Усиление основания и фундамента

Закрепление грунтов. Это технически сложный метод проведения ремонтных работ, заключающийся в упрочнении грунтов, при котором между частицами грунта искусственным путём создают дополнительные связи, обеспечивающие повышение прочности грунта и уменьшение его сжимаемости. Инъецированный метод предусматривает нагнетание различных растворов — отвердителей. Ук­репление грунтов рекомендуется производить следующими методами: силикатизацией, цементацией, битумизацией и смолизацией.

Силикатизацию применяют для закрепления крупнозернистых и мелкозернистых песков с коэффициентом фильтрации 0,0023 — 0,092 см/с. В грунт нагнетают поочередно раствор жидкого стекла и хлористого кальция. Этот метод дорогостоящий и трудоемкий, но обеспечивает высокую прочность грунта. При мелкозернистых и пылеватых песках с коэффициентом фильтрации 0,0006 — 0,006 см/с в грунт нагнетают раствор из жидкого стекла и фосфорной кислоты либо из жидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Битумизация. Сухие песчаные и скальные грунты можно укреплять методом битумизации, подавая в трещины через пробуренные скважины горячий битум специальными инъекторами. Холодную битумизацию грунтов выполняют битумной эмульсией с коагулянтом для устройства противофильтрационных завес в песчаных грунтах с коэффициентами фильтрации 0,012 — 0,12 см/с.

Цементацию применяют для закрепления рыхлых средне- и крупнозернистых песков, а также карстовых пустот. Этот метод состоит в том, что в грунт под давлением через пробуренные скважины нагнетают цементный раствор бетона марки 400 и выше (водоцементное отношение 0,4:10). Для цементации карстовых пустот в раствор добавляют песок и другие инертные заполнители.

Смолизация. В песчаный грунт через инъектор нагнетают раствор из карбамидной смолы и соляной кислоты. Гель, который возникает при взаимодействии растворов, заполняет поры в песке и склеивает частицы песка между собой. В связи с высокой стоимостью карбамидных смол этот способ применяют в исключительных случаях.

Укрепление фундаментов. Укрепление бетонными обоймами целесообразно производить в малоэтажных (3 — 4 этажа) зданиях без подвала фундамент под дом из бутовой безрастворной кладки с боль­шими щелями между отдельными камнями, заполненными грунтом или слабым раствором, имеющие незначительные напряжения и не требующие выполнения большого объема земляных работ (рис.2). Для кладки, выполненной из кирпича, бетонную обойму не приме­няют

Рис 2. Усиление наружных фундаментов: 1— трубки для нагнетания цементного раствора, 2— бетон

Перед началом работ швы очищают от грунта и слабого раствора и продувают сжатым воздухом. В бетонных обоймах используют бетон класса В12.5 с мелким гравием, хорошо подвижный.Уплотнение бетонной смеси производят игловибратором или простым штыкованием. Укрепление фундаментов допускается проводить отдельными участками длиной 1,5—2 м, что исключает нарушение устойчивости слабой безрастворной кладки фундаментов. Работы выполняют одновременно на 2 — 3 захватках.

Укрепление фундамента железобетонными обоймами с последующим инъекцированием раствора — наиболее эффективный способ ремонта ослабленных бутовых фундаментов, предотвращающий дальнейшее разрушение кладки и обеспечивающий снижение напряжения в грунте под их подошвой. В зависимости от конструктивных особенностей здания возможно одно- и двухстороннее усиление. Одностороннее усиление обычно устраивают в зданиях без подвала.
Работы выполняют в следующем порядке. Сначала открывают траншею шириной 0,8 — 1 м вдоль здания в зоне разрушения фундамента. Длина траншеи не должна превышать 6 м. Очищают поверхность кладки фундаментов от грязи и слабого раствора, разбирающийся от руки камень удаляют. Очищенную поверхность кладки промывают цементным молоком. Не допускается промывка поверхности фундамента водой под напором, что может привести к вымыванию раствора и интенсивному разрушению кладки. Дальнейшие работы по укреплению кладки можно производить после ее просушки. В швы кладки забивают металлические штыри из стали длиной 40 — 50 см, к которым приваривают арматурный каркас.

Его выполняют из стали класса А240C диаметром 18—20 мм и размером ячеек 150×150 мм. Затем в пустоты кладки устанавливают в шахмат­ном порядке инъекционные трубки на расстоянии 50 —60 см друг от друга с обязательной заделкой их цементным раствором (противо­положные концы трубок выводят выше отметки верха обоймы на 40 — 50 см), монтируют опалубку, заливают пространство пластичной бетонной смесью. Конструктивно толщину железобетонной обоймы принимают не менее 150 мм. Бетонирование производят по высоте в  2 — 3 приема с интервалами между ними не менее 2 сут.

После окончания работ по устройству обоймы в установленные инъекционные трубки под давлением нагнетают цементный раствор консистенции 1:1 — 1 : 15. Для изготовления раствора применяют портландцемент марки 400 и выше. Сначала подают раствор с меньшим содержанием цемента, затем раствор более густой консистенции, который заполняет пространство вокруг инъектора, образуя прочный столб диаметром 60—100 мм. Ориентировочный расход раствора, необходимого для полного закрепления кладки фундаментов, составляет 25—35% их объема.

После выполнения работ срезают верхние части инъекционных трубок, разбирают опалубку, заполняют пазухи фундамента гли­нистым грунтом, тщательно послойно его трамбуя. В последнюю очередь производят восстановление отмостки.

Рассмотренный метод укрепления фундаментов следует приме­нять для особо ценных зданий со значительными остаточными сроками эксплуатации.

Укрепление кладки фундаментов цементацией. Цементный раствор консистенции 1:1 — 1 : 15 нагнетают в фундамент через предварительно установленные инъекторы. Их погружают в заранее устроенные отверстия, диаметр которых должен быть на 3 — 5 мм больше диаметра наконечника инъектора, а длина отверстия назначается проектом. Перед нагнетанием цементного раствора производят промывку скважин водой под напором до полного ее осветления. Цементация считается законченной, если в течение 10 — 20 мин не происходит поглощение раствора предельной консистенции при максимальном давлении 0,3 МПа.
Замена кладки фундаментов. Частичную замену кладки на по­ловину ее толщины выполняют на участке длиной не более 2,5 м. Для этого отрывают траншею шириной 0,8— 1 м, глубиной 0,5 м выше подошвы фундамента и разбирают ослабленный участок кладки. Оставшуюся кладку промывают цементным молоком и сверху делают новую кладку с плотным прилеганием к старой и заполнением швов раствором.

Полную (на всю толщину) замену фундаментов произведет отдельными участками. До перекладки в кирпичные стены устанавливают по расчету цельные разгружающие стальные балки, которые стягивают болтами между собой. Болты устанавливают через 0,8-1м по длине. Разборку и перекладку допускается производить поочередно отдельными участками длиной не более 1 м.

Укрепление деревянных свайных фундаментов. Технически сложные и трудоемкие ремонтно-восстановительные работы, предусматривающие замену пораженных участков свай на бетонные, применяют при необходимости сохранения наиболее ценных зданий — памятников истории, архитектуры и культуры. Работы выполняют на захватках протяжённостью 1,2—1,5 м в такой последовательности. Вначале в установленной очередностью на всю глубину отрывают фундаменты с обязательным креплением откосов колодца. Глубине колодца равняется высоте срезки поврежденных свай плюс 0.5 м. Затем вырезают пораженные разрушителями деревянные элементы свайного фундамента. Допускается одновременно срезать не более четырёх свай без предварительного «вывешивания» стен здания разгружающей системой, состоящей из металлических балок, установленных в толще кирпичных стен. После этого монтируют опалубку и междуопалубочное пространство заполняют пластичным бетоном класса В 12,5, а верхнюю часть (0,4 — 0,5 м) — литым бетоном, обеспечивающим стык вновь устраиваемого бетонного раствора с кладкой подземной части здания. Укладка литого бетона ведётся под напором 40 — 50 см.

Усиление фундаментов. Подводка фундаментов — наиболее сложная работа по усилению фундаментов с изменением глубины заложения и применяется при необходимости передачи нагрузки от здания на более прочные грунты (рис. З). Подводку фундаментов рекомендуется производить при наличии в основании здания небольших по мощности насыпных грунтов, обжатие котрых вызывает их длительную неравномерную осадку. Подводку производят отдельными столбами из бетона размером 1 — 1,5 м. В нижней части применяют бетон пластичный класса В 12,5, а в верхней части на высоте 20 — 30 см под напором в 50 см укладывают литой бетон, который обеспечивает надежное соединение вновь подводимого фундамента с существующим.

Рис. 3. Подводка фундамента: 1 насыпанный грунт, 2— слабая кладка, 3— бетон, 4 — естественный грунт

Работы выполняют в следующем порядке. Зону фундаментов, подлежащую усилению, разбивают на отдельные участки по 1,2 — 1,5 м и устанавливают очередность выполнения работ, заклю­чающуюся в том, что одновременно работы могут производиться на участках, отдаленных друг от друга, что исключает перенапряжение оснований. Участок, на котором выполняют работы, должен нахо­диться на расстоянии не менее 4 м от того места, где были произведены работы и бетон приобрел необходимую прочность. Подводку фундаментов начинают с наиболее ослабленных участков. В зоне слабых стен понизу в предварительно пробитые штрабы с двух сторон на цементном растворе устанавливают стальные балки. Пробивку штраб и установку разгружающих балок производят пооче­редно сначала с одной стороны, затем с другой, после надежного включения в работу балок путем тщательного расклинивания зазора между верхом балки и кладкой стальными пластинами и зачеканкой полусухим цементным раствором 1 : 1 или 1 : 2. Разгружающие стальные балки стягивают между собой болтами, установленными через 0,8—1 м. Затем в соответствии с очередностью, отрывают на требуемую глубину колодец (рис.4), выбирают часть грунта под подошвой фундамента для установки временного крепления фун­даментов на время производства работ, устанавливают элементы крепления, вынимают грунт до проектной отметки, устанавливают опалубку, закладывают фундамент. При достижении бетоном необ­ходимой прочности снимают опалубку, крепление, и с послойной утрамбовкой засыпают траншею. В такой же последовательности выполняют работы и на последующих участках.

Рис 4. Отрытие колодца при подводке фундаментов: 1 – существующий фундамент; 2 – распорки; 3 – доски крепления, 4 – новая отметка заложения фундаментов; 5 – стойки

Увеличение ширины подошвы фундамента. Изменение назначения и этажности здания, а также конструктивной схемы перекрытий нередко приводит к необходимости уширения подошвы фундаментов.

Прочность сопряжения новой кладки со старой проверяют на срез по неперевязанному шву, используя неравенство

N ≤ F Rср,

где N — нагрузка на уширяемую часть фундамента ,Н; F – площадь сопряжения новой и старой кладки, hl, м2 ( l – расчётная длина фундамента, м;) ;Ь — высота новой кладки, м); Rср — расчётное сопротивление «на срез» по неперевязанному шву.

Особое внимание следует уделять фундаментам точечных опор (колонн и столбов), имеющих, как правило, незначительное заглубление, для которых рекомендуется вокруг колонн или столбов устраивать железобетонную обойму с самостоятельной базой (рис.5).
Фундаменты старых зданий, в большинстве случаев выполненные из бутовых камней, относятся к жестким фундаментам с углом жесткости 300, поэтому выбор конструкции уширяемой части находится в зависимости от ее размера. При жесткой конструкции фундамента выполняют неармированную кладку, при гибкой конструкции — армированную.
Жесткую конструкцию уширения фундаментов используют при вписывании уширяемой части в зону, ограниченную толщиной стены и плоскостями, наклоненными под углами жесткости. При превышении уширенной частью зоны ограничения реакция грунтавызовет изгиб фундамента, а следовательно, и растяжение кладки, а также её разрушение по сечению, превышающее ограничение зоны. Избежать разрушения кладки можно, либо увеличивая глубину заложения фундаментов до параметра, определяющегося углом жёсткости, либо введением в сечение гибкой арматуры (рис. 6, 7). Наиболее надежен метод уширения подошвы фундаментов с увеличением глубины заложения на величину, определяемую углом жёсткости, который применяют при увеличении ширины подошвы ленточных фундаментов. Отдельно стоящие фундаменты под колонны и столбы расширяют введением в сечение гибкой или жесткой арматуры. Но применение этого метода не дает нужного эффекта, как для включения в работу участков уширения необходима дальнейшая осадка фундамента, что приведет к возникновению реакции σΔ.Чем больше осадок Δh, тем большими будут реакции σΔ. В то же время чем больше осадки Δh, тем больше грунты приближаются к состоянию разрушения.

Рис. 5. Усиление фундаментов колонн: 1 — оголовок колонны, в который должна упираться обойма усиления, 2— обойма колонны, 3— обойма фундамента, 4 — бетонная подготовка

Рис. 6. Уширение фундамента без заглубления

Рис. 7. Уширение фундамента с заглублением

Рис. 6. Уширение фундамента без заглубления

<!–[if !vml]–><!–[endif]–>

Рис. 7. Уширение фундамента с заглублением

Разгрузка фундаментов. Работам по укреплению или усилению фундаментов должны предшествовать мероприятия по их разгрузке, обеспечивающие устойчивость здания. Бывает временная и постоянная разгрузка фундаментов. Временная частичная разгрузка фундаментов достигается устройством отдельно стоящих, временно установленных по этажам разгружающих систем, состоящих стоек, прогонов и раскосов, либо разборкой перекрытий, находящихся в  неудовлетворительном состоянии. Временная полная разгрузка фундаментов осуществляется вывешиванием стены на поперечные балки. Постоянная разгрузка фундаментов происходит при введении между капитальными стенами дополнительных или точечных опор  (колонн, столбов), а также самостоятельных стен, воспринимающий часть нагрузки от перекрытий.

Частичная разгрузка. Временную разгружающую систему (рис. 8) применяют при необходимости укрепления (усиления) фундаментов без разборки перекрытий. В подвале или на первом этаже здания на расстоянии 1,5 м от стены вскрывают полы, тщательно утрамбовывают грунт со щебнем, укладывают постель из деревянных брусьев сечением 14 х 14 см в два ряда перпендикулярно друг другу по верху постели с шагом 1,5 — 2 м, в местах установки стоек укладывают опорный брус того же сечения. По верху стоек устанавливают перпендикулярно балкам перекрытия верхний развязочный брус, скрепленный со стойками скобами диаметром 12—14 мм. Стойки совместно с верхним брусом монтируют на опорные брусы и включают в работу, забив клинья из древесины твердых пород между стойками и опорным брусом, и благодаря этому снимают большую часть нагрузки от перекрытия на стены. Стойки через один пролет соединяют крестовыми связями. Установив разгружающую систему для перекрытия подвального (первого) этажа, приступают к устройству разгружающей системы последующих этажей, располагая их строго по вертикали. Основанием для разгружающей системы вышележащего этажа будет служить нижний брус, уложенный перпендикулярно направлению балок перекрытия.

Рис. 8. Разгрузка фундаментов и стен:
1 – временное основание, 2- стойка, 3- прогоны, 4- клинья

Полная разборка перекрытий. Она применяется при неудовлетворительном их состоянии. Разборку производят сверху вниз, а при наличии дефектов фундаментов либо стен с обязательным сохране­нием балок перекрытий, обеспечивающих надежную устойчивость стен по этажам.

Постоянная разгружающая система (рис. 9) состоит из про­гонов и стальных колонн или кирпичных столбов. Ее применяют при необходимости увеличения несущей способности существующих перекрытий. Эта система является основной в практике проектирования капитального ремонта, хотя имеет существенный недостаток, ограничивающий возможность ее применения, сущность которого заключается в том, что вновь вводимые точечные опоры имеют определенные просадки относительно существующих конструкций со стабилизирующимися осадками, которые не должны превышать величины, равной максимально допустимому прогибу существую­щих балок перекрытий в месте расположения разгружающей сис­темы:

Δh<fmax

где fmax — максимально допустимый прогиб существующих балок в точке установки разгружающей системы, см.

Рис.9. Схема совместной работы разгружающей системы с существующими балками перекрытий:

1 — проектируемая разгружающая система, 2 — зона сверхнормативных прогибов, f1, 3 —зона нормативных прогибов f2