Принципы и способы восстановления и усиления фундаментов

Выбор способов ремонта и усиления ленточных и столбчатых фундаментов мелкого заложения зависит от причин, вызывающих необходимость усиления, особенностей конструктивного решения фундаментов, действующих нагрузок, а также от инженерно-геологических условий и степени стесненности рабочей площадки. От принятого способа усиления или ремонта существенным образом зависит организация и технология производства работ.

Основные способы усиления фундаментов мелкого заложения с их краткой характеристикой даны ниже.

Усиление и восстановление кладки фундаментов цементацией. Способ применяется, когда кладка ослаблена по всей толще, а увеличения нагрузки на фундамент нет. Цементация производится путем нагнетания в пустоты фундамента через инъекционные трубы цементного раствора консистенции от 1:1 до 1:2 и более под давлением 0,2…1,0 МПа (рис. 7). Через один инъектор заполняется пространство диаметром 0,6…1,2 м.

Обычно число мест инъекции зависит от степени разрушения кладки фундаментов. Работы по укреплению целесообразно вести захватками длиной 2,0…2,5 м. Иногда для уменьшения расхода раствора боковые поверхности фундамента перед цементацией покрывают цементной штукатуркой.

Ремонт и усиление тела фундаментов материалами на основе полимеров. Способ основан на использовании полимербетонов, полимерных растворов и мастик для заделки трещин в теле фундаментов и инъецирования их внутрь. Для заделки трещин шириной 2 мм и более и раковин глубиной менее 50 мм используются полимеррастворы и полимермастики. Если разрушения более значительны и имеются обнажения арматуры, восстановление выполняют полимербетоном или полимерраствором, нанесением торкретбетона. При наличии пустот, трещин и других дефектов внутри тела для укрепления его используют инъекционное лечение полимерными смесями смол с отвердителями. В связи с высокой стоимостью смол инъекцирование их ограничивается небольшими объемами дефектов.

Усиление фундамента.

Устройство защитных растворных рубашек. Способ применяется при ремонте незначительных наружных повреждений фундаментов. Для этого в кладку в шахматном порядке через 0,5 м заделываются металлические анкеры, к которым прикрепляется арматурная сетка, и затем наносится раствор на крупном песке простым оштукатуриванием или торкретированием. Иногда вместо раствора наносят бетон, применяя пневмонабрызг или укладку в опалубку. Данный способ обычно применяется совместно с другими мерами усиления. Из-за появления трещин в ступенях ленточного фундамента их усилили путем устройства над ступенями продольных железобетонных балок (рис. 8). 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 балок на изгиб. Весь фундамент заключается в железобетонную рубашку, монолитно связанную с балками.

Частичная замена кладки фундамента. Производится при ремонтах со средней степенью разрушения тела фундамента. Способ применяется когда нагрузка на фундамент увеличивается, а несущая способность основания достаточна.

Усиление железобетонных фундаментов обоймами ввиду простоты и надежности устройства получило широкое распространение в практике. Обоймы, устраиваемые без углубления фундамента, могут выполняться как без увеличения площади подошвы, так и с ее уширением. По материалу они могут быть бетонными и железобетонными. Последние более надежны, так как охватывают усиливаемый фундамент, обжимая его при усадке бетона.

Обоймы без увеличения площади подошвы фундаментов устраиваются редко. Их применяют в тех случаях, когда тело фундамента имеет недостаточную прочность, а его подошва и основание находятся в хорошем состоянии.

Обоймы с увеличением площади подошвы фундамента устраиваются в фундаментах мелкого заложения, выполненных из различных кладок, бетона или железобетона. Изготовление обойм возможно как на всю высоту фундамента, так и на часть высоты (рис. 9). Применяют данный способ при необходимости увеличения нагрузки на фундамент и недостаточной несущей способности основания. По этим причинам обоймы достаточно часто используют для усиления бутовых и бутобетонных фундаментов при надстройке или других видах реконструкции зданий старой постройки. Некоторые схемы таких усилений, даны на рис. 10.

Обоймы устраивают как в подвальных, так и бесподвальных зданиях. Возможные схемы усиления обоймой фундаментов и стен подвала приведены на рис. 11.

При необходимости значительного увеличения площадей подошвы применяются более жесткая система разгрузочных балок с устройством подкосов, опирающихся на кладку (рис. 9, в). Для обеспечения жесткости в продольном направлении балки между собой связывают уголками и арматурными стержнями. После обетонирования фундамент имеет повышенную несущую способность. На рис. 11, б приведено подобное решение для сборного ленточного фундамента. Толщина обоймы и требуемая величина уширения подошвы определяются расчетами с учетом повышения расчетной нагрузки в случае реконструкции или снижения несущей способности грунтов при эксплуатации. При необходимости не только уширения подошвы, но и повышения прочности тела стен подвала или колонн обоймы фундаментов и стен делают едиными (рис. 10).

После усиления уширенная часть фундамента начинает воспринимать часть действующей и дополнительной нагрузок. В случаях большого увеличения нагрузок элементы уширения должны быть введены в работу путем предварительного обжатия основания. В настоящее время в практике имеется значительное количество способов обжатия. Для ленточных фундаментов, в частности, может быть применен способ, суть которого заключается в установке с двух сторон фундамента дополнительных железобетонных сборных блоков уширения, нижнюю часть которых стягивают анкерами из арматурной стали, пропущенными сквозь них и существующие фундаменты. Верхняя часть блоков отжимается от поверхности фундаментов клиньями или домкратами. В результате этого блоки поворачиваются вокруг нижней, закрепленной анкерами точки, и подошвой обжимают неуплотненный грунт основания. После обжатия зазор между блоками и фундаментом расклинивается и заполняется бетоном (рис. 12, а).

Известен и другой способ усиления с обжатием основания. Суть его заключается в установке по периметру фундаментов блоков обоймы, которые путем горизонтальных усилий обжатия тяжами вдавливаются в грунт (рис. 12, б). Для облегчения погружения блоков в грунт поверхность контакта блоков и фундамента смазываются антифрикционными материалами. При стягивании тяжей, пропущенных через прижимные щиты, блоки усиления сдавливаются и сползают вниз вдоль фундамента, обжимая тем самым грунт. После обжатия между блоками и поперечными балками, проходящими через стену здания, устанавливаются клинья, а блоки связывают фиксирующей затяжкой.

Рассмотренные способы пригодны в случаях, когда фундамент не имеет консолей. При наличии их применяют, например, способ, схема которого дана на рис. 12, в. В этом случае, с помощью домкратов через заранее уложенные бетонные элементы на грунт основания передается давление, несколько меньшее, чем под подошвой фундамента. Перед снятием домкратов устанавливают распорные клинья, а затем устраивают бетонную обойму

Усиление путем подведения конструктивных элементов под подошву фундаментов. В качестве дополнительных элементов, подводимых под существующие фундаменты, используют плиты, столбы и сплошные стены. Возможные схемы усиления даны на рис. 13.

В случае незначительного увеличения глубины заложения с одновременным уширением подошвы фундамента под нее подводят железобетонные плиты (рис. 13, а). Для этого на участках длиной 1…2 м. грунт под фундаментом откапывают и на месте изготавливают монолитную железобетонную плиту или монтируют сборные железобетонные элементы. После обжатия грунта в основании промежуток между плитой и подошвой фундамента заполняют бетоном, тщательно уплотняя его вибраторами.

Отдельные столбы под фундамент подводят в тех случаях, когда возможна передача нагрузки на более прочный грунт, расположенный на небольшой глубине от подошвы. Столбы располагают по линии или в шахматном порядке на определенном расстоянии друг от друга (рис. 13, б, в).

В случае недостаточной несущей способности основания или при необходимости устройства подвала под фундаменты подводят сплошную стену (рис. 13, г). Иногда стенку выполняют с одновременным увеличением площади подошвы.

При значительном ослаблении тела фундамента и необходимости его заглубления иногда более выгодно сделать разборку старого и построить новый с необходимой глубиной заложения. Для ленточных фундаментов последовательность операций устройства фундаментов приведена на рис. 14. Вначале через стену пропускают разгружающие балки, надежно опирая их на опоры из шпальных клеток или домкраты. Последние более удобны, так как позволяют регулировать положение балок. После передачи нагрузки от стен на опоры старый фундамент разбирается отдельными захватками длиной 2,0…3,5 м и устраивается новый на более глубокой отметке. Между новым фундаментом и стеной для обеспечения их совмесной работы производится инъецирование песчано-цементного раствора под давлением. Затем осуществляется засыпка котлована и демонтаж разгружающих конструкций.

Изменение конструктивного решения фундаментов. В практике используются приемы усиления путем переустройства столбчатых фундаментов в ленточные (рис. 15). Для этого между столбами устраивают железобетонную стену в виде перемычки, нижнюю часть которой подводят под подошву существующего фундамента. Перемычка охватывает также подколонник. В случае незначительного повышения несущей способности перемычка может выполняться с уширенной подошвой. При необходимости устройства подвала перемычку делают на всю высоту столбов.

При значительном увеличении нагрузки столбчатые фундаменты переустраиваются в перекрестно-ленточные и плитные, а ленточные в плитные (рис. 16).

Усиление фундаментов сваями. Сваи применяют для передачи нагрузки от фундаментов на более прочные слои грунта в тех случаях, когда основание имеет высокую деформативность и наблюдаются подземные воды, осложняющие процесс уширения или заглубления фундаментов.

Во всех случаях усиление производят двумя приемами: пересадкой фундамента на выносные сваи или подведением свай под подошву фундамента. Выносные сваи применяют при высоком уровне грунтовых вод, а подводимые при низком. В ленточных фундаментах выносные сваи устраиваются с одной или двух сторон фундамента, в столбчатых фундаментах они располагаются как с двух противоположных сторон, так и по всему периметру (рис. 17). Подводимые под подошву сваи могут устанавливаться в один, несколько рядов или кустами. Головы свай с усиливаемыми фундаментами соединяются ростверками, выполняемыми в виде железобетонных поясов для ленточных фундаментов или железобетонных обойм для столбчатых. Длину свай назначают по расчету в зависимости от характеристик грунтов и нагрузок на фундамент. В практике применяется большое количество способов усиления фундаментов сваями различного конструктивного решения. Некоторые из них рассмотрены ниже.

Усиление набивными и буронабивными сваями. Набивные сваи устраивают погружением в основание обсадочных труб диаметром 250…375 мм с последующим извлечением из них грунта и заполнением их бетоном с трамбованием или уплотнением сжатым воздухом (пневмонабивные сваи). Иногда могут быть использованы набивные сваи, выполняемые по технологии винтового продавливания. Скважины образуются спиралевидными снарядами, при проходке которых грунт не извлекается, а уплотняется. В случае устройства буронабивных свай пробуривают скважины, устанавливают арматурные каркасы и бетонируют ствол.

При усилении столбчатых фундаментов набивными и буронабивными сваями вначале бетонируют сваи. Затем головы свай с арматурными выпусками связывают железобетонной обоймой, выполняемой вокруг существующего фундамента (рис. 18, а). Концы свай должны быть заглублены в прочный грунт. Для усиления могут быть поставлены две, четыре или больше свай, расположенных симметрично.

При усилении ленточных фундаментов выносные сваи размещают параллельными рядами с обеих сторон фундамента. Вынос свай определяется удобством расположения бурового оборудования. В случаях усиления выносными сваями фундаментов из бутовой кладки в них на требуемой высоте устраивают штрабы, в которые монтируют металлические продольные балки (рандбалки). Под продольными балками устанавливают поперечные металлические балки. Шаг балок 2,0…3,5 м. После установки балок по верху свай бетонируется ленточный ростверк. Для обеспечения совместной работы фундамента и установленных свай производят расклинивание промежутка между ростверком и поперечными балками. Схема такого решения приведена на рис. 18, б.

В сборных ленточных фундаментах может использоваться вариант, схема которого приведена на рис. 18, в. При этом в стене фундамента отверстия не пробивают, а поперечные железобетонные балки изготавливают на месте, объединяя их арматурными стержнями, пропускаемыми через горизонтальные швы кладки. Балки работают совместно со стеной за счет сил трения и сцепления.

Усиление вдавливаемыми сваями. В настоящее время накоплен большой опыт повышения несущей способности фундаментов вдавливаемыми сваями. Сваи могут быть как цельными, так и составными из отдельных элементов. Этот способ имеет целый ряд преимуществ: отсутствие динамических и вибрационных воздействий на здание при устройстве усиления, нет необходимости в усиленном армировании ствола сваи, высокая точность установки свай, минимальное загрязнение окружающей среды и незначительные энергозатраты при устройстве.

Ленточные фундаменты можно усиливать с помощью выносных вдавливаемых свай из трубчатых элементов длиной 0,8…1,2 м, располагаемых попарно с двух сторон стены, схема подобного усиления приведена на рис. 19, а. Сваи погружают домкратами, усилия от которых передаются на железобетонные балки, изготавливаемые совместно со сплошным железобетонным поясом, который затем омоноличивается со сваями. Вдавливание свай осуществляется одновременно с двух сторон стены. Трубчатые элементы по мере вдавливания стыкуются между собой с помощью сварки. После вдавливания, демонтажа домкратов и упорных балок заполняются полости свай бетоном, устанавливаются арматура и опалубка оголовок свай и через отверстия в балке производится их бетонирование. В ряде случаев под ленточные фундаменты сваи можно подводить в один ряд. Работы выполняют из шурфов, откопанных до подошвы или ниже подошвы фундаментов (рис. 19, б).

Для передачи нагрузки на сваю между домкратом и сваей устанавливается распределительная подушка. Чтобы не снимать домкрата после каждого вдавливания, его приваривают к подушке. После вдавливания звена поршень домкрата поднимают вверх и сваю наращивают очередным звеном. При вдавливании необходимого количества звеньев сваю закрепляют с помощью уголков и клиньев, убирают домкрат и заполняют полость трубы бетоном, а шурф – бутобетоном.

В строительной практике часто используют составные вдавливаемые железобетонные сваи «Мега». Сваи состоят из трех типов секций; головной, рядовых и нижней (рис. 20). Сначала отрывают шурф ниже подошвы фундамента и устанавливают нижнюю секцию. Затем на нее прикрепляют головную секцию и сверху ставят домкрат, упирающийся в специальный распределительный элемент. После вдавливания нижней секции домкрат демонтируют, снимают головную секцию, устанавливают рядовую секцию, затем головную и монтируют снова домкрат. После вдавливания установленной рядовой секции операцию повторяют до тех пор, пока конец сваи не достигнет проектной отметки. На последнем этапе промежуток между распределительным элементом и сваей расклинивают и заполняют бетоном. В случае передачи больших нагрузок сваи «Мега» делают выносными в два ряда (рис. 20, б). При этом они связываются поперечными железобетонными балками.

Усиление фундамента буроинъекционными сваями позволяет производить работу без разработки котлованов, обнажения тела фундаментов и нарушения структуры грунта основания. Сущность этого способа заключается в устройстве под фундаментом жестких корневидных свай, передающих большую часть нагрузки на более плотные слои грунта. Сваи выполняют вертикальными или наклонными с помощью установок вращательного бурения, позволяющих пробуривать скважины через расположенные выше стены и фундаменты.

В скважины устанавливают арматурные каркасы и через инъекционные трубы нагнетают цементно-песчаный раствор или мелкозернистый бетон. Отличительной особенностью данного типа свай является их малый диаметр (127…190 мм) и относительно большое по сравнению к диаметру заглубление (более 100). Наибольшее распространение буроинъекционные сваи получили при усилении оснований и фундаментов реконструируемых и реставрируемых зданий. Сваи имеют значительную прочность на растяжение, поэтому их иногда используют в качестве анкеров в конструкциях, подверженных воздействию горизонтальных сил. Некоторые схемы усилений буроинъекционными сваями приведены на рис. 21.

Усиление фундамента способом «стена в грунте».

Способ применяют при усилении фундаментов, расположенных вблизи фундаментов других зданий, на стесненной площадке, в сложных грунтовых условиях и т.п. Конструктивные решения усиления (глубокими стенами или прямоугольными столбами) зависят от причин усиления грунтовых условий, величины и характера нагрузок на фундамент, а также ряда других факторов. Например, при устройстве глубоких выемок или подвалов вблизи существующего фундамента, усиление производится глубокими стенами, возводимыми между выемкой и фундаментом (рис. 22, а). При этом повышение устойчивости стены достигается устройством анкерных креплений. Увеличение несущей способности столбчатых фундаментов может обеспечиваться возведением вокруг них глубоких стен или столбов прямоугольного сечения с двух- или четырехсторонним расположением (рис. 22 б, в), а иногда в виде замкнутого короба (рис. 22, г). Стены и столбы объединяются с фундаментом железобетонной обоймой. При необходимости для одновременного увеличения устойчивости основания и усиления фундамента устраивают параллельные глубокие стены, объединенные стенами-перемычками меньшей глубины (рис. 22, д). За счет заключения в жесткую обойму при таком решении значительно повышается устойчивость основания и одновременно происходит усиление фундамента.

Иногда усиление фундаментов производят комбинированными способами, одновременно устраивая «стены в грунте» и сваи, а также применяя различные способы закрепления грунтов и оснований.

Усиление фундамента опускными колодцами позволяет повысить несущую способность за счет заключения грунта основания в жесткую обойму. Колодец (круглый или прямоугольный в плане) опускают по мере выемки грунта по наружному периметру его стен. При этом основание фундамента сохраняется ненарушенным и заключается в обойму (рис. 23). Размеры колодца в плане и его глубина определяются расчетом, при этом грунт внутри колодца рассматривается как тело в жесткой обойме.

При усилении ростверков в случае большой степени их износа устраивают железобетонные обоймы. Возможная схема обоймы дана на рис. 24, а. Арматура обоймы должна быть замкнутой по периметру ростверка.

По возможности ее следует делать предварительно напряженной. В случае оплывающих грунтов и наличия большого количества воды усиление фундамента производят с применением способа «стена в грунте» (рис. 24, б). Иногда под ростверк подводят дополнительные железобетонные ленты, усиливая тем самым ростверк и верхние участки свай (рис. 24, в).

Усиление свайного фундамента в случае недостаточной несущей способности можно выполнять задавливанием дополнительных свай или наращиванием существующих свай дополнительными секциями. Чаще всего устраивают дополнительные выносные сваи. Пример последнего дан на рис. 25.