемыми оползнем; см. рис. 7.12 ).
Аналогичные случаи встречаются, когда требуется посадить на опору магистральный трубопровод, проходящий по оползневому склону. Например, на одном из участков нефтепровода ’’Дружба” в Закарпатье ополз-
161
Рис. 7.14. Фундамент, возводимый на оползневом участке
нем порвало трубы, проложенные в грунте. В результате выполнения проектно-изыскательских работ было решено поднять трубы из грунта и уложить их на опоры, обтекаемые оползнем.
Пример одного из фундаментов, возводимых на оползневом участке, показан на рис. 7.14. Фундамент* состоит из двух блоков, все элементы которых устраивают методом ’‘стена в грунте”. Верхний блок 1 выполнен в виде стенки, ориентированной вдоль направления движения оползня, й размещен выше поверхности скольжения. Нижний блок 5 выполнен в виде двутавра 6, ребро которого является продолжением верхнего блока, и размещен ниже поверхности скольжения оползня 4. В верхний блок 1 вмонтированы трубки 2, выходящие одним концом на его боковые поверхности на разной высоте, а вторым — на сто верхнюю торцовую поверхность. Боковые поверхности верхнего блока 1 покрыты глинистой коркой. Благодаря тому, что верхний блок 1 имеет 2 трубки 2, выходящие на его боковые поверхности на разных уровнях, по ним можно подавать тиксотропный раствор. Последний создает на боковых поверхностях верхнего блока 1 глинистую корку, вследствие чего снижается трение между грунтом и боковыми поверхностями этого блока.
Устройство фундамента методом ’’стенав грунте” начинают с изготовления продольной стенки (блок 1 и стенка 5 в двутавре 6) на полную высоту. Затем устраивают траншеи для полок двутавра 6. Эти траншеи заполняют железобетоном только до уровня поверхности скольжения. Выше поверхности скольжения траншеи заполняют грунтом с уплотнением. Предлагаемый фундамент, возводимый на оползневом участке, позволяет уменьшить передаваемые на фундамент усилия.
х А.с. 823499 СССР. Фундамент, возводимый на оползневом участке/г.У. Бабушкин, Л.К. Гинзбург, В.И. Ищенко и др. - Заяви. 18.04.1979, № 2755453 /29-33, опубл, в Б.И., 1981, № 15.
162
глава 8. УСИЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ ПОДМАШИНЫ С ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ
8.1. Особенности обследования фундаментов и оснований при динамических нагрузках
Обследование фундаментов машин с динамическими нагрузками и их оснований выполняется по специальной программе в случае реконструкции таких фундаментов или необходимости их усиления. В отдельных случаях усиление фундаментов под машины осуществляется с целью снижения общего уровня колебаний для обеспечения нормального технологического процесса и требований санитарных норм. При обследовании фундаментов машин с динамическими нагрузками и их оснований выполняется как весь комплекс работ, предусмотренный для фундаментов несущих конструкций (см. гл. 2), так и дополнительные исследования. Последние обычно включают: измерение амплитуды колебаний фундамента и отдельных его частей, а также выявление основных частот собственных и форм вынужденных колебаний фундамента; изучение распространения колебаний от обследуемого фундамента, а также установление общего динамического фона производственного участка; определение в отдельных случаях фактической динамической нагрузки, передаваемой на фундамент от работающей машины; установление фактического состояния фундамента, условий размещения машины на фундаменте и ее крепления к нему; определение фактических упругих и демпфирующих характеристик грунтового основания; выявление возможности проявления дополнительной динамической осадки, вызванной действием вибраций от фундаментов машин.
Параметры колебаний обследуемого фундамента, пола и строительных конструкций цеха, а также распространение колебаний в грунте от источника вибраций измеряют комплектом стандартной виброизмери-тельной аппаратуры [96]. Наибольшее применение получил комплект приборов для измерения вибраций К001, в который входят три вибродатчика И001, шесть гальванометров М02 и регулятор увеличения РООЗ. Комплект приборов К001 позволяет измерять параметры колебаний в пределах: по частоте — от 3 до 200 Гц, по амплитуде — до ± 1 мм при нижней границе измеряемых перемещений 2 мкм. При предварительном обследовании колебаний фундамента, проводимом с целью определения уровня вибраций й участков повышенных вибраций, могут использоваться приборы со стрелочным показателем типа ВПУ-1 и ВИП-5 с вибродатчиком ВД-4.
Точки измерения выбирают, исходя из конструкции и размеров фундамента, степени его деформированное™ (целостности), типа машины и характера ее крепления к фундаменту, а также наличия'рабочих мест обслуживающего персонала. Число точек измерения вибраций должно быть достаточным для построения форм вынужденных колебаний фундамента. В каждой точке измерения запись колебаний следует обеспечить по трем взаимно перпендикулярным направлениям. При этом ориентация вибродатчиков по осям координат х, у, г зависит от кинематической схемы машины, направления динамического воздействия, конструктивных особенностей машины и фундамента. Примерная блок-схема, используемая при измерении колебаний фундамента под машину, приведена на рис. 8.1.
163
РИс. 8.1. Схема измерений вибраций фундаментов под машину
1 — фундамент; 2 — вибродатчики типа И001 (комплект К-001); 3 — соединительные провода; 4 — регулятор увеличения типа Р003; 5 - интегрирующий гальванометр М202; 6 -шлейфовый осциллограф типа Н700; 7 - блок питания ПО 1
Рис. 8.2. Схема измерения колебаний фундамента с использованием вибровозбудителя 1 — фундамент; 2 — датчики; 3 — блок управления; 4 — вибровозбудитель; 5 - регулятор; 6 — осциллограф; 7 - блок питания
Рис.8.3. Принципиальная схема определения частоты собственных колебаний фундамента методом оттяжки
164
В отдельных случаях для оценки вибрационного состояния фундамента недостаточно разового измерения его колебаний и требуется построение амплитудно-частотной характеристики, т.е. установление зависимости изменения амплитуды от частоты возмущающей силы для характерных точек фундамента. Такие зависимости позволяют установить номер резонансной гармоники, степень приближения рабочей частоты машины к значениям собственных частот фундамента или отдельных элементов его и наметить в случае необходимости способы изменения динамических характеристик системы фундамент — машина [97]. Для фундаментов под машины с вращающимися частями амплитудно-частотная характеристика может быть получена в процессе плавного пуска установки. В других случаях, а также при отсутствии машины на фундаменте в период реконструкции для получения амплитудно-частотной характеристики фундамента используют специальные вибровозбудители, жестко закрепляемые на фундаменте. Примерная схема измерений вибраций фундамента с использованием вибровозбудителя приведена на рис. 8.2. В качестве вибровозбудителя наиболее часто применяют двух- или четырехвальные вибраторы инерционного периодического действия, у которых возмущающая сила изменяется пропорционально квадрату частоты колебаний.
Частоты собственных колебаний обследуемого фундамента определяют, как правило, по записям его свободных колебаний, возбуждаемых ударом груза по фундаменту в соответствующем направлении (горизонтальном или вертикальном). С этой целью могут также использоваться записи колебаний фундамента при наборе мощности и остановке машины. В отдельных случаях, когда позволяют условия производства, а фундаменты имеют сложную конструкцию и большую высоту, для выявления частот собственных колебаний фундамента под машину может быть применен метод оттяжки [98]. Принципиальная схема определения частот собственных колебаний фундамента таким способом показана на рис. 8.3. Метод оттяжки был использован, например, для определения частот собственных горизонтальных и вертикальных колебаний фундаментов стержневых мельниц МСЦ-32-45 на Соколовско-Сарбайском горнообогатительном комбинате. Оттяжку фундамента в вертикальном направлении (см. рис. 8.3, а) производили с помощью каната, который крепился поперек барабана мельницы и оттягивался через вставку, имевшую специально ослабленное сечение грузоподъемностью 200 т. Для оттяжки фундамента в горизонтальном направлении (см. рис. 8.3, б) канат предварительно пропускали через специальный ролик, прикрепленный к соседней мельнице.
При усилении и реконструкции фундаментов под машины динамические нагрузки, передаваемые на фундамент, принимают согласно техническим данным машины. В случае отсутствия таких данных динамические нагрузки определяют расчетом по СНиП П-19-79 [99] для соответствующего типа машины. Однако расчет реконструируемого или усиливаемого фундамента под машину желательно производить с учетом фактических динамических нагрузок, воспринимаемых фундаментом. Определение их производится, как правило, путем специальных измерений с привлечением специализированных организаций. Для машин с номинально уравновешенными вращающимися частями, когда фактическая динамическая нагрузка на фундамент неизвестна, для ее определения могут использоваться данные регулярно проводимых балансировок. При этом динамическая сила, передаваемая машиной фундаменту, может быть
165
определена как отношение амплитуд колебаний опор машины к значению динамической податливости фундамента на этом участке, т.е.
P = ZU/ДР; - Л2;
АР = тг ш2,
где А1 и А— амплитуды колебаний до и после балансировки; т - масса балансированного груза; г - радиус установки груза; сд - угловая скорость ротора машины.
При возможности частичного демонтажа таких машин фактические динамические нагрузки могут быть уточнены путем экспериментального определения динамической податливое^ опор машины либо ее фундамента в месте восприятия динамических воздействий при возбуждении колебаний фундамента специальным вибровозбудителем [ЮО]. Под динамической податливостью здесь подразумевается отношение амплитуды колебаний в данной точке к амплитуде силы, которую развивает вибровозбудитель.
При установлении фактического состояния фундаментов под машины с динамическими нагрузками дополнительно к изложенным в гл. 2 способам обследования фундаментов осуществляют тщательное обследование участков крепления машины к фундаменту с целью установления жесткости заделки анкерных болтов в теле фундамента; выявление возможности смещения машины при ее работе по отношению к фундаменту на основе специальных измерений колебаний фундамента и станины машины вибродатчиками, располагаемыми на одной вертикали; установление по данным измерений колебаний фундамента целостности его как жесткой конструкции.
Упругие и демпфирующие характеристики грунтового основания, необходимые для расчета усиливаемого или реконструируемого фундамента на колебания, в соответствии с действующими нормативными документами следует определять по результатам испытаний [99, 101J. Упругие свойства естественных оснований фундаментов машин учитывают, вводя коэффициенты упругого равномерного сжатия Cz, упругого неравномерного сжатия Cv, упругого равномерного сдвига С х и упругого неравномерного сдвига Демпфирующие свойства учитывают, вводя коэффициенты относительного демпфирования г х «/> v соответственно для колебаний вертикальных, горизонтальных и' вращательных относительно горизонтальной и вертикальной осей.
Опытное определение динамических характеристик грунтового основания реконструируемых или усиливаемых фундаментов действующих машин производят по результатам испытаний этих фундаментов на свободные (для машин с импульсными нагрузками) или вынужденные (для машин с периодическими нагрузками) колебания. При этом численные значения упругих и демпфирующих характеристик грунта вычисляют по известным формулам [102-104].
При изменении технологии производства, когда в реконструируемом цехе будут устраиваться новые фундаменты под машины с динамическими нагрузками, динамические свойства грунтового основания следует определять непосредственно на отметке подошвы фундамента с помощью специальных опытных фундаментов (штампов) различной конструкции. Наиболее приемлемыми для динамических исследований грунта в основании фундаментов машин с периодическими нагрузками можно считать инвентарные виброштампы конструкции Ленинградского Промст-
166
ройпроекта, Донецкого ПромстройНИИпроекта или НИИ оснований и подземных сооружений [34, 105], а также штамп, предложенный О.А. Савиновым [106,34].
Жесткостные и демпфирующие характеристики грунтового основания определяют по результатам испытаний опытного фундамента (виброштампа) при возбуждении специальным вибратором вынужденных колебаний его с различной частотой и регистрацией соответствующих значений амплитуды. Динамические свойства оснований фундаментов под машины с импульсными нагрузками определяют по записям свободных колебаний опытного фундамента возбуждаемых ударов. Параметры колебаний опытных фундаментов при динамических испытаниях грунтов измеряют виброизмерительной аппаратурой, описанной ранее. Методика проведения испытаний и обработки полученных опытных данных при определении упругих и демпфирующих характеристик естественного основания по результатам экспериментов изложена в Руководстве по проектированию фундаментов машин с динамическими нагрузками [101]. Если основание представлено сравнительно однородными грунтами, то динамические испытания их с помощью опытных штампов допускается производить за пределами реконструируемого цеха.
В случае невозможности проведения динамических испытаний грунтов их упругие и демпфирующие характеристики определяют расчетом в соответствии с рекомендациями СНиП 11-19-79. При этом для вычисления основной упругой характеристики основания Cz в качестве исходной величины используют значение модуля деформации грунта Е, установленное экспериментальным путем (см. гл. 2).
Недопустимые осадки фундаментов под влиянием динамического нагружения от машин наблюдаются довольно редко. Однако выявление возможности возникновения таких осадок при реконструкции или усилении фундаментов под машины является в отдельных случаях необходимым. Иногда динамические осадки могут вызвать недопустимые деформации и даже разрушение несущих и особенно ограждающих конструкций цехов, в которых расположены фундаменты машйн [7, 102, 103, 107], а также привести к ухудшению работу технологического оборудования, поскольку для них характерна неравномерность.
Возможность проявления дополнительных динамических осадок в рыхлых и средней плотности песчаных грунтах определяется их влажностью и составом. Так, в неводонасыщенных Десках дополнительная динамическая осадка возможна, когда природная степень плотности песка D меньше максимальной степени плотности его Vo для данного сложения. В водонасыщенных песках такие осадки могут проявляться, если ускорение колебаний основания /V превосходит критическое значение
В глинистых грунтах дополнительные динамические осадки в большинстве случаев не проявляются. Это связано с тем, что фундаменты под машины имеют значительные размеры подошвы при среднем статическом давлении рСр на основание, составляющем 0,2-0,5 и реже 0,6—0,8 величины расчетного давления R. Однако в случае когда рСр близко к R, в пластичных глинистых грунтах даже небольшая динамическая нагрузка может вызвать значительные незатухающие осадки. Возможность проявления такой осадки выявляется по рекомендациям О.А. Савинова [103, с. 59— 76]. Практически возникновения дополнительных динамических осадок следует опасаться лишь для фундаментов ударных машин и фундаментов под наиболее неуравновешенные высокочастотные машины.
При реконструкции фундамента под машину, особенно при увеличении динамической нагрузки, следует учитывать влияние распростра-167
няющихся от этого фундамента вибраций на фундаменты зданий. Оценка возможности возникновения динамических осадок и их характера может быть произведена по рекомендациям О.А. Савинова [103, с. 77-79].
8.2. Увеличение массы и жесткости фундаментов при их усилении
Основной причиной переустройства фундаментов под машины с динамическими нагрузками является их повышенная вибрация. Поэтому применяемые способы усилений фундаментов машин и их оснований во многом аналогичны способам, используемым для снижения уровня колебаний [102, 103, 108 и др.]. Эти способы являются в основном конструктивными и включают в себя: увеличение массы фундамента или отдельных частей его; повышение жесткости фундамента, отдельных элементов его, а также грунтового основания; увеличение общей жесткости системы машина — фундамент вследствие более надежного крепления машины к фундаменту. Повышенные вибрации фундаментов приводят не только к нарушению нормальной работы машин, но и к разрушению самих фундаментов в результате образования в них трещин и даже расчленения их на отдельные конгломераты.
Следует отметить, что увеличение массы фундамента существенно влияет на уменьшение амплитуды его колебаний лишь тогда, когда дополнительная масса составляет 50—80 % основной. Особенно малоэффективно увеличение только массы фундамента (без увеличения площади подошвы его) для низкочастотных машин, поскольку при увеличении массы фундамента частота его собственных колебаний снижается и приближается к частоте вынужденных колебаний, что вызывает опасность возникновения резонанса. Более эффективным для фундаментов низкочастотных машин является повышение жесткости основания путем увеличения площади подошвы фундамента с одновременным увеличением его массы, так как при этом повышается частота собственных колебаний фундамента, удаляясь от рабочей частоты колебаний машины. Для фундаментов высокочастотных машин увеличение массы фундамента без изменения площади подошвы его может оказаться целесообразным для снижения уровня вибраций фундамента и прекращения деформаций, вызванных повышенными колебаниями.
Наиболее действенным способом восстановления целостности разрушенных фундаментов машин, а также увеличения жесткости основания фундамента путем уширения его подошвы с одновременным увеличением его массы является устройство жестких обойм (бандажей, поясов, рубашек), охватывающих либо весь фундамент, либо отдельные его части. При этом обеспечивается не только увеличение сечения фундамента и передача нагрузок на новую часть его, но и соединение деформированного фундамента в единое целое.
В случае применения железобетонных обойм, наиболее широко используемых при усилении, по периметру обоймы вследствие усадки бетона при твердении происходит обжатие поврежденных частей фундамента, что способствует надежному соединению бетона фундамента и бетона усиления в единую конструкцию [109]. Следует, однако, иметь в виду, что обжатие достигается только тогда, когда твердение всего бетона обоймы происходит одновременно. Поэтому вертикальные рабочие швы бетонирования по периметру обоймы должны быть исключены. Допускается устройство только горизонтальных швов бетонирования по высоте обоймы. Для ускорения твердения бетона обоймы необходимо применять
168
быстротвердеющие цементы и пуццолановый портландцемент, а также вводить в состав бетона пластифицирующие добавки и ускорители твердения. Наряду с этим при устройстве железобетонной обоймы следует предусматривать мероприятия, направленные против образования усадочных трещин. Армирование обойм рекомендуется выполнять [109] рабочими стержнями диаметром 12—20 мм из стали класса А-11, расположенными через 150—200 мм, а также хомутами по общим правилам [99], но из арматуры периодического профиля. Порядок и технология работ по устройству железобетонных устройств для фундаментов под машины аналогичны описанным ранее для фундаментов под статические нагрузки.
В тех случаях, когда фундамент имеет трещины в направлении, перпендикулярном линии действия динамической силы (например, вертикальные трещины при горизонтальной динамической нагрузке), возможно применение металлической обоймы, состоящей из упорных рам и стягивающих их стержней. При этом фундаменты должны иметь простую конфигурацию в плане. Натяжением стержней создают усилия, превышающие те, которые вызывают раскрытие трещин [109].
Иногда целостность фундамента может быть восстановлена надежной заделкой трещин путем инъецирования цементного раствора или синтетических смол. Это мероприятие может осуществляться самостоятельно или в комплексе с устройством обойм. Применение обойм целесообразно не только при восстановлении целостности фундамента и повышении общей жесткости его, но и при необходимости увеличить массу переформированного фундамента для снижения уровня его вибраций.
При усилении и реконструкции фундаментов под машины с динамическими нагрузками эффективным средством снижения вибраций, а следовательно, и прекращения деформаций, вызванных повышенными колебаниями таких фундаментов, является увеличение жесткости грунтового основания путем осушения (дренажа) или закрепления грунтов. Особенно целесообразно применение таких способов повышения жесткости основания для фундаментов низкочастотных машин, когда частота собственных колебаний фундамента на упрочненном грунте выше рабочей частоты машины (зто характерно, например, для поршневых компрессоров, лесопильных рам, дымососов и пр.). В этом случае укрепление грунта основания, приводящее, как правило, к увеличению собственной частоты колебаний фундамента, способствует уменьшению амплитуды его колебаний.
Положение зон закрепленного грунта под фундаментом и их размеры зависят от характера и форм колебаний фундамента. При вертикальных колебаниях закрепление грунтов основания рекомендуется выполнять под всей подошвой фундамента с превышением границ ее в плане на 0,5— 1 м по всем направлениям. При вращательных колебаниях можно ограничиваться укреплением грунта основания по периметру подошвы фундамента полосами шириной не менее 2 м. В обоих случаях закрепление грунта следует производить на глубину не менее 1,5—2 м от подошвы фундамента [108].
В некоторых случаях при длительной эксплуатации фундаментов под машины с динамическими нагрузками под их подошвой, чаще по ее периметру, образуются слой разрыхленного грунта и пустоты. В таких случаях усиление основания фундаментов целесообразно осуществлять путем инъецирования цемента, жидкого стекла или карбамидной смолы, соблюдая технологию производства работ, принятую при укреплении
169
оснований под фундаментами, воспринимающими только статические нагрузки (см. п.3.2).
Эффективным способом увеличения жесткости основания фундаментов под машины, способствующим уменьшению как вертикальных, так и горизонтально-вращательных колебаний системы машина — фундамент, является пересадка фундамента на выносные забивные или набивные сваи (см. пп. 5.4, 4.5 и 5.3). При зтом для фундаментов, воспринимающих динамические нагрузки, кроме призматических или обычных свай целесообразно применять сваи с одним или несколькими уширениями ствола [7]. Для фундаментов, находящихся под воздействием горизонтальных динамических нагрузок, рекомендуется применять сваи с уширением в верхней части ствола; для фундаментов, загруженных преимущественно вертикальной динамической силой, — сваи с уширением по острию. При реконструкции фундаментов под машины могут также использоваться трапецеидальные, тавровые и пирамидальные сваи, Цриме-нение которых способствует снижению вертикальных колебаний фундаментов в широком диапазоне частот, соответствующем рабочим частотам машин с динамическими нагрузками. Эти же сваи эффективны для гашения горизонтальных колебаний при частоте динамических нагрузок 30—50 Гц. Трапецеидальные сваи, кроме того, целесообразно использо-; вать для усиления фундаментов под машины при частоте их горизонтальных колебаний 10—30 Гц [7].
При горизонтальных динамических воздействиях, когда обычных вертикальных свай недостаточно для получения допускаемой амплитуды колебаний реконструируемого фундамента, в качестве дополнительной меры для снижения уровня вибраций фундамента применять можно наклонные сваи, располагаемые по периметру свайного фундамента в направлении действия горизонтальной динамической силы по^ углом 12—180 к вертикали в зависимости от имеющегося сваебойного оборудования.
Усиление фундаментов под машины с динамическими нагрузками выполняется по проекту, в основу которого положен динамический расчет фундамента. Этот расчет в соответствии с работой [99] для данного типа машины производят с учетом фактических динамических нагрузок, действующих на фундамент, и экспериментально определенных значений упругих и демпфирующих характеристик грунтового основания.
Высказанные общие соображения по усилению фундаментов машин путем увеличения их массы или жесткости, а также жесткости грунтово-. го основания, проиллюстрируем конкретными примерами из практики.
Основными причинами деформаций фундаментов под стержневые и шаровые мельницы на горнообогатительных комбинатах (ГОК), вызывавшими необходимость их усиления, в большинстве случаев являлись недо^ статочная масса фундаментов или отдельных их частей, недостаточная жесткость элементов фундамента в горизонтальном направлении, а также некачественное выполнение строительных работ при возведении фунда-. мента.
При пробном пуске стержневой мельницы МСЦ 32x45, установленной в главном корпусе обогатительной фабрики ГОКа на Урале выявилис^ значительные колебания ее фундамента. Массивный стенчатый фунда мент мельницы (рис. 8.4) выполнен монолитным железобетонным » состоит из нижней плиты и трех пилонов под подшипники мельницы i электродвигатель. Подошва нижней плиты фундамента находится на от метке минус 8,6 м, отметка верха пилонов на отметке 5,9 м. Основаниеь 170
Рис. 8.4. Схема фундамента стержневой мельницы
1 — опора электродвигателя; 2-3 — опоры подшипников мельницы соответственно у разгрузочного и загрузочного устройства; цифры в кружках — номера точек измерений
Рис. 8.5. Схема усиления фундамента под стержневую мельницу массивной обоймой
1 - фундамент до усиления; 2 -обойма усиления
фундамента являлись лессовидные непросадочные суглинки твердой консистенции с модулем деформации 13 МПа. Расчетное давление под подошвой фундамента принято при проектировании равным 0,18 МПа.
Для того чтобы установить, представляют ли колебания фундамента мельницы, наблюдавшиеся при ее опробовании, опасность для работы машины и фундамента, были проведены измерения колебаний в точках, указанных на рис. 8.4. Результаты измерений (табл. 8.1) выявили наличие повышенных вибраций опорных пилонов под коренные подшипники мельницы и электродвигатель. Амплитуды колебаний опор в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси барабана мельницы, превосходили допускаемые по СНиП [99] значения в 3,5—8 раз. Это нарушало нормальную работу мельницы, оказывало вредное воздействие на обслуживающий персонал и могло привести к разрушению фундамента.
Экспериментально определенная частота свободных колебаний фундамента составляет 6,6 Гц, а частота возмущающей силы — 6,2 Гц. Такое близкое совпадение свободных и вынужденных частот привело к возникновению биений и значительному росту амплитуд колебаний фундамента, что и явилось причиной повышенных вибраций.
Усиление фундамента, выполненное по проекту Уральского Промстрой-НИИпроекта, заключалось в увеличении площади его подошвы и усилении пилонов железобетонной обоймой (рис. 8.5). При этом расход железобетона на фундамент потребовалось увеличить в 2,5 раза. Колебания усилен-
171
Т аблица8.1. Амплитуды колебаний фундамента стержневой мельницы
Течки измерений Направление колебаний Амплитуда колебаний фундамента, мм до усиле-1 после усилия I пения
1 Горизонтальные, перпендикулярно осн барабана 1,352 0,232
мельницы
Горизонтальные, параллельно осн барабана мельницы 0,154 0,084
2 Горизонтальные, перпендикулярно оси барабана 2,421 0,253
мельницы
Горизонтальные, параллельно оси барабана мельницы 0,163 0,096
Вертикальные 0,112 0,051
3 Горизонтальные, перпендикулярно, оси барабана 1,051 0,103
мельницы
Горизонтальные, параллельно оси барабана мельницы 0,136 0,030
кого фундамента, как следует из табл. 8.1, существенно уменьшились и не превышали допускаемого значения. Следует отметить, что значительное уширение площади подошвы фундамента вследствие устройства обоймы способствовало повышению жесткости основания, что также положительно сказалось на уменьшении колебаний.
Интересным является случай усиления фундамента шаровой мельницы МШЦ 32x45. Конструкция массивного стенчатого железобетонного фундамента аналогична приведенной на рис. 8.4. Опоры коренных подшипников и электродвигателя выполнены в виде пилонов, заделанных в нижнюю плиту. Отметка подошвы фундамента — минус 6 м, верха пилонов — плюс 3,3 м. Основанием являлись суглинки с расчетным давлением 0,25 МПа. Фундамент испытывал значительную вибрацию, амплитуды колебаний верхнего обреза опор в горизонтальном и вертикальном направлениях составляли 0,5-0,6 мм, превышая допустимые. Опоры под коренные подшипники мельницы имели трещины с шириной раскрытия до 3 мм, при этом существенно была нарушена целостность верхней части опоры и загрузочного устройства.
Динамический расчет фундамента показал недостаточную массу его для гашения колебаний при действующих динамических нагрузках. Измерение колебаний выявило криволинейный характер зпюр динамических перемещений опор по высоте, что указывало на их недостаточную жесткость в горизонтальном направлении. Для увеличения массы фундамента и повышения жесткости опорных пилонов были выполнены железобетонные обоймы по их периметру на всю высоту толщиной 300 мм; верхние части опор вместе с обоймами были дополнительно связаны горизонтальной железобетонной плитой толщиной 500 мм. После усиления фундамента, ставшего коробчатой конструкцией, амплитуда колебаний верхнего обреза его уменьшилась в 2 раза, при этом образования трешин не отмечалось.
Рассмотрим еще случай усиления массивного монолитного фундамента бесподвального типа под шаровую мельницу MUIP 32x31 на одной из дробильно-обогатительных фабрик на Урале. Основанием фундамента по проекту должны были служить элювиальные суглинки твердой консистенции. Однако при производстве работ под частью фундамента был допущен значительный перебор грунта (на 1,5—2 м ниже отметки подошвы
172
фундамента). Этот дефект производства работ был устранен насыпкой мелкозернистого песка с послойным уплотнением.
Спустя несколько лет после начала эксплуатации мельницы появились большие колебания ее фундамента с амплитудами, значительно превышающими допустимые. Эти колебания, мешая нормальной эксплуатации мельницы, вызвали, кроме того, недопустимые вибрации несущих и ограждающих конструкций здания фабрики, а также повышение общего вибрационного фона промышленного участка, оказывая вредное воздействие на обслуживающий персонал. Обследование фундамента мельницы показало, что произошло оседание грунта под одним из его торцов, захватившее более четверти площади подошвы фундамента. Одновременно было установлено, что за время эксплуатации произошел подъем уровня грунтовых вод, которые в момент обследования фундамента находились на уровне его подошвы. Сопоставление плотности песчаного грунта подсыпки В его максимальной структурной плотностью T)Q позволило считать, что оседание песчаного грунта под фундаментом мельницы вызвано дополнительным уплотнением водонасыщенного песка под воздействием вибраций фундамента.
Усиление фундамента было выполнено путем устройства по его периметру железобетонной обоймы, опирающейся на буронабивные сваи диаметром 500 мм и длиной 3 м, которые передавали нагрузку от фундамента на элювиальный грунт ненарушенной структуры. Амплитуды колебаний усиленного фундамента и вибрации строительных конструкций здания уменьшились до допускаемых нормативными документами пределов.
При значительных деформациях фундаментов большого размера и сложной конфигурации, таких, например, как фундаменты дробильного оборудования при каскадной технологической схеме или фундаменты подвального типа под мощные машины с вращающимися частями, применять для восстановления их целостности только обойму недостаточно. Здесь требуется осуществлять комплекс восстановительных мероприятий.
Рассмотрим случай усиления железобетонного монолитного фундамента подвального типа под центрифугу, когда потребовалось обеспечить увеличение общей массы фундамента, жесткости его основания и восстановление целостности отдельных его частей. В основном технологическом цехе медеэлектролитного завода на Урале были установлены три центрифуги типа АГ-1800. Монолитные железобетонные фундаменты под центрифуги имели следующую конструкцию: в сплошную нижнюю плиту заделаны три колонны и П-образная в плане стенка, на которые опиралась верхняя плита, служившая основанием для центрифуги (рис. 8.6). Все три фундамента при работе центрифуг испытывали значительные вибрации. Амплитуды горизонтальных колебаний верхнего обреза каждого фундамента находились в пределах 0,55—0,67 мм, значительно превышая допустимое значение, равное 0,15 мм. Работу одной из центрифуг пришлось прекратить вследствие разрушения железобетонной опоры под коренной подшипник. У фундамента под другую центрифугу имелись трещины на стыке колонны с верхней плитой.
Динамический расчет фундамента под центрифугу показал, что вследствие неверно принятой при проектировании динамической нагрузки, передаваемой машиной на фундамент, масса последнего недостаточна для гашения колебаний, возникающих при работе центрифуги и вызывающих деформации ее фундамента. Для предотвращения развития дальнейших деформаций было выполнено усиление фундаментов в соответствии со схемой, представленной на рис. 8.6. По периметру нижней плиты
173
7-291
Рис. 8.6. Схема усиления фундамента под центрифугу
1,3 — конструкция фундамента до усиления; 2, 4 - то же, после усиления
устроена железобетонная обойма, что позволило несколько повысить жесткость основания фундамента вследствие уширения его подошвы. Увеличение массы фундамента и восстановление целостности разрушенных элементов было осуществлено путем бетонирования вертикальных конструкций фундамента (стен и колонн), а также устройства железобетонной рубашки по периметру железобетонной опоры под коренной подшипник на всю высоту ее. Максимальная амплитуда верхнего обреза усиленных фундаментов составила 0,114 мм; деформаций фундаментов за период наблюдений обнаружено не было.
Иначе осуществлено усиление [109] массивного фундамента высотой 17,6 м под две конусные дробилки каскадного расположения. Вследствие некачественного выполнения работ по устройству фундамента и несоблюдения проектной прочности бетона в процессе эксплуатации в теле фундамента образовалось шесть рядов горизонтальных трещин по швам бетонирования. Повышение прочности бетона тела фундамента произведено путем нагнетания под давлением до 2,5 МПа цементного раствора из глиноземистого цемента марки М 600 на глубину до 500 мм через инъекционные трубки, расположенные по периметру усиливаемых стен в специально пробуренных скважинах. Для обеспечения целостности фундамента по периметру деформированного участка на всю его высоту выполнена железобетонная обойма с армированием двумя рядами сеток из арматуры класса А-Н диаметром 20 мм с шагом 200 мм. Крепление обоймы к фундаменту осуществлялось приваркой ее арматуры к инъекционным трубкам. Выполненное через год после реконструкции инструментальное обследование показало, что фундамент работает как монолитная конструкция без деформаций.
Наиболее часто недопустимые деформации, включая повышенные колебания, частичное и даже полное разрушение встречаются у фундаментов под низкочастотные машины с кривошипно-шатунными механизмами. В первую очередь это относится к фундаментам под поршневыр компрессоры и лесопильные рамы. Нередко усиление и реконструкцию таких
174
Рис. 8.7. Схема усиления металлическим бандажом фундамента компрессора
а — план; б - узел затяжки; 1 — фундамент; 2 — трещина; 3 — натяжные стержни; 4 — упорная рама; 5 — фиксирующая гайка;
6 — контрольная гайка; 7 - соединение натяжных стержней с нарезной частью
фундаментов требуется производить даже в тех случаях, когда сами фундаменты не имеют значительных разрушений, но повышенные вибрации их вызывают деформации несущих и особенно ограждающих конструкций зданий, где размещены эти машины.
Для усиления фундаментов компрессоров, кроме широко применяемых железобетонных, а иногда и металлических обойм, большое распространение получили способы, связанные с применением синтетических материалов для так называемого ’’склеивания” фундаментов, получивших значительные деформации. Иногда для уменьшения колебаний фундаментов под компрессоры несколько фундаментов одного ряда объединяют общей обоймой, расположенной на уровне их подошвы.
В процессе эксплуатации железобетонного фундамента под горизонтальный компрессор марки 2 ШЛК-1420 произошел откол по вертикали частей фундамента под поршневыми рядами от основного массива (рис. 8.7). Для усиления фундамента восстановления его целостности и обеспечения работы всего фундамента как жесткой конструкции - был устроен металлический бандаж [109]. Упорные рамы бандажа, выполненные из двух швеллеров № 30, усиленных накладками и ребрами жесткости, стягивали восемью предварительно напряженными стержнями диаметром 44 мм из стали класса A-II, к концам которых приваривали нарезные части из высокопрочной стали. На случай разрыва стержней между накладками устанавливали контрольные гайки. Затяжку производили домкратами.
На одном из предприятий Восточной Сибири в цехе компрессии на отдельных фундаментах установлено семь горизонтальных компрессоров типа 1Г-266/320 [110]. Фундаменты компрессоров железобетонные монолитные стенчатые подвального типа. Объем железобетона в одном фундаменте составляет 800 м3. При таком объеме укладку бетона в тело фундамента невозможно обеспечить без швов бетонирования, которые, как видно из конструктивной схемы фундамента (рис. 8.8), неизбежны прежде всего в местах сопряжения нижней и верхней плит фундамента со стенами.
175
a) _______________11‘OQ_____________
Рис. 8.8. Схема усиления фундамента под горизонтальный компрессор путем ’’склеивания”
а - план и разрезы фундаментов с указанием расположения трещин и отверстий для шпонок; б - схема усиливающей шпонки; 1 - верхняя плита (стол); 2 — стена; 3 — нижняя плита; 4 - трещина; 5, 6 - горизонтальные и наклонные отверстия для шпонок
Наличие швов бетонирования послужило основной причиной появления трещин в стенах фундамента, особенно в сечениях, ослабленных отверстиями. Первые трещины в верхней плите (столе) и поперечных торцовых стенах, имевшие вертикальное направление, появились через 10 лет после начала эксплуатации фундамента. После 18—20 лет эксплуатации по периметру стен раскрылись трещины и в горизонтальных швах продольной и поперечной стен под верхней плитой. В результате верхняя плита практически отделилась от остальной фундаментной конструкции. Амплитуда колебаний стола достигала 1,5 мм.
Усиление фундамента заключалось в склеивании развалившихся частей фундамента эпоксидным клеем, состав которого приведен в работе [ПО]. По оси трещин с обеих сторон стен в шахматном порядке с шагом 300— 600 мм высверливали отверстия диаметром 40 мм на глубину 500 мм. В эти отверстия подавали эпоксидный клей густой консистенции и забивали металлические шпонки переменного сечения по длине с выступами (см. рис. 8.8, б), что обеспечивало лучшее сцепление их с клеем. В тех местах, где трещина проходила в пределах стола, шпонки устанавливали наклонно, пересекая трещину под углом до 30°. Вся работа по усилению фундамента была выполнена в течение 2 сут бригадой из шести рабочих. Стоимость работ и материалов не превысила 1000 руб. После усиления фундамента относительные перемещения его снизились до 0,10-0,12 мм.
176
Рис. 8.9. Схема усиления железобетонной обоймой фундамента вертикального компрессора а — нижней плиты; б - стены надземной части; 1 — нижняя плита;
2 - обойма; 3 - стена; 4 - рубашка; 5 — трещины
Для восстановления монолитности железобетонного стенчатого фундамента под горизонтальный газовый компрессор марки 1Г-266/320 НИИ оснований и подземных сооружений совместно с институтом Гидроспец-строй [44] было предложено использование синтетических смол. Фундамент высотой 4,7 м имел две продольные и три поперечные стены, заделанные понизу в фундаментную плиту, а поверху объединенные мощной горизонтальной рамой. Под влиянием динамического воздействия от работы компрессора в фундаментных стенах на расстоянии 2,2 м от основания образовалась сквозная горизонтальная трещина по всему сечению, разделив фундамент на два блока.
Технология заделки трещины включала подготовительную инъекционную операции. Подготовительная операция заключалась в разделке трещины на глубину 60-70 мм с уширением к основанию и просверливанием отверстий с шагом 500—600 мм с внешней и внутренней сторон стен фундамента, в которые вставляли металлические патрубки диаметром 20 мм. Затем производили тампонирование трещины и входного отверстия патрубка цементной смесью, после чего через патрубки продували горячий воздух и выполняли инъецирование этилового спирта или ацетона для удаления влаги и обезжиривания. Основная операция состояла в инъецировании через патрубки растйора из смеси синтетических смол под давлением 0,8-1,2 МПа порции по 25 -30 л. О радиусе распространения раствора можно было судить по выходу его в соседние скважины. После усиления фундамента при эксплуатации его в течение года наблюдений возникновения новых трещин не происходило.
Рассмотрим способы усиления массивных железобетонных фундаментов под вертикальные компрессоры. На одном из химических заводов в железобетонном фундаменте вертикального компрессора появились сквозные вертикальные трещины в нижней плите и в одной из стен надземной части, в результате чего целостность фундаментной конструкции была нарушена. Для усиления фундамента [109] были выполнены железобетонная обойма шириной 0,6 м по периметру нижней плиты фундамента на всю ее толщину, равную 1,2 м, и железобетонная рубашка шириной 0,4 м и высотой 4,6 м, охватившая стену надземной части по всей высоте (рис. 8.9). Все армирование осуществлялось стержнями из стали класса А-П с шагом 250 мм. Обойму плиты армировали стержнями диаметром 20 мм, расположенными по контуру ее поперечного сечения, и поперечными хомутами диаметром 10 мм; рубашку — вертикальными стерж-
177
Рис. 8.10. Схема объединения обоймой фундаментов двух вертикальных компрессоров
1 - компрессор; 2 — фундамент; 3 — железобетонная обойма
нями и замкнутыми двойными хомутами диаметром 16 мм, расположенными по внутренней и наружной сторонам рубашки. Для бетонирования конструкций усиления использовали бетон марки М 300.
Для уменьшения недопустимых колебаний двух расположенных в ряд массивных монолитных железобетонных фундаментов под вертикальные компрессоры была увеличена жесткость их основания путем уширения подошвы фундаментов. С этой целью был выполнен общий железобетонный бандаж, охвативший оба фундамента на уровне их подошвы (рис. 8.10). Это привело к снижению вибраций фундаментов в горизонтальном направлении в 4,5 раза. Размеры бандажа были определены по расчету на основе предварительно замеренных фактических значений параметров колебаний фундаментов. Армирование осуществлено аналогично описанному выше.
Для усиления фундаментов лесопильных рам наиболее часто используются железобетонные пояса-обоймы высотой 0,7—0,8 м и шириной 1 — 1,25 м, которые жестко присоединяются к фундаменту на уровне подошвы и охватывают его со всех сторон. Это позволяет повысить жесткость основания вследствие увеличения размеров подошвы усиливаемого фундамента без существенного увеличения его массы. Такое усиление приводит к значительному уменьшению вибраций фундаментов во всех плоскостях и особенно эффективно для гашения горизонтальных и вращательных колебаний [108].
Когда площадь уширенной подошвы реконструируемого фундамента достигает размеров, при которых подошвы фундаментов соседних лесорам в плане взаимно перекрываются, целесообразно фундаменты одного ряда машин или даже цеха объединять общей железобетонной плитой.
Если толщина плиты объединенного фундамента не превышает 0,2 расстояния между осями лесопильных рам, то при расчете фундамента на колебания рекомендуется общую плиту условно разбить на участки, приходящиеся на отдельные лесорамы, и определять параметры колебаний по формулам СНиП 11-19-79, считая, что каждый фундамент является отдельно стоящим. Если толщина плиты объединенного фундамента составляет 0,2 и более расстояния между осями лесорам, то фундамент при расчете на колебания следует рассматривать как абсолютно жесткий массив и рассчитывать последовательно от воздействия каждой лесопильной рамы в отдельности, полагая, что центры тяжести установки (фундамент и машины) и площади подошвы фундамента лежат на одной вертикали. При этом в расчет принимаются только вертикальные силы инерции лесорам, так как в этом случае основным источником колебаний массива является момент от вертикальных сил инерции, поскольку оси лесопильных рам не совпадают с осью, проходящей через центр тяжести массива и его подошвы. При объединении фундаментов только одного ряда лесопильных
178
рам при расчете колебаний объединенного массива следует учитывать также горизонтальные силы инерции и моменты сил инерции лесорам. Амплитуда колебаний объединенного фундамента определяется в соответствии со СНиП II-19-79 для случаев групповой установки машин на общем фундаменте.
При проектировании усиления фундаментов лесопильных рам путем их объединения толщину плиты объединенного фундамента рекомендуется принимать равной 0,15— 0,35 расстояния между осями лесопильных рам; размер плиты от оси крайней лесорамы до внешнего края фундамента должен быть не менее половины расстояния между осями лесорам; для увеличения жесткости объединяемые фундаменты целесообразно связывать не только железобетонной обоймой на уровне подошвы, но и балками в верхней части (рис.8.11).
Подобным образом по рекомендации Уральского лесотехнического института (А.А. Санников) были усилены фундаменты двух
Рис. 8.11. Схемы объединения фундаментов лесопильных рам
1 - фундаменты до объединения; 2 -плита общего фундамента; 3 - железобетонная балка
расположенных в ряд лесопильных рам в лесопильном цехе Онежского лесодеревообрабатывающего комбината (ЛДК). Грунты основания обладали малой жесткостью с расчетным сопротивлением 0,1—0,15 МПа. Оба фундамента испытывали колебания, превышавшие допустимые, и вызывали вибрации конструкций здания. В результате объединения обоих фундаментов общей железобетонной плитой площадь подошвы их увеличилась в 1,9 раза, масса в 1,5, что привело к снижению амплитуд колебаний в 1,6 раза.
На другом деревообрабатывающем комбинате по рекомендации НИИ оснований и подземных сооружений железобетонной плитой на уровне подошвы были объединены три фундамента пилорам, не расположенных в ряд. Основание фундаментов сложено мелкозернистыми песками средней плотности с линзами супеси в пластичном состоянии.Расчетное сопротивление грунтов в среднем составляло 0,2 МПа.На фундаментах были установлены три лесопильные рамы РД75-6, при работе которых вследствие распространения упругих волн от их фундаментов строительные конструкции здания цеха и расположенных вблизи домов испытывали вибрации. Измерение вибраций всех трех фундаментов выявило, что их колебания, происходящие с частотой 5,5 Гц, соответствующей рабочей частоте машин, имеют характер биений. Наибольшие амплитуды колебаний наблюдались в вертикальном направлении: составляли 0,3 мм. — при работе каждой пилорамы отдельно и 0,38 мм — при работе всех трех машин одновременно, превышая допускаемые значения почти в 2 раза. Кроме того,
179
Рис. 8.12. Схема усиления фундамента дымососа
а — расположение трещин на верхнем строении фундамента; б - форма колебаний верхнего обреза фундамента (амплитуда, мкм) ; в. — схема фундамента, усиленного поясом-обоймой; 1 - анкерные болты; 2 - трещины; 3 - контур фундамента (пунктир) до усиления; 4 - обойма (заштрихованная часть); 5 - арматурный каркас усиления; 6 — арматура фундамента; 7 - арматурные связи
было установлено, что собственная частота колебаний фундамента лесопильной рамы в вертикальном направлении составляла 12 Гц, т.е. колебания фундаментов являлись дорезонансными. Объединение всех трех фундаментов общей железобетонной плитой привело к снижению уровня вибраций их в 2,5 раза. Частота собственных колебаний объединенного массива также повысилась из-за увеличения в 2,8 раза площади подошвы, что способствовало значительному улучшению общего вибрационного фона цеха.
Однако простое объединение фундаментов лесопильных рам общей плитой без значительного увеличения площади подошвы может не обеспечить требуемого снижения вибраций. Известны случаи [108], когда устройство общей железобетонной плиты у нескольких фундаментов не уменьшило их колебаний. Целесообразность объединения нескольких фундаментов под лесопильные рамы общей плитой в каждом случае должна обосновываться динамическим расчетом.
Иногда необходимо усиливать фундаменты машин с номинально уравновешенными вращающимися частями. Повышенные вибрации и разрушения таких фундаментов, как правило, вызваны либо недостаточной жесткостью крепления машины к фундаменту либо малой жесткостью отдельных конструктивных элементов фундамента.
В процессе эксплуатации центробежных дымососов в рециркуляции газов марки ГД-26х2 к турбоагрегатам мощностью 800 тыс. кВт возникли повышенные вибрации подшипников дымососов и подшипников их двигателей. В результате произошли поломки подшипников. Кроме того, в теле фундаментов дымососов появились вертикальные трещины с шириной раскрытия 0,3—2 мм, которые проходили от верхнего обреза фундамента до дневной поверхности и располагались в местах крепления машины к фундаменту (рис. 8.12, а). Железобетонные массивные фундаменты дымососов выполнены в виде единого монолитного блока с необходимыми уступами и выемками. Верхняя часть фундаментов значительно ослаблена колодцами анкерных болтов, при этом расстояние от грани колодцев до края фундаментов в местах крепления подшипников и дымососов было менее требуемого [99].
Результаты измерений и полученные формы колебаний (рис. 8.12, б) обследованных фундаментов дымососов показали, что верхняя часть фундаментов не является единым массивом, а разделена на отдельные
180
Рис. 8.13. Схема усиления подшабот-ной части бойного копра
1 - шабот; 2 - набетонка; 3 - трещины; 4 - анкерные стержни
конгломераты сквозными трещинами. Амплитуды горизонтальных колебаний верхнего обреза фундамента достигали 0,07 мм, а рамы и подшипника дымососа — 0,25 мм, что указывало на отсутствие жесткой связи между машиной и фундаментом. Причинами этого являлись уменьшение жесткости крепления анкерных болтов в теле фундамента из-за наличия трещин и нарушения целостности верхнего строения его, а также ослабление затяжки анкерных болтов вследствие накопления пластических деформаций в болтах при совместном действии динамических нагрузок и высоких температур, возникавших из-за недостаточной теплоизоляции машины. Последнее способствовало также возникновению дополнительных температурных деформаций в верхней части фундамента [100].
Состояние фундаментов требовало незамедлительного усиления, которое было выполнено следующим образом. Верхнее строение, ослабленное выемками и трещинами, на всю высоту было усилено железобетонным поясом-обоймой толщиной 0,5 м (рис. 8,12, в, г), что обеспечивало необходимую по расчету жесткость фундамента, а также надежную связь между машиной и фундаментом вследствие увеличения жесткости верхней части фундамента в местах крепления анкерных болтов. Имеющиеся трещины были зацементированы раствором из расширяюще-
гося цемента, а в местах установки анкерного болта заполнены эпоксидной смолой. Для обеспечения надежной Затяжки гаек крепления в узел затяжки анкерных болтов был введен упругий элемент. Одновременно было рекомендовано усилить теплоизоляцию, обеспечить зазор между ее поверхностью и эле'ментами фундамента не менее, чем в 100 мм. Каркас обоймы (сталь класса А-П, диаметром 12 и 8 мм, с шагом 200 мм соединялся с арматурой фундамента на сварке с помощью отдельных стержней на уровне сеток фундамента. Бетонирование обоймы осуществлено бетоном марки М 300.
В работе [7] рассмотрены случаи усиления отдельных конструктивных элементов рамных сборно-монолитных фундаментов турбоагрегатов путем повышения жесткости этих элементов, работающих в области частот, близкой к резонансной. Повышение достигалось увеличением толщины бетонных сечений элементов (с добавлением арматуры по расчету), а также введением дополнительных металлических связей.
Усиление фундаментов машин ударного действия большей частью осуществляется при реконструкции в связи с установкой на фундаментах более мощного оборудования или при значительных колебаниях зданий. Случаи усиления таких фундаментов, вызванные ошибками при их проектировании или возведении, описаны в работах [102, 7, 111 и др.].
181
Усиление фундаментов машин ударного действия (типа кузнечных и штамповых молотов, бойных копров), в основном ограничивается переустройство шаботной части. В качестве примера (данные М.И. Забылина) рассмотрим усиление фундамента бойного копра, подшаботная часть которого (рис. 8.13) в верхней части была разрушена при эксплуатации на отдельные конгломераторы, а арматурные сетки оказались порванными. Перед усилением конгломераторы частично удалили. В пробуренные вертикальные скважины диаметром 40 мм на эпоксидном клее установлены арматурные стержни диаметром 36 мм класса А-П на глубину около 1 м. К этим стержням была приведена арматурная сетка набетонки, выполненной из бетона марки М 300 на высоту удаленной части разрушенного бетона.
8.3. Регулирование параметров колебаний при реконструкции фундаментов под машины
В отдельных случаях для уменьшения колебаний фундаментов машин или снижения уровня вибраций строительных конструкций зданий переустройство фундамента целесообразно выполнять с применением специальных мероприятий, направленных на изменение параметров его колебаний. Наряду с необходимостью уменьшения амплитуды колебаний часто возникает потребность отстройки частоты собственных колебаний фундамента от рабочей частоты колебаний машины или от частоты колебаний строительных конструкций.
Наибольшее применение для указанных целей получил способ, предложенный Н.П. Павлюком и АД. Кондиным, заключающийся в том, что к фундаменту присоединяется бетонная или железобетонная плита, расположенная на верхнем слое грунта [103]. При этом присоединенная плита может быть очень жесткой и конечной жесткости, а сочленение ее с фундаментом жестким, шарнирно неподвижным, шарнирно подвижным и упругим.
Выполненные исследования [112, с. 35—41; 113; 114, с. 346—347] показали, что присоединение плит массой 5—10 % массы фундамента позволяет существенно снизить его колебания, в то время как увеличение массы самого фундамента на указанную величину практически не сказывается на изменении амплитуды колебаний. Эффективность применения плит для подавления вертикальных колебаний на порядок ниже эффективности их применения для снижения уровня горизонтальных и вращательных колебаний. Наибольшее гашение вибраций способом присоединения плит к фундаменту достигается при жесткой заделке и наименьшее — при шарнирно неподвижной и шарнирно подвижной. Чем выше по отношению к центру фундамента расположены плиты, тем существеннее их влияние на снижение амплитуд колебаний в зоне низких частот. Влияние гибкости в резонансных зонах существенно для вертикальных колебаний и несущественно для горизонтальных.
Увеличение площади плит или жесткости их основания (уплотнение, замена грунта, применение свай и т.п.) способствует одновременному повышению всех резонансных частот системы фундамент—присоединенные плиты. Наибольшая отстройка резонансных частот достигается при жестком сочленении плиты с фундаментом. Изменение массы плиты для отстройки резонансов сказывается незначительно. Присоединение плит, как правило, приводит к повышению собственных частот колебаний фундамента. Вследствие увеличения высоты расположения плит относитель-
182
Рис. 8.14. Конструктивные схемы узлов сочленения присоединенных плит с фундаментами i
1 - фундамент; 2 — присоединенная плита; 3 — выпуски арматуры; 4 — замоно-личенный участок; 5 - стержень; 6 — закладные детали; 7 — промежуточное звено; 8 — бетонное заполнение
но подошвы фундамента можно повысить собственную частоту горизонтальных колебаний системы. Присоединение плит приводит также к появлению новых резонансов системы, однако они лежат существенно выше резонансов одиночного фундамента. При динамическом расчете системы фундамент — плиты последние можно считать жесткими и не учитывать демпфирование. ,
Наиболее рационально присоединенные плиты использовать для уменьшения вибраций фундаментов. под машины, создающие горизонтальные низкочастотные динамические нагрузки [100]. Несмотря на высокую эффективность жесткого сочленения, практическое осуществление его затруднительно. Кроме того, жесткое сочленение можно использовать только в плотных грунтах, где разность осадок фундамента и присоединенных плит несущественна. Поэтому к применению рекомендуются шарнирные соединения. Упругую связь целесообразно использовать только в тех случаях, когда устройство шарнирного сочленения по тем или иным причинам невозможно. В обоих случаях присоединенные плиты следует располагать выше центра тяжести установки (фундамент и машина).
Конструктивные схемы узлов сочленения присоединенной плиты и фундамента показаны на рис. 8.14. Жесткое соединение (рис. 8.14 в) может быть выполнено путем сварки выпусков арматуры плиты и фундамента с последующим омоноличиванием стыкового участка. Для лучшего сцепления с бетоном внутреннюю поверхность плит следует изго
183
товлять шероховатой, для чего длинной рейкой нарезают неглубокие (3—5 мм) борозды. Шарнирные (рис. 8.14, б) и шарнирно-подвижные (рис. 8.14, в) соединения осуществляются с помощью закладных деталей, к которым приваривают металлические листы, соединенные между собой стальным стержнем из высокопрочной стали. Для предохранения от коррозии эти соединения после выполнения рекомендуется заасфальтировать.
При проектировании усиления ширину присоединенной плиты Ъ из конструктивных соображений следует назначать равной размеру стороны фундамента 3., к которой плита примыкает. Толщину плиты назначают равной 0,4—0,8 м в зависимости от мощности машины и размеров фундамента. Для снижения амплитуды вынужденных колебаний верхней грани фундамента в п раз (н > 1) длина присоединенной плиты I при шарнирно-подвижном сочленении ее с фундаментом определяется из уравнения
п - 1 /с
дг 1 +Л-В г = о, (8.D СХ 0-0
где Сд. — коэффициент упругого равномерного сдвига грунта основания плиты; величины/I и В и •£ находятся по следующим формулам:
А. К в=„«х
kv Lh ( V ’ * Kte + Kx(h + h1')(h + h3') ’
if 1 . I _ 0,5 (I +L)• +L
3 (<Р 2+1)уГз& ]при ~
где Kx и К if — коэффициенты жесткости основания по СНиП С 99]; 1с = 1,2 - при расположении плиты выше и ниже центра масс установки;
F = tj it - площадь подошвы фундамента; 12 - (0,3—0,5) - расстояние от плиты до фундамента; h, , h2, h3 — расстояние от центра тяжести соответственно установки до подошвы фундамента, линии действия горизонтальной силы, оси узла сочленения фундамента с плитой и верхней грани фундамента.
Длина присоединенной плиты при упругой связи определяется из уравнения
61 ' а-п^+а+л-в)^ п * °* (8-2)
(п-1)К3 л
где К, > ' i + A - в ~ коэффициент жесткости связи между фундаментом и присоединенной плитой.
При > 20Я"х можно пользоваться формулой (8.1) для определения длины плиты при шарнирно-подвижной связи.
При осуществлении жесткого или шарнирно-неподеижного сочленения плит с фундаментом длина присоединенной плиты вычисляется как положительный корень уравнения четвертой степени по отношению к 1 по формулам, приведенным в работе [112, с.35—41]. Решение уравнения рекомендуется производить с использованием ЭВМ по стандартным программам решения алгебраических уравнений.
184
При проектировании усиления фундамента необходимо учитывать, что присоединение плит оказывает тем больший эффект, чем жестче основание под ними, больше жесткость их связи с фундаментом и выше расположение их по отношению к центру масс установки. Поэтому в проект усиления нужно включать требования по обеспечению необходимых значений коэффициента упругого равномерного сдвига грунта основания плиты или модуля деформации грунта обратной засыпки, являющейся основанием плиты. При необходимости подавления вертикальных колебаний фундамента присоединенные плиты целесообразнее размещать с двух сторон от него, так как при этом влияние плит одинаковой площади более интенсивно, чем при одностороннем расположении.
Экспериментальные исследования подтвердили достоверность предложенных расчетных зависимостей, а промышленное внедрение присоединенных плит для гашения горизонтальных колебаний массивных фундаментов под машины на ряде ГРЭС Украины и Урала показало достаточную надежность их конструкции.
Рассмотрим один из характерных случаев применения дополнительных плит. В здании главного корпуса одной из ГРЭС на Урале в результате повышенных вибраций строительных конструкций появились трещины в наружных стенах и углах здания, а также во внутренних перегородках. При измерении колебаний было установлено наличие повышенного вибрационного фона во всем многопролетном здании, резонансных явлений отдельных строительных конструкций или их элементов, а также значительных колебаний массивных фундаментов под молотковые дробилки и повышенных в 7—8 раз по сравнению с допускаемыми виброскоростей перекрытий в бытовых и служебных помещениях. Амплитуда горизонтальных колебаний верхнего обреза фундаментов молотковых дробилок достигала в направлении, перпендикулярном вращению барабана, 0,75 мм, превышая допустимое значение более чем в 6 раз, даже с учетом групповой установки.
Анализ записей колебаний показал, что вибрации несущих и ограждающих конструкций здания главного корпуса происходят с частотой, равной частоте вынужденных колебаний фундаментов дробилок (12,5 Гц),частота собственных колебаний этих фундаментов составляла 123 Гц. Таким образом, фундаменты молотковых дробилок работали в зоне, близкой к резонансной, и для уменьшения колебаний необходимо было вывести их из этой зоны.
Для отстройки частоты собственных колебаний фундаментов было рекомендовано выполнить шарнирное присоединение к ним дополнительных плит, расположенных на поверхности грунта. Схема выполненного усиления показана на рис. 8.15. Площадь плит-гасителей была определена по расчету и составила 12 м2 при их толщине 0,5 м. Плиты присоединяли к фундаменту с двух сторон, параллельных оси барабана мельницы. В результате собственная частота колебаний системы повысилась до 16 Гц, а амплитуда колебаний фундаментов уменьшилась в 10 раз. Это привело к снижению вибраций всех строительных конструкций зданий и уменьшению виброскорости на рабочих местах до допустимых пределов.
Шарнирное присоединение железобетонной плиты было применено также при реконструкции массивного фундамента под дымосос рециркуляции газов к турбоагрегату мощностью 800 тыс. кВт [100) для отстройки собственной частоты колебаний фундамента от рабочей частоты машины (рис. 8.16). Присоединению плиты предшествовало устройство по пери-
185
Рис. 8.15. Схема реконструкции фундамента молотковой дробилки
1 — дробилка; 2 — фундамент; 3— шарнирные, соединения; 4 — плита-гаситель
Рис. 8.16. Схема переустройства фундамента дымососа
1 — дымосос с электродвигателем; 2 - фундамент, усиленный обоймой; 3 - шарнирное соединение; 4 - присоединенная плита; 5 — бетонный пол
метру фундамента на всю его высоту железобетонной обоймы толщиной 0,5 м, предназначенной для повышения жесткости деформированного фундамента. Определенная по расчету площадь плиты составила 24,6 м2 при высоте 0,5 м. Плита была устроена с одной стороны фундамента и связывалась с обоймой по схеме, показанной на рис. 14, б. Армирование плиты осуществлено двумя сварными сетками из арматуры класса A-1I диаметром 14 мм с шагом 200 мм. После бетонирования бетоном марки М300 и набора им прочности закладные детали обоймы и плиты были объединены стержнем диаметром 30 мм из высокопрочной стали. Шарнирное соединение после выполнения сварки было залито раствором битума заподлицо с поверхностью плиты.
Другим эффективным способом регулирования колебаний фундаментов низкочастотных машин, работающих в дорезонансном режиме, является объединениех массивных заглубленных фундаментов тонкой
х А.с. 881208 (СССР). Фундамент под машины /Ю.А. Киричек,Г.Г. Аграновский, Н.С. Швец. - Заявл. 05.03.1980, №2890283/29-33, опубл, в Б.П., 1981, №42.
186
Рис. 8.17. Схема группового фундамента под машины с преобладающими горизонтальными колебаниями
1 - фундамент; 2, 3 - основная и дополнительная плиты; 4 — шарнирная связь;
5 - элементы переменной жесткости, состоящие из пружин 8 и фиксаторов 9, б - пол; 7 — засыпка из сыпучего материала
лежащей на упругом основании плитой [114]. Вследствие конструктивного ’’ужесточения” системы в среднем на 30—40 % повышаются значения собственных частот и в результате увеличения степени отстройки от резонанса значительно уменьшается интенсивность колебаний фундаментов. В области высоких частот введение дополнительной связи между фундаментами может приводить как к улучшению, так и к ухудшению вибрационного состояния в зависимости от того, способствует ли связь отстройке от резонанса или наоборот.
При объединении фундаментов тонкой плитой появляется возможность путем подбора параметров связи использовать так называемое явление антирезонанса, когда в промежутке между двумя собственными частотами фундамент остается практически неподвижным. Однако этот эффект динамического гашения колебаний можно использовать, лишь применяя специальные конструктивные решения, позволяющие регулировать динамические характеристики фундаментов путем изменения жесткости связи. При этом требуется строгая настройка системы.
Динамический расчет группы связанных плитой фундаментов (рис. 8.17) сводится к решению системы алгебраических уравнений с помощью ЭВМ. Для случая одинаковых фундаментов под однотипные машины получены формулы, позволяющие определять значения собственных частот и амплитуд вынужденных колебаний [114, с.323—325]. Объединение группы фундаментов тонкой плитой не требует значительных материаль-
187
ных затрат и в то же время является довольно эффективным средством для подавления колебаний. В качестве связи наиболее целесообразно использовать бетонный пол промышленной площадки, если на нем не предусмотрено расположение виброчувствительного оборудования, или постоянное пребывание обслуживающего персонала. Единственное требование при этом заключается в обеспечении надежного контакта плиты с фундаментом. Без таких специальных конструктивных мероприятий, как увязка арматуры плиты и фундамента, применение бетона на расширяющихся цементах в узле примыкания плиты к фундаменту не обойтись, поскольку возникающие в сочленении трещины сводят к минимуму ожидаемый эффект. Для фундаментов подвального типа в качестве связи могут использоваться плиты перекрытий, опирающиеся на фундаменты, либо стержневые конструкции, опирающиеся на верхнюю грань фундаментов [103].
При реконструкции действующих предприятий объединение группы фундаментов под машины можно осуществлять как мероприятие, позволяющее вскрыть дополнительные резервы по уменьшению вибраций. При этом фундаменты машин, совершающих дорезонансные колебания, в отдельных случаях можно объединять без динамического расчета, поскольку снижение интенсивности колебаний заведомо обеспечено.
В качестве примера рассмотрим объединение двух массивных заглубленных в грунт фундаментов дымососов рециркуляции газов энергоблока мощностью 800 тыс. кВт бетонной плитой пола, расположенной непосредственно на поверхности грунта и имеющей толщину 200 мм. Расстояние между фундаментами равно трехкратной ширине фундамента, а плита пола значительно развита в ширину, т.е. параллельно оси дымососа. Последнее обстоятельство способствовало усилению эффекта подавления вибраций.
Общий уровень колебаний объединенной системы снизился примерно в 2 раза. Амплитуда колебаний фундамента с неработающей (резервной) машиной уменьшилась в 1,3 раза и составила всего 15 % амплитуды колебаний фундамента с работающей машиной, вибрации которого после переустройства снизились более чем в 4 раза. Частота колебаний фундамента с работающей машиной, объединенного с плитой пола, увеличилась с 22 до 32 Гц, а резонансная амплитуда колебаний уменьшилась со 170 до 88 мкм. Следует отметить, что после устройства связи между фундаментом и плитой вибрации последней в непосредственной близости от фундамента увеличились в 5—6 раз, но быстро затухали с удалением от него. Однако это исключает постоянное пребывание обслуживающего персонала, а также размещение виброчувствительного оборудования у источника колебаний.
Другим наглядным примером использования гибкой плиты для регулирования колебаний фундаментов под машины с низкочастотной динамической нагрузкой является (по данным А.А. Санникова) объединение бетонным полом толщиной 150 мм восьми отдельно стоящих фундаментов лесопильных рам. Измерение колебаний фундаментов до и после их объединения показало, что амплитуда горизонтальных колебаний на уровне верхнего обреза фундаментов уменьшилась после объединения их в 1,4 — 2 раза, а вертикальных колебаний — в 1,2—1,3 раза. Увеличения передачи колебаний бетонным полом фундаментам здания при наличии бетонной подготовки, плотно примыкающей к фундаментам лесопильных рам и здания, не было обнаружено.
Источником повышенных вибраций зданий на предприятиях нередко являются упругие волны от фундаментов машин с ударными нагрузками. 188
Известны случай [102, 103, 7], когда после возведения новых фундаментов под машины с ударными нагрузками (штамповочные и ковочные молоты, формовочные машины литейного производства и т.п.) в существующих цехах из-за повышенных вибраций возникали недопустимые деформации несущих и ограждающих конструкций.
Регулирование колебаний массивных фундаментов под ударные машины при их реконструкции, вызванной наличием значительных вибраций, может быть осуществлено без коренного переустройства фундаментов в результате изменения упругих и диссипативных характеристик подша-ботных (у фундаментов молотов) или надфундаментных (у фундаментов формовочных машин) прокладок [115]. При этом прокладки рекомендуется выполнять составными в виде пакетов из деревянных щиток и рифленой или перфорированной резины. Применение составных прокладок из древесины с перфорированной резиной при той же общей жесткости ведет к значительному уменьшению амплитуд колебаний фундамента [112, с.49—52]. Как правило, при этом достигается снижение амплитуды на 25—30 % и уменьшение частоты собственных колебаний фундамента на 20 %. Последнее способствует уменьшению числа циклов нагружения фундамента и увеличению времени для повышения производительности ударной машины.
Амплитуду колебаний переустраиваемого фундамента можно определить из следующей зависимости [114, с. 36—38]:
Г -tint PtLz 1
= ~Ъ^кГ31пК^е ~7^s,nfW’ <8-3)
где - начальная скорость движения машины;
2 ,
п .J^а~2п'2па-}(па- Ка.)-4пгПаКа
1 (A2-2nzna)2 + ‘irt,2n%L
(J, s: ZZy Z *
ъ ~ 2Пг 2пЪ + ( пъ ~ иъ)2/г2 (^-2п2пь)г^п2гпгь
(здесь Л* = Кш !mz ;
2п~2 г) }
)2"а*(<~Ki
(2^-2nztta)Z+ tinZzh.%L
189
/77 = ~(az -aj2; Ka~ Kz \!l~ (<РгК212)2
(1 + ос)( + Az2
—
i=(nz + nz)(,1+oc')-n.(L
2 2 2
-(1+cc)^2
Здесь/<= 2 I
где ос ~ тг/тл ; Л* = Kz ; п
(здесь 2nz = 4>zh2)',
(Л2\-2п2пЛ(п2ъ- Kzy)-‘inznbKZ а„ = ----------------------:-----------+ Л
Z
(AZ-2n2Ha)Z + nZt
v_| (1+ос)(Л2+Л2) 1/Г(1+ос)(А2 +л2)12 2 ~2 •
Ъ у---------------------------£--*_] -(1^)K2XZ 1
Ф2 - модуль затухания вертикальных колебаний; *п#, <п2 , т - масса фундамента, машины, падающих частей.
Коэффициенты 7СШ и У жесткости и неупругого сопротивления надфундаментной прокладки находят по формулам:
F Е„Е
__ш_Д Р
К ш
(8.4)
6 Е У + б Е у Я = _&_£_«.___Е,_Д-ГЕ
л к + z р ’ Ш б Е +5 Е
°д ср * °р Д Р Р Д
где Еш - площадь надфундаментной прокладки; 6Д, Ъ р — толщина деревянных и резиновых элементов; Ед, Ер - модули упругости деревянных и резиновых элементов; Уд , ур - коэффициенты неупругого сопротивления древесины и резины. Начальная скорость движения машины определяется из формулы
(1 + &) 1ПО v
Vm “'"7Г+Т,67^шГ(тГ+’т2)
(8.5)
где и - скорость падающих частей с массой т0 в момент удара; £ - коэффициент восстановления скорости при ударе.
При переустройстве фундаментов под ударные машины с целью снижения их колебаний рекомендуется принимать надфундаментную прокладку такой жесткости, чтобы получить отношение предельной круговой частоты свободных вертикальных колебаний машины на упругой надфундаментной прокладке Л 2 к предельной круговой частоте свободных вертикальных колебаний всей установки на грунте Л z в пределах 0,4 < Л2/ Az< 1
190
или Л2/ Л у > 3. Для этого следует выбирать резиновую прокладку с более низким модулем деформации (Е = 24-3 МПа), возможно более высоким коэффициентом неупругого сопротивления ( 0,25) и тол-
щиной не более 50 мм. При оптимальном варианте толщина составной прокладки принимается равной толщине заменяемой. В противном случае с помощью муфт увеличивают длину анкерных болтов, крепящих машину к фундаменту. Параметры колебаний фундаментов ударных машин регулировать предлагаемым способом можно для оборудования с массой падающих частей до 5 т. Для более мощных машин рекомендуется применять подшаботную рессорную виброизоляцию [ЮЗ].
Изменение параметров прокладки, позволяющее снизить амплитуду и частоту колебаний фундамента, приводит к уменьшению ускорения колебаний грунта основания, что способствует приостановлению осадок колонн и стен зданий, вызванных распространением упругих волн от фундаментов ударных машин.
Рассмотренный способ регулирования параметров колебаний: фундаментов под ударные машины был применен на-одном нз машиностроительных заводов в Донбассе для снижения вибраций фундамента под формовочную машину типа 29514 с массой падающих частей 1700 кг. В результате изменения жесткостных и демпфирующих характеристик надфундаментной прокладки амплитуда колебаний фундамента снизилась на 33 %, а частота его свободных колебаний — на 50 %.
При работе машин с динамическими нагрузками между засыпкой грунта и фундаментом с течением времени образуются (особенно под воздействием длительных горизонтальных вибраций) пустоты. В результате этого засыпка участвует в колебаниях не по всей высоте боковой поверхности фундамента, вследствие чего изменяются первоначальные динамические характеристики колеблющейся системы основание — фундамент — машина и ухудшаются условия эксплуатации установленного оборудования. Устранение отмеченного может быть достигнуто при применении несложного устройства (рис. 8.18), позволяющего регулировать динамические характеристики фундамента*.
Вдоль стен существующего заглубленного массивного фундамента 3 в направлении, перпендикулярном действию горизонтальной динамической нагрузки в засыпке устраивают щели 4. В эти щели с зазором по отношению к фундаменту устанавливают вертикальные упорные плиты 2 с начальным наклоном в его сторону. Понизу плиты присоединяются шарниром 1 к фундаменту. Между плитами и фундаментом сверху в нескольких местах помещают клинья 6, после чего производят засыпку и уплотнение грунта боковой засыпки 5 за плитой. По мере образования и увеличения пустот между фундаментом и грунтом засыпки клинья 6 под действием упругих элементов 8, фиксируемых упором 7, опускаются вниз, осуществляя распор с постоянным удельным давлением плит 2 на засыпку 5 и обеспечивая контакт поверхностей фундамента с грунтом. При этом первоначальный угол наклона плит уменьшается и в предельном положении они устанавливаются вертикально. Винтом 9 осуществляется вертикальное перемещение клиньев 6, что позволяет изменить усилие прижима плиты 2 к грунту котлована, обеспечить стабильность и регулировать величину горизонтальной динамической характеристики переустраиваемого фундамента.
х А.с. 850816 (СССР). Фундамент под оборудование ,/Г.Г. Аграновский, Н.С. Швец, Ю.А. Киричек и др. - Заявл. 31.10.1979, № 2834971/29-33, опубл, в Б.И., 1981, № 28.
191
Рис.8.18. Схема устройства для регулирования величины горизонтальной динамической характеристики усиливаемого фундамента
Параметры колебаний массивного фундамента в процессе эксплуатации или при замене установленной на нем машинной установки можно также регулировать путем изменения высоты и плотности грунта обратной засыпки. Для этих целей по периметру боковой поверхности фундамента на всю высоту его заглубленной части устанавливают с зазором ограждающие конструкции любого вида. Зазор сверху перекрывают плитами. При необходимости изменения амплитуд колебаний фундамента или соотношения частот его собственных и вынужденных колебаний зазор между ограждающими конструкциями и боковой поверхностью фундамента заполняют плотно утрамбованным грунтом.
Первоначально зазор заполняют грунтом на высоту, равную 0,4 размера стороны подошвы фундамента, которая параллельна направлению горизонтальных колебаний [116]. В дальнейшем зазор заполняют слоями толщиной 0,1—0,2 м до достижения требуемых амплитуд колебаний и максимальной отстройки частот вынужденных колебаний от собственных. Полученные параметры колебаний устанавливают по данным непосредственных замеров уровня вибраций фундамента. По окончании работ по регулированию колебаний фундамента, зазор вокруг фундамента перекрывают плитами. В общем случае высота боковой засыпки в зазоре может достигать размера заглубленной части фундамента.
В качестве грунта боковой засыпки может использоваться как несвязный, так и связный грунт. В последнем случае необходимо предусматривать конструктивные мероприятия, исключающие замачивание грунта боковой засыпки для предотвращения образования щелей между фундаментом и основанием. Использование боковой засыпки грунта для регулирования параметров колебаний массивных фундаментов под машины с динамическими нагрузками позволяет добиваться оптимального режима их эксплуатации.
192
глава 9. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СПОСОБ ОБ УСИЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ВЫПОЛНЯЕМЫХ РАБ ОТ
9.1. Выбор способов усиления
После принятия решения о необходимости усиления фундаментов или укрепления оснований приступают к проработке возможных вариантов. Вначале делают эскизные наброски вариантов с учетом инженерно-геологических условий площадки, величин нагрузок, действующих после реконструкции здания или сооружения на усиливаемые фундаменты, габаритов существующих фундаментов и опирающихся на них конструкций, условий производства работ на действующем предприятии, возможностей строительной организации, которая намечается к производству работ по усилению фундаментов или укреплению оснований.
Оценка метода усиления фундаментов и укрепления оснований с точки зрения инженерно-геологических условий нередко имеет основное значение. Поэтому при проектировании рассматриваются лишь те способы усиления, которые возможны в конкретных инженерно-геологических условиях. Например, укрепление оснований в водонасыщенных грунтах с помощью обжига неосуществимо; забивные сваи сложно погружать в маловлажных лессовидных грунтах (требуется использование лидирующего бурения), в связи с чем целесообразнее в таких условиях буронабивные сваи и т.п.
Далее следует оценивать нагрузки, действующие на усиливаемые фундаменты. Например, при особенно больших нагрузках на одну колонну промышленного цеха (более 30—40 тыс. кН и значительных изгибающих моментах), как правило, трудно применять выносные сваи усиления, которые устраивают за пределами ростверка. В таких случаях нередко более эффективным оказывается какой-либо из методов усиления оснований.
Габаритные размеры существующих фундаментов также имеют значение при выборе способа усиления. При очень больших размерах фундамента в плане оказывается невозможным ’’подвесить” его на дополнительные фундаменты. При большой высоте существующего фундамента или плиты свайного ростверка и большой насыщенности их арматурой трудно выполнить усиление с помощью корневидных свай, так как придется пробуривать значительную толщу железобетона.
Возможности производства работ необходимо оценивать в условиях действующего предприятия. Предпочтение, как правило, следует отдавать тем способам усиления, которые можно осуществить без остановки основного производственного процесса. При этом требуется анализировать степень удобства выполнения работ по реконструкции фундаментов.
Важным фактором при выборе способов усиления фундаментов является оценка технической оснащенности строительной организации, которая выполняет усиление фундаментов или укрепление оснований. Нет смысла проектировать способ усиления, который невозможно осуществить из-за отсутствия необходимых механизмов, материалов или достаточного опыта выполнения таких работ. При освоении нового способа усиления перед началом строительно-монтажных работ следует отрабатывать его с помощью специальных экспериментальных исследований.
193
В процессе сравнения способов усиления фундаментов необходимо анализировать возможность одновременного усиления конструкций, которые опираются на эти фундаменты. Такое комплексное усиление несущих элементов может значительно сократить стоимость работ по усилению фундаментов в целом.
9.2. Критерии оценки выбранных способов
Принятые для сравнения технически осуществимые способы усиления фундаментов или укрепления оснований должны сравниваться между собой по общей методике вариантного проектирования.
Путем расчетов на прочность и по деформациям определяют несущую способность усиленного фундамента по каждому из вариантов. К дальнейшему анализу оставляют лишь те способы усиления, которые обеспечивают достаточно надежную работу реконструируемых сооружений. При оценке выбранных способов усиления производится их экономическое сравнение: стоимость основных, вспомогательных и сопутствующих работ; трудовые затраты на их выполнение; расход материалов.
Прежде всего следует анализировать прямые затраты — непосредственно на выполнение строительно-монтажных работ. Пример сравнения вариантов понижения уровня грунтовых вод для административного здания в Херсоне, описанного в п.3.1, приведен в табл. 9.1.
В том случае, когда сравнивают методы усиления фундаментов со способами укрепления оснований, основные затраты можно сводить в отдельные таблицы, а затем производить анализ по различным строкам этих сводок затрат. Для примера в табл. 9.2 показано сравнение вариантов, выполненное при проектировании усиления фундаментов Александровского элеватора, описанного в п.6.1.
После оценки прямых затрат следует также учитывать сопутствующие потери — убытки предприятия в процессе выполнения реконструкции, транспортные расходы по доставке материалов, убытки строительно-монтажных организаций, трудно учитываемые капитальные вложения и т.д. С этой целью экономическое сравнение вариантов можно производить по приведенным затратам, методика определения которых описана в работах [22,117].
Т а б л и ц а 9.1. Сравнение вариантов понижения уровня грунтовых вод
Вариант Земляные .работы, м’ Расход Разраборка существующих бетонных конструкций, вручную, м^ Стоимость, тыс. руб.
стали, т бетона, м-*
общий объем осуществляемые вручную
Горизонтальный дре- 25000 1300 600 15 800 170
наж Систематический го- 29000 4000 1050 15 60 230
ризонтальный дренаж Пластовый дренаж - 3250 900 15 60 130
Вертикальные ваку- 2360 — 35 30 160 95
умные водопонизительные скважины Лучевой дренаж 65 300 15 102
Вертикальные водо- 250 — 42 55 160 125
понизительные скважины
194
Таблица 9.2. Сравнение вариантов усиления фундаментов
Наименование работ и показатели Значение показателей и
Вариант 1. Буроинъекционные сван Бурение скважин диаметром 200 мм, глубиной 17 м, пм/шт. Заполнение скважин раствором марки М200, м3 Разборка пола с бетонной подготовкой, м2 Пробивка отверстий в железобетонной плите'на глубину до 500 мм, шт. Бетонная подготовка под полы, м3 Асфальтовые полы толщиной 25 мм, м2 Ориентировочная стоимость, тыс. руб. объем 13413/789 1243 400 653 240 400 76,0
Вариант 2. Термическое закрепление грунтов Объем обожженного грунта, м3 Число грунтостолбов Число захваток (по 32 скважины в одной захватке) Общий расход дизельного топлива, т То же, воздуха, м3 Ориентировочная продолжительность обжига при работе в три смены, сут Бурение скважин диаметром 200 мм на глубину в среднем 9 м, м Ориентировочная стоимость работ, тыс. руб. 6330 288 9 303,3 10109 36 2592 58,0
Вариант 3. Закрепление грунтов газосиликатизацией Число мест инъекции Объем закрепленного грунта газосиликатизацией, м3 Силикат натрия плотностью 1,15 г/см3, т Двуокись углерода, т Цемент марки М200, т Погружение инъекторов на глубину до 10 м, м Разборка пола с бетонной подготовкой, м2 Пробивка отверстий в железобетонной плите на глубину до 500 мм Бетонная подготовка под полы, м3 Асфальтовые полы толщиной 25 мм, м2 Ориентировочная стоимость работ, тыс.руб. 210 5250 510 24 5,0 1480 375 147 38 375 65,0
Вариант 4, Уширение фундамента с устройством железобетонных рам Монолитные железобетонные фундаменты из бетона марки М200, м’ Сталь класса A-1U, т Монолитные железобетонные рамы из бетона марки М300, м3 Сталь класса А-Ш, т Омоноличивание стоек с рамой бетоном марки М400, т Сталь класса А-llI, т Железобетонные элементы затяжек из бетона марки М300, м3 Сталь класса А-Ш, т Щебеночная подготовка под ростверк, м3 Разборка асфальтобетонной отмостки, м2 Восстановление асфальтобетонной отмостки, м2 Разборка асфальтобетонного пола внутри здания с бетонной подготовкой толщиной 100 мм, м2 Восстановление асфальтобетонного пола с бетонной подготовкой, м2 . Бетонирование ниш между подколенниками бетоном марки М200, м3 Арматура затяжек длиной по 5 м, т Расчистка от грунта ниш между подколенниками, м3 Всего бетона и железобетона, м3 Всего арматуры, т Ориентировочная стоимость работ, тыс.руб. 120 11 355 59 21 2,5 44 6,5 16 180 180 160 160 80 1,2 65 620 50 58
Вариант 5. Уширение фундамента с устройством железобетонных арок Монолитные железобетонные фундаменты из бетона марки М200, м3 Сталь класса А-П1, т Монолитные железобетонные арки из бетона марки М300, м3 120 И 146
195
Продолжение табл. 9.2
Наименование работ и показатели Значение 1 показателей
1 и объем
“рк" м4№м3 , Сталь класса А-Ш, т затяжки из бетона марки М300, м3 Железобетонные элементы затяжки пл 25,9 27,0 4,00 44,00 6,5 16
XX» «»»' «Й 100 мм с последующим вос^™ВОцС™дОнцИками внутри здания, м3 кда?-=5=-“ •1/2 кирпича, м3/м3 а Всего бетона и железобетона, м 180 160 65 80 20/8 144/18 417 47,4
45,0
Учет всех факторов, указанных в пп. 9.1 и 9.2,позволяет осуществить технико-экономическое сравнение вариантов.
9.3. Общие правила охраны труда
Производство строительно-монтажных работ по усилению и реконструкции фундаментов значительно отличается от нового строительства стесненными условиями и ограниченностью фронта работ, наличием специфических процессов (разрушение, выправление, укрепление, подведение и т.п.). Поэтому все этапы работ по усилению и реконструкции должны быть отражены в проекте производства работ. Особое внимание уделяется мероприятиям по охране труда, созданию дополнительных настилов, навесов, экранов, ограждений, временного освещения, вентиляции и т.д.
В проекте производства работ [22] с большой тщательностью разрабатываются вопросы создания оптимальных условий выполняемых работ, четко определяются пути транспортирования материалов и конструкций, строго регламентируется работа машин и механизмов. Особое внимание уделяется разработке решений и мероприятий, обеспечивающих совмещение строительно-монтажных работ с действующим производством. Должны предусматриваться мероприятия по повышению технологичности проектных решений, дающих возможность сократить затраты труда и стоимость реконструкции и усиления. Выполнение работ подлежит обязательному согласованию с соответствующими службами.
Работы по переустройству фундаментов требуют оснащения строительных организаций дополнительными специальными механизмами и приспособлениями, так как в действующих цехах ограничивается или исключается возможность применения громоздких механизмов и землеройной техники. Поэтому при усилении и реконструкции обычно используют наиболее простые механизмы: лебедки, тельферы, тали, электрокары, мачты, кран-балки, автопогрузчики, транспортеры, тракторы типа ’’Беларусь”, мостовые краны, домкраты, подъемники, автовышки и другие механизмы.
При переустройстве фундаментов и подземных сооружений требуется неукоснительное соблюдение правил техники безопасности производственной санитарии и пожарной безопасности. Все рабочие должны знать порядок выполнения работ по усилению и реконструкции и правила выполнения этих работ, а также пройти инструктаж по технике безопасности.
При проведении работ нужно обеспечить безопасность передвижения и работы как строительных рабочих, так и рабочих действующего производства. Необходимо оградить опасные зоны, выставить предупредительные и запрещающие надписи и установить указатели переходов. Рабочие места должны быть хорошо освещены. На месте усиления должно быть минимальное количество материалов и конструкций. Нельзя загромождать траншеи, котлованы и площадки материалами и конструкциями, которые в данный период мешают выполнению основных работ. Заранее заготовленные конструкции усиления и материалы необходимо хранить на специальном складе, расположенном недалеко от объекта реконструкции.
Правила техники безопасности разрабатываются совместно руководителем работ по усилению и реконструкции и администрацией действующего предприятия; ответственность за их соблюдение несут обе стороны. Сложные и особо опасные работы выполняются после инструктажа рабочих и выдачи письменного допуска, прилагаемого к наряду.
Все находящиеся в зоне производства работ электросети и коммуникации переносятся или ограждаются от возможных повреждений. Не допускается перегрузка строительных конструкций материалами, конструкциями и оборудованием. Конструкции и откосы, находящиеся под угрозой обрушения, необходимо укрепить до начала производства работ. При устройстве креплений траншей и котлованов необходимо учитывать нагрузки от конструкций, материалов и оборудования, находящихся на их бровке или в зоне обрушения откосов.
Усиление фундаментов во многих случаях требует предварительной разгрузки несущих конструкций. Заранее необходимо запроектировать способ разгрузки усиливаемых фундаментов с указанием последовательности и величины разгрузки. При этом нельзя допускать перегрузки других конструкций здания или сооружения.
При производстве работ по усилению необходимо иметь в виду, что условия передачи давлений на грунт изменяются при двухстороннем и одностороннем уширении подошвы фундаментов, увеличении глубины ее заложения и пересадке фундаментов на сваи. Чаще всего происходит изменение напряженного состояния грунтового основания в результате углубления пола подвала или разработки котлована около фундаментов, что может привести к выпору грунта из основания в сторону уменьшения пригрузки.
Гидравлические натяжные устройства должны быть проверены до начала работ на максимальное давление масла в системе. Маслонасосные станции нельзя располагать под напрягаемыми элементами и поэтому длина шлангов должна быть достаточной и заранее проверенной. Работы на высоте более 1 м следует выполнять с огражденных подмостей и лесов.
Наиболее вредны для здоровья человека работы по химическому закреплению грунта. Поэтому следует применять малотоксичные инъекционные растворы. При производстве работ по закреплению и упрочнению грунтов должны соблюдаться общие правила по технике безопасности для работ на паровых, компрессорных, гидравлических и электрических установках, а также для строительных и горных работ.
197
196
При выполнении работ в закрытых и загазованных условиях обязательно предусматривается принудительная вентиляция.
На месте производства работ необходимо оборудовать медицинский пункт с набором медикаментов для оказания неотложной помощи при отравлениях и других травмах.
Приведенные правила техники безопасности при усилении и реконструкции фундаментов не исчерпывают всех вопросов, которые могут возникнуть при выполнении этих работ. Поэтому все приемы безопасных методов ведения работ должны детально прорабатываться в каждом конкретном случае при разработке проекта производства работ.
Список литературы
1. Зуриаджи В.А., Филатова М.П. Усиление оснований и фундаментов при реконструкции зданий. - М.: Стройиздат, 1970,92 с.
2. Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройке зданий. - М.: Стройиздат, 1982. - 111 с.
3. Ройтман А.Г., Смоленская Н.Г. Ремонт и реконструкция жилых и общественных зданий. - М.: Стройиздат, 1978. 148 с.
4. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. - М.: Стройиздат, 1980. 134 с.
5. Абелев MJ0. Аварии фундаментов сооружений. Учеб, пособие. М.: 1975. 85 с.
6. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. — Л.: Стройиздат, 1975. 334 с.
7. Швец В.Б., Тарасов Б.Л., Швец Н.С. Надежность оснований и фундаментов. - М.: Стройиздат, 1980. 160 с.
8. Томас Х.,Мак Вейг. Строительные аварии./Пер. с англ. В.Д. Шапиро. - М.: Стройиздат, 1967. 148 с.
9. Чеботарев Т.П. Механика грунтов, основания и земляные сооружения: Пер. с англ./ Под ред. Н.Н. Маслова. - М.: Стройиздат, 1968. 616 с.
10. Кезди А.А. Руководство по механике грунтов. Применение механики грунтов в практике строители: iea/Пер. с нем. Н.Б. Экимян. — М.: Стройиздат, 1978. 239 с. 11. Грасник А., Хольцапфель В. Бездефектное строительство многоэтажных зданий. Ч. 1. Обшестроительные работы./Пср. с нем. Ю.М. Веллера. - М.: Стройиздат, 1980. 256 с.
12. Основания и фувдаменты: (Краткий курс)/Н.А. Цытович, В.Г. Березанцев, Б.Н. Далматов, М.Ю. Абелев. - М., Высш, шк., 1970.
13. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания И фундаменты. - М.: Стройиздат, 1981.320 с.
14. Феклии В.И., Шаламов В.К. О причинах снижения долговечности фундаментов производственных зданий алюминиевой промышленности. - Пром, стр-во 1967, № 8, с. 41-43.
15. Коррозия бетона в конструкциях криолитовых заводов /Л.Г. Шпынова, В.И. Феклин, В.Е. Тузяк и др. — Изв. высш., учеб, заведений. - Стр-во и архитектура, 1976, №10, с. 83-88.
16. Корифельд И.А., Притула В.А. Защита железобетонных конструкций от коррозии, вызываемой блуждающими токами. - М.: Стройиздат, 1964,75 с.
17. Ковалев Б.В. Дефекты проектирования транспортной галереи. - Пром, стр-во, 1971, №2, с. 32-33.
18. Эксплуатация и ремонт зданий на лессовых просадочных грунтах/В.П. Ананьев, Я.Д. Гильман, М.П. Филатова и др. - М.: Стройиздат, 1977.102 с.
19. СНиП П-15-74. Основания зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1975.64 с.
20. Абелев Ю.М., Абелев М.Ю. Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых грунтах. - 2-е изд. — М.: Стройиздат, 1968,431 с.
21. Крутов В.И. Основания и фундаменты на просадочных грунтах. - Киев: Буд1вель-ник, 1982. 222 с.
22. Прохоркин С.Ф. Реконструкция промышленных предприятий. - М.: Стройиздат, 1981.128 с.
23. Инструкция по инженерным изысканиям для городского и поселкового строительства. М.: Стройиздат, 1962.120 с.
24. СНиП П-2-75. Геодезические работы в строительстве. М.: Стройиздат, 1976. 23 с. 25. Руководство по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружсний/НИИОСП. - М.: Стройиздат. 1975.160 с.
198
26. Инструкция по нивелированию I, II, III и 1У классов. - М.: Недра, 1974. 160 с.
27. Пискунов М.Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений. — М.: Недра, 1980. 248 с.
28. Указания по зондированию грунтов для строительства. СН 448-72. - М.: Стройиздат, 1973. 31 с.
29. Трофименков Ю.Г., Воробков Л.Н. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов. — М.: Стройиздат, 1981. 213 с.
30. Крутов В.И., Кулачкин Б.И. Полевой метод определения относительной просадочности лессовых грунтов статическим зондированием. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1984, № 3, с.29-32.
31. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений/НИИОСП 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1978. 375 с.
32. Совершенствование технологии работ нулевого цикла с использованием средств механизации и автоматизации: Тезисы докл. и сообщ. Всесоюз. конф. НИИпромстрой, Башк. прав. НТО стройиндустрии. — Уфа, 1981. 229 с.
33. Материалы Республиканского совещания по лабораторным исследованиям грунтов при инженерно-строительных изысканиях (Госстрой РСФСР, РостглавНИИстрой-проект, ЦТИСИЗ, ЛенТИСИЗ). - М.: 1969.166 с.
34. Швец В.Б., Лушников В.В., Швец Н.С. Определение строительных свойств грунтов: Справ, пособие. - Киев: Буд|вельник, 1981. 102 с.
35. Сорочан Ё.А., Дворкин Ю.И. О назначении давлений на основание при реконструкции сооружений. - Основания, фундаменты и механика грунтов. 1976, № 2, с.8-9.
36. Хамерик Ю.А. Защита зданий и сооружений от грунтовых вод. - Киев: Будгвель-ник, 1976,140 с.
37. Анпилов В.Е. Формирование и прогноз режима грунтовых вод на застраиваемых территориях. - М.: Недра, 1976. 183 с.
38. Руководство по проектированию стен сооружений и противофильтрационных завес, устраиваемых способом ’’стена в грунте” /НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. — М.: Стройиздат, 1977. 129 с.
39. Основания и фундаменты/Под общ. ред. М.И. Смородинова. 2-е изд. М.: Стройиздат, 1976. 290 с. (Справочник строителя).
40. СНиП 3.02.01-83. Основания и фундаменты. - М.: Строийздат, 1983. 96 с.
41. Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве: Материалы 8-го Всесоюз. совещания/Центр. и Укр. правл. НТО Стройиндустрии, Госстрой СССР - Киев: Бу-дгвельник, 1974.416 с.
42. Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве: Тез. докл. на 9-ом Всесоюз. науч.-тех. совешднии/Госстрой СССР и др. - М.: Стройиздат, 1978.
43. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов. - М.: Стройиздат, 1980. 118 с.
44. Блескина Н.А., Федоров Б.С. Глубинное закрепление грунтов синтетическими смолами. - М.: Стройиздат, 1980.147 с.
45. Жинкин Г.Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве. - Л.: Стройиздат, 1966, 194 с.
46. Ржаницын Б.А. Химия в борьбе с просадочностыо грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1977, № 5, с. 17-18.
47. Мулюков Э.И. Из опыта химического закрепления грунтов в ФРГ. - Основания, фундаменты и механика грунтов. 1975, № 5, с.44-45.
48. Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - М.: Стройиздат, 1981. 543 с.
49. Николаев В.М., Горбанев В.П. Уплотнение и закрепление грунтов в стесненных условиях строительного" производства. - М.: Стройиздат, 1968.153 с.
50. Юрданов А.П. Особенности глубинного обжига грунтов и перспективы его совершенствования. - Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978, №6. с.14-16.
51. Смородинов М.И., Ямандинов Р.Б. Из опыта устройства фундаментов и подземных сооружений в Японии. - Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1980. № 3. с. 27—29.
52. Бобылев Л.М., Золотухина М.К., Светииский Е.В. Шведское оборудование для глубинного уплотнения слабых глинистых грунтов. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1980. № 4. с. 27-29.
53. Воробьев М.С. Деформация здания насорной станции на заторфованных грунтах. — В кн.: Основания и фундаменты в сложных инженерно-геологических условиях. Межвуз. сб. научлр. /Каз. инж-строит. ин-т. Казань, 1980, с. 56-59.
54. Хило Е.Р., Попович Б.С. Усиление железобетонных конструкций с изменением расчетной схемы и напряженного состояния. - Львов. Вища школа. 1976. 147 с.
55. Шкинев А.Н. Аварии на строительных объектах, их причйны и способы предупреждения. - М.: Стройиздат, 1976. 374 с.
199
56. Страбахин Н.И., Бортникова Н.И. Усиление фундаментов с обжатием основания. -В кн.: Исследования по фундаментостроению, стройматериалам и организации строительства /Урал, политехи, ин-т. Свердловск. 1973, сб. № 195, с.50-54.
57. СНиП 11-8-78. М.: Стройиздат, 1979. 24 с.
58. Руководство по расчету и проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях (Донец. ПромстройНИИпроекти др.)— М.: Стройиздат, 1977, 143 с.
59. Дубяиский М., Винницкий Г. Защита здания при ступенчатых деформациях основания. — Пром, стр-во и инж. сооружения, 1980, №4, с.25—27.
60. Милюков Д.А., Петраков А.А. Строительство и защита жилых и гражданских зданий на подрабатываемых территориях. — Киев, Буддвельник, 1981,104 с.
61. Гендель Э.М. Приостановка наклона и выпрямление здания в Сумгаите. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1971, № 6, с. 26—28.
62. Волков Г. Вдавливание свай под существующие здания. - На стройках России, 1978, №5, с. 13-15.
63. Бураев М. Опыт усиления деформированных фундаментов и оснований промышленных зданий. Реферативный сборник. Технология строительного производства. Вып. № 2 (35). ЦБНТИ Минтяжстроя СССР: М., 1975, с. 8-9.
64. Джантимиров X., Егоров А., Кангели Н. С помощью буроинъекционных свай. — Стр-во и архитектура Москвы, 1977, № 6, с. 28—29.
65. Банцур А.И. Усиление основания фундамента опускным колодцем. - Пром, стр-во и инж. сооружения, 1972, № 6, с. 16-17.
66. Ищук И.АМ Романов М.К., Свиридов Ю.М. Разработка и возведение фундаментов шахтного типа в условиях реконструкции металлургического цеха медеплавитель-ного комбината. - В кн.: Науч.-техн. совещание ’’Внедрение рациональных конструкций фундаментов в строительстве”. Тез. докл./Свердл. обл. правл. НТО стройиндустрии и др. Свердловск, 1972, с. 86 -90.
67. Смородинов М.И., Федоров Б.С. Устройство фундаментов и конструкций способом ’’стена в грунте”. - М.: Стройиздат, 1976. 128 с.
68. Евграфов Г.К., Осипов В.О. Содержание и реконструкция мостов. - М.: Транспорт, 1964. 217 с.
69. Попченко С.Н. Справочник по гидроизоляции сооружений. — Л.: Стройиздат, 1975. 232 с.
70. СНиП П-28-73Х. М.: Стройиздат, 1980.46 с.
71. Городецкий В.К. Рекомендации по повышению долговечности строительных конструкций травильных отделений. — В кн.: Износ и защита строительных конструкций промышленных зданий с агрессивной средой производства /ЦНИИПром-зданий. М.: Стройиздат, 1969, вып. 3, с.12-34.
72. Балалаев Г.А., Медведев В.М., Мещанский Н.А. Зашита строительных конструкций от коррозии. - М.: Стройиздат, 1966.224 с.
73. Гельфман Г.Н. Защита строительных конструкций и сооружений химической и нефтехимической промышленности. — Тр. НИИПромстрой, ч. 2, вып. 17, с.21—26. 74. Седов М.Г., Дмитриев М.И. Совершенствовать стимулирование строителей при реконструкции предприятий. - Пром, стр-во, 1979, № 3, с. 22-24.
75. Максимов Ю.А. Восстановление свайного фундамента колонны в действующем цехе. — Пром, стр-во, 1966, № 11, с. 30—31.
76. Бер А.Е., Мильнер Х.Д., Окои ИЛ. Замена фундаментов колонн путем их вывешивания. - Пром, стр-во, 1969, № 6. с.9—10.
77. Коваленко А.П. Предупреждение аварии здания. Пром, стр-во, 1967, № 1, с.42—43.
78. Канаш В.Е. Предохранение полых свай и свай-оболочек от разрушения при промораживании. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1978, № 5, с.14—16.
79. Цытович Н.А. Механика грунтов (Краткий курс) - 2-е изд. - М.: Высш, школа, 1973. 280 с.
80. Гордой А., Пильдес Л. Эффективный метод усиления свайных фундаментов. -Стр-во и архитектура Москвы, 1976, № 9, с. 16-18.
81. Вершинин ВЛ., Панфилов П.Ф., Сотников С.Н. Стабилизация осадки основания и выправление крена 16-этажного жилого дома на свайном фундаменте. — Основания, фундаменты и механика грунтов, 1981, №4, с. 9-11.
82. Прогноз устойчивости Невьянской башни /Зарецкий Ю.К. Капустин В.К., Лушников В.В. и др. - Основания и фундаменты и механика грунтов, 1981, № 6, с.19—22. 83. Клейн Г.К., Гавриченкова И.В. Устойчивость башенных сооружений с фундаментами мелкого заложения на нескальных основаниях. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1968. № 6. с. 9—11.
84. Сорочан Е.А. Выправление крена дымовых труб путем организованной усадки грунтов основания,- Основания, фундаментыи механика грунтов, 1979, №1,с.16-18.
85. Гендель Э.М. Восстановление и возведение сооружений способом подъема. — М.: Госстройиздат, 1958. - 280 с.
200
86. Яворский В.Г. Монтаж строительных конструкций зданий. - 2-е изд., перораб. и доп. - Киев. Бущвельник, 1981, 189 с.
87. Терцаги К. Теория механики грунтов. Пер. с нем./Под ред. Н.А. Цытовича. - М.: Стройиздат, 1961. 507 с.
88. Байцур А.И., Молчанов Л.Г. Проектирование фундаментов под оборудование промышленных предприятий. - Киев. Буд1вельник, 1977.169 с.
89. Инструкция по проектированию и строительству противооползневых и противообвальных защитных сооружений: СН 519-79. М.: Стройиздат, 1981. с.24.
90. Руководство по проектированию свайных фундаментов/НИИОСП им. Н.М. Гер-севанова. - М.: Стройиздат, 1980. 151 с.
91. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства: Оползни и борьба сними: Учеб, пособие. - М.: Стройиздат, 1977. 320 с.
92. Гинзбург Л.К. Противооползневые удерживающие конструкции. - М.: Стройиздат, 1979. 80 с.
93. Гинзбург Л.К., Ищенко В.И. Расчет противооползневой рамной конструкции. — Пром, стр-во и инж. сооружения, 1979. №1.с. 29—30.
94. Завриев К.С., Шпиро Г.С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. - М.: Транспорт. 1970, 215 с.
95. Вильголенко А.М., Коваль В.Е., Гинзбург Л.К. Устройство в грунте сплошной ограждающей стены. - Пром, стр-во и инж. сооружения, 1973, № 6. с.6-8.
96. Максимов Л.С., Шейнин И.С. Измерение вибраций сооружений: Справ, пособие. — Л.: Стройиздат, 1974. 255 с.
97. Осоловский В.П., Венгеровский Д.П., Кранцфельд Я.Л. Эксплуатация фундаментов энергетического оборудования ТЭС. — М.: Энергия, 1980. 167 с.
98. Швец Н.С., Сургучев В.Г., Рахлии Ю.Б. Колебания фундаментов мельничн<А> оборудования на горнообогатительных комбинатах. — Тр. ин-та Науч.-исслед. и проект, ин-т обогащения и механ. обработки полезных ископаемых Минчермета СССР. 1970. вып. 17, с. 328-354.
99. СНиП 11-19-79. Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1980.41 с.
100. Киричек Ю.А., Захваткин М.П., Беркутов В.С- Изучение вибрационного состояния фундаментов дымососов рециркуляции газов энергоблоков 800 МВт. - Энергетик, 1982, №5, с.11-12.
101. Руководство по проектированию фундаментов машин с динамическими нагрузками. - М.: Стройиздат, 1982..
102. Баркан Д.Д. Динамика оснований и фундаментов. - М.: Стройвоенмориздат, 1948,411 с.
103. Савинов О.А. Современные конструкции фундаментов под машины и их ' расчет. — Л.:Стройиздат, 1979. 200 с.
104. Красников Н.Д. Динамические свойства грунтов и методы их определения. Л.: Стройиздат, 1970. 239 с.
105. Экспериментальные исследования динамических свойств грунтового основания с помощью инвентарного виброштампа (Пятецкий В.М., Александров Б.К., Савинов О.А., Захаров С.Т. — Основания, фундаменты и механика грунтов. 1980. № 3, с. 20-22.
106. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. — М.—Л.: Стройиздат, 1964. 285 с.
107. Гольдштейн М.Н., Хаии В.Я., Боголюбчик В.С. Экспериментальные исследования виброползучести песчаного основания. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1974, №1, с. 33-35.
108. Санников А.А. Пути снижения колебаний лесопильного оборудования. - М.: Лесн. пром-сть. 1980. 159 с.
109. Часов Э.И. Усиление фундаментов под машины. - Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978. № 2. с. 9-11.
ПО. Забылин М.И., Игольников В.В. Новый метод укрепления фундаментов под крупные компрессоры. - Основания, фундаменты и механика грунтов. 1977, № 1. с. 10-12.
111. Забылин М.И. Повреждение фундамента под 10-тонный штамповочный молот. -Основания, фундаменты и механика грунтов, 1972, № 5, с. 31-33.
112. Устройство фундаментов под машины с динамическими нагрузками. - Л.: ЛДНТП, 1980. 82 с.
113. Исследование влияния присоединенных плит на вертикальные колебания фундамента / Швец Н.С., Аграновский Г.Г., Седин В.Л., Андрианов И.В. — Изв. вузов. Стр-во н архитектура, 1980. № 6. с. 14—17.
114. Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Материалы 5-й
201
Всесоюз. конф., Ташкент, 1981/Госстрой СССР, АН УзбССР, НИИОСП. - М.: 1981, 368 с.
115. Швец Н.С., Левченко Г.Н. О снижении вибраций фундаментов кузнечных молотов,.- Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1981, № 8. с. 28-30.
116. Алексеев Б.Г., Швец Н.С., Аграновский Г.Г. и др. Исследование совместных колебаний фундаментов, заглубляемых в грунт. - Изв. вузов. Стр-во и архитектура, 1979. № 1, с. 31-34.
117. Седов М.Г., Дмитриев М.И. Совершенствовать стимулирование строителей при реконструкции предприятий. - Пром, стр-во, 1979, № 3. с. 22-24.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................. 3
Глава 1. Оценка необходимости переустройства фундаментов................ 4
1.1. Причины, вызывающие необходимость переустройства фундаментов .. 4
1.2. Виды разрушения фундаментов в процессе эксплуатации........... 8
1.3. Деформации фундаментов при изменении свойств основания....... 11
1.4. Нарушение устойчивости зданий и сооружений на склонах........ 16
1.5. Общая классификация отказов фундаментов...................... 19
Глава 2. Натурные обследования фундаментов и их оснований.............. 22
2.1. Особенности обследования..................................... 22
2.2. Наблюдения за осадками оснований и деформациями зданий и соо-
ружений ..................................................... 25
2.3. Дополнительные инженерно-геологические изыскания............ 33
. 2.4. Методы оценки состояния фундаментов........................ 42
2.5. Оценка основания в условиях действия длительной нагрузки.... 44
Глава 3. Укрепление и усиление оснований............................. 46
3.1. Осушение и дренаж оснований................................. 46
3.2. Закрепление грунтов оснований............................... 54
3.3. Повышение прочности основания............................... 60
Глава 4. Усиление и реконструкция фундаментов мелкого заложения...... 62
4.1. Классификация методов усиления.............................. 62
4.2. Ремонт фундаментов, усиление их обоймами и подведением конструктивных элементов............................................. 64
4.3. Усиление фундаментов в особых условиях...................... 77
4.4. Усиление фундаментов вдавливаемыми сваями................... 82
4.5. Усиление фундаментов буронабивными сваями................... 86
4.6. Применение корневидных свай, опускных колодцев и фундаментов, возводимых способом "стена в грунте”............................. 91
4.7. Усиление гидроизоляции и защита фундаментов в агрессивных средах 97
4.8. Особенности технологии производства работ................... 102
Глава 5. Усиление свайных фундаментов .".............................. 109
5.1. Методы усиления ростверков.................................. 109
5.2. Усиления стволов свай...........'............................ ИЗ
5.3. Усиление кустов свай........................................ 115
Глава 6. Усиление фундаментов башенных сооружений, технологического оборудования и подпорных стен .......................................... 126
6.1. Оценка устойчивости против опрокидывания башенных сооружений .. 126
6.2. Усиление фундаментов сооружений башенного типа.............. 130
6.3. Усиление фундаментов технологического оборудования.......... 136
6.4. Усиление подпорных стен..................................... 1*1
202
Глава 7. Повышение устойчивости сооружений, расположенных ни склоним ... 144
7.1. Проектирование и устройство контрбан кетон .........,,,,,,, 144
7.2. Укрепление склонов с помощью контрфорсов................ , . I4M
7.3. Применение удерживающих конструкций........................ 151
7.4. Применение метода’’стена в грунте”......................... 159
Глава 8. Усиление фундаментов под машины с динамическими нагрузками .... 163
8.1. Особенности обследования фундаментов и оснований при динамических нагрузках . ...............................................163
8.2. Увеличение массы и жесткости фундаментов при их усилении... 168
8.3. Регулирование параметров колебаний при реконструкции фундаментов под машины .................................................. 182
Глава 9. Технико-экономическая оценка способов усиления фундаментов и техника безопасности выполняемых работ .................................. 193
9.1. Выбор способов усиления.................................... 193
9.2. Критерии оценки выбранных способов......................... 194
9.3. Общие правила охраны труда................................- 196
Список литературы.................................................... 198
Виктор Борисович Швец Валентин Иванович Феклин Леонид Константинович Гинзбург
УСИЛЕНИЕ И РЕКОНСТРУКЦИЯ ФУНДАМЕНТОВ
Редакция литературы по инженерному оборудованию
Зав. редакцией И.В. Соболева
Редактор С.И. Погудина
Младший редактор Н.И. Романова
Внешнее оформление художника А. А. Олендского
Технический редактор Н.Н. Аксенова
Корректор Е.р. Герасимюк
Оператор е.В. Кожухова
ИБ N" 3106
Подписано в печать 11.05.85. Т—10925. Формат 60x90/16.
Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Набор машинописный. Печ.л. 12,75. Усл. кр.-отт. 13,0. Уч.-изд.л. 17,01. Тираж 6331. Изд. № АУ1—9653.
Зак. № 2 91 Цена 90 коп.
Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская , 23а
Тульская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
г. Тула, пр. Пенина, 109