Усиление фундаментов и основанийПодводка фундаментов — один из наиболее известных и достаточно часто применяемых способов укрепления зданий, заключающийся в увеличении площади подошвы и заглублении фундамента методом частичной или полной замены старой фундаментной кладки. Подводка ленточных фундаментов выполняется участками («захватками»), длина которых зависит от прочности вышележащей кладки (стен, цоколя, фундаментов), наличия в ней проемов, трещин, а также от глубины заложения фундаментов. Сравнительно короткие захватки 1,5— 2 м под глухими стенами, допускающими перенос давления, выполняются обычно без крепления. При подводке фундаментов в сложных условиях (большая глубина, осыпающаяся кладка, сосредоточенная нагрузка) применяется временное крепление захватки в виде стоек, поперечных или продольных рам, распределительных балок и т.д. (рис. 74).
Конструкция временного крепления должна учитывать возможность размещения армокаркасов и опалубки, а также перестановки или демонтажа. Подводимая часть фундамента выполняется обычно из монолитного бетона или железобетона, иногда применяется бутовая кладка. Порядок раскрытия и бетонирования захваток назначается из условия, что каждая раскрываемая и бетонируемая захватка — под защитой смежного участка. Деревянные стойки, балки и торцевая опалубка извлекаются по окончании бетонирования захватки. Металлическое крепление иногда замоноличивается в бетоне. В этом случае снижается опасность деформаций, вызываемых, например, усадкой бетона или местными неучтенными нагрузками. Усадочные зазоры чеканятся и инъецируются. Значительную сложность представляет подводка фундаментов под отдельно стоящие столбы, пилоны, нагруженные простенки и т.п. Порядок раскрытия захваток в этом случае должен исключить длительное внецентренное обжатие кладки и основания. Усиливаемые столбы и простенки должны быть максимально разгружены (см. рис. 74). Подводкой фундаментов укреплены Успенский собор в Рязани, собор Рождества Богородицы и крепостные стены Пафнутьев-Боровского монастыря, многие памятники Кирилло-Белозерского монастыря и др. Условиями для оптимального применения данного- способа считают: значительную протяженность укрепляемых конструкций; ленточный характер фундамента и отсутствие сосредоточенной нагрузки на него; монолитность укрепляемых стен и фундаментов, регулярную кладку (из кирпича или белого камня), отсутствие или небольшое количество низкорасположенных проемов и трещин; небольшое заглубление подводимых фундаментов (до 2—2,5 м); низкое стояние грунтовых вод; достаточную несущую способность грунтов основания — не меньше 0,15 МПа. Важным условием становится и тщательность производства работ, так как даже при незначительном отступлении от технологии могут возобновиться старые деформационные процессы или даже возникнуть новые просадки с трещинообразованием. Необходимость подводки фундаментов под столбы и пилоны должна быть вообще особо аргументирована. Метод становится нерационален или невозможен: при глубоком заложении фундаментов, требующем большого объема земляных работ и особого крепления котлована; при малой высоте или большой ширине подводимого фундамента; при валунной, рыхлой, осыпающейся кладке укрепляемых фундаментов и стен; в аварийных ситуациях, под наклоненными или неустойчивыми стенами и столбами, не имеющими крепления; при высоком уровне грунтовых вод. Усиление фундаментов с помощью обойм. В тех случаях, когда подводка фундаментов затруднена или существует опасность новых просадочных деформаций (при малоквалифицированном неконтролируемом производстве), существующие фундаменты могут быть усилены и расширены с помощью боковых прикладок в виде отдельных бетонных блоков, лент или обойм. Дополнительные прикладки или обоймы рассчитываются либо на избыточную часть нагрузки (по несущей способности основания), либо на восприятие полной нагрузки, что подразумевает соответствующий контакт между фундаментной кладкой и бетонной конструкцией. Способ соединения старой и новой частей фундамента зависит от величины передаваемой нагрузки, площади контакта, характера старой кладки и др. Если, к примеру, функции обойм планируются умеренными (до 30% общего давления), а древний фундамент сложен из валунов и бута, то для надежной передачи нагрузки может быть достаточно простого сцеплениия бетона с неровностями кладки. При плотных белокаменных или кирпичных фундаментах используются шпоночные соединения с обоймой в виде бетонного «зуба», поперечных металлических балок или арматурных стержней. Размер «зуба» рассчитывается на отпор грунта по скалыванию менее прочного из соединяемых материалов, а длина и число металлических шпонок — по смятию материала фундамента. Помимо сдвигающего усилия шпоночные соединения испытывают и растягивающие усилия, которые тем выше, чем больше площадь опирания обойм и чем меньше их высота. (Несложный расчет показывает, что только для удержания от поворота обоймы, показанной на рис. 75, при планируемом отпоре грунта 0,1 МПа требуется погасить от 50 до 100 кН растягивающих усилий на каждом метре.) Сложность сквозного поперечного армирования фундаментов, анкеровки арматуры и защиты ее от коррозии не позволяет считать широкие обоймы рациональными и длительно надежными конструкциями.
Наилучшие результаты дают узкие двухветвевые обоймы или одинарные обоймы, замкнутые по ограниченному контуру и не испытывающие крутящего момента. При необходимости значительно увеличить площадь опирания фундамента могут быть рекомендованы перекрестные обоймы, в которых отпор грунта нагружает и «свободные», не связанные с фундаментами элементы. Системы перекрестных обойм разработаны для укрепления ряда памятников Новгорода (Знаменского собора 1682 г., Спасской башни кремля 1485 г.). В Москве данный способ успешно применен для усиления надвратной церкви Даниловского монастыря (реставрация 1983—-1985 гг.). В свое время здание, имевшее неравномерную просадочную деформацию объема, было разобрано до половины высоты. Масса надстраиваемой части— около 350 т требовала увеличить площадь фундаментов приблизительно на 30%, что было достигнуто устройством двух незамкнутых одинарных железобетонных обойм, врезанных в фундаменты центральных пилонов и соединенных тремя мощными связевыми балками. Балки рассчитаны на реактивное давление (отпор) грунта, создаваемое концевыми нагрузками. Следует остановиться на особой разновидности ленточных и замкнутых фундаментных обойм, разгружающих слабые, перегруженные участки основания и передающих избыточное давление на устойчивые зоны. Такие обоймы, выполняющие функции рандбалок, использованы для разгрузки основания под центральными столбами Благовещенского собора в Нижнем Новгороде. В сочетании с системой подземных контрфорсов обойма «подхват» применена для разгрузки фундамента Новобратского корпуса в Соловецком монастыре. В некоторых случаях конструкция обойм позволяет использовать их в качестве ростверков свайных фундаментов. Сваи могут быть установлены либо заранее, до бетонирования ростверка, либо во вторую очередь, когда обойма уже существует и возникает необходимость ее усиления (см. свайные фундаменты). Замкнутые железобетонные обоймы могут быть использованы и как сугубо стяжные конструкции в качестве: профилактических бандажей, препятствующих независимому перемещению деформационных блоков разорванных трещинами зданий; подземных антисейсмических поясов; защитных «рубашек», «ящиков» и т.д. для слабых, деструктированных фундаментов и археологической кладки, такие «рубашки» иногда сочетаются с инъецированием разрушенной кладки или устройством распределительных бетонных плит или стяжки по верхнему обрезу (северная галерея Троицкого собора Астраханского кремля, павильон «Грот» усадьбы Кусково). При всем различии конструкций и назначении обойм они обладают одним общим свойством — не нарушают сложившегося контакта между подошвой фундамента и основанием. Свайные и комбинированные способы усиления фундаментов. Интересным видом укрепления кладки стен и фундаментов, а также грунта основания можно считать их армирование так называемыми «корневидными», или буроинъекционными сваями. Буроинъекционные сваи, разработанные более 30 лет назад итальянской фирмой «Фондедиле», успешно применяются для укрепления объемов архитектурных памятников и современных зданий при их деформациях, просадках, увеличении нагрузок. Корневидными сваями укрепляют также подпорные стены, набережные, оползни, откосы и стенки глубоких выработок. Буроинъекционная свая представляет собой шпур диаметром 75—150 мм, армированный 1—3 стержнями и заполненный под давлением 2—4 атм. цементно-песчаным раствором. Бурение производится электрическими станками вращательного бурения на глубину 10—30 м и более под любым углом к вертикали. Бурение каменных стен и фундаментов производится шарошечным долотом, меры предосторожности при бурении рыхлых, неустойчивых кладок приблизительно те же, что и при сверлении шпуров анкерного крепления; при проходке грунтов основания используются обсадные трубы. Избыточное давление, создаваемое при опрессовке сваи, позволяет заполнить раствором не только ствол сваи, но и пересекаемые им пустоты, раковины, трещины и пустые швы. Таким образом, заполнение сваи, пробуренной через кладку цоколя или фундамента, способствует замоноличиванию и укреплению этой кладки. В зависимости от габаритов укрепляемого сооружения, вида нагрузки и деформации буроинъекционные сваи могут быть применены как жесткие сжатые, сжато-изгибаемые и растянутые стержни. Возможные варианты расположения свай показаны на рис. 76.
Буроинъекционные сваи хорошо сочетаются с косвенным армированием кладки, железобетонными обоймами и другими скрытыми и открытыми конструкциями укрепления. Одно из основных достоинств буроинъекционных свай — их «лояльность» к сложившейся статике (система «памятник—среда»). Несущая способность буроинъекци-онной сваи зависит от ее рабочей схемы (свая—стойка или висячая свая), геологии участка, качества заполнения и опрессовки. Например, интервал «возможностей» сваи диаметром 152 мм и длиной около 10 м может составлять от 50 до 250 кН. Предварительно рассчитанная несущая способность сваи проверяется контрольными испытаниями. Применение буроинъекционных свай нерационально в следующих случаях: при укреплении валунных фундаментов, так как бурение затруднено, а «заделка» сваи в теле фундамента (как и его инъецирование) осуществляется некачественно из-за несоответствия физико-механических свойств нагнетаемого раствора и непористого материала валунов; при укреплении археологических руин или других конструкций из слабого, осыпающегося материала, не выдерживающего динамику бурения; при неблагоприятной геологии участка и необходимости чрезвычайно глубокого бурения. Ростверки с применением буронабивных свай. Буронабивные сваи могут применяться для создания фундаментных конструкций, частично дублирующих старые фундаменты или полностью их разгружающих. Конструкция сваи образуется при заполнении бетоном специально пробуренной в грунте (и армированной сварным каркасом) скважины диаметром более 200 мм. В отличие от корневидных свай буронабивные проходят только через грунт и только снаружи здания на расстоянии не менее 1—1,5 м от линии укрепляемых стен. Передача нагрузки на вынесенный свайный фундамент осуществляется с помощью поперечных балочных конструкций, которые тем сложнее и протяженней, чем шире расставлены оси свай. Способ применим, таким образом, к сооружениям относительно небольшой ширины (до 6 м): крепостным стенам, пилонам, столбам, контрфорсам, малым башням и колокольням, узким зданиям (рис. 77).
Ограничивающим фактором служит и определенная сложность при проходке ригеля (под фундаментом и сквозь фундамент) и размещении буровых машин. Предпосылкой к применению способа может стать очень большая линейная (или сосредоточенная) нагрузка на фундамент в сочетании с плохой геологией участка. В проекте укрепления аварийного участка прясла Новгородского кремля (между Спасской и Княжей башнями) использованы буронабивные сваи-стойки диаметром 400 мм, длиной 8 м, заложение по обе стороны стены группами по четыре сваи и объединенные мощным (2x1,5 м) железобетонным ригелем в уровне существующих фундаментов. Длина балок между внутренними рядами свай около 6,5 м, шаг 7—7,5 м, полная нагрузка на сваю около 400 кН. Необходимость укрепления прясла была вызвана его нарастающими просадками и креном вследствие изменения гидрорежима участка и разрушения (гниения) древнего бревенчатого ядра кремлевского вала. При выборе варианта проекта было учтено то обстоятельство, что устройство «плавающих» ленточных фундаментов или висячих свай не гарантирует от новых просадок при разрушении органики основания; инъекционные же способы укрепления были отвергнуты как исключающие возможность археологических изысканий в этой части кремля. Вдавливаемые сваи, как и буронабивные, используются при необходимости восприятия очень больших нагрузок укрепляемого сооружения при неблагоприятной геологии участка. Метод задав-ливания свай состоит в погружении свай под фундаменты или стены здания с помощью домкрата, упирающегося через распределительную траверсу в кладку фундамента. Вдавливающей сваю нагрузкой служит, таким образом, масса здания. Максимальное усилие, развиваемое домкратом, должно соответствовать состоянию равновесия между несущей способностью сваи (по материалу сваи и грунту) и приходящейся на нее нагрузкой. Вдавливаемые сваи представляют собой металлические или железобетонные секционные конструкции, наращиваемые по мере погружения секций. Домкрат крепится (подвешивается) к траверсе (наддомкратной балке), которая заделывается концами в кладку смежных участков (рис. 78).
Размеры траверсы, конструкция и шаг свай зависят от мощности используемого домкрата и состояния нагружающей конструкции. Так, при укреплении Потешного и Большого Кремлевского дворцов в Москве по проекту Э.М. Генделя использовался 350-тонный домкрат для задавливания металлических трубчатых свай диаметром 351 мм с шагом 2—3 м). В отличие от описанных выше способов укрепления фундаментов, являющихся медленными или профилактическими в отношении передачи нагрузок, задавливание свай представляет активный процесс передачи нагрузки, влияющий на статику здания и состояние его конструкций уже при производстве работ. Именно вследствие своей активности метод задавливания свай требует особо строгого соответствия между расчетными жесткостями и нагрузками, а также постоянного контроля при производстве. Например, при недостаточной высоте наддомкратной балки или при «отказе» сваи работающий домкрат способен приподнять нагружающий сваю участок здания с образованием поперечных трещин. Известными недостатками способа являются также большой расход металла и необходимость устройства глубокой траншеи вдоль фундамента (не менее 2,5 м от поддомкратной балки при высоте секции сваи 1 м).
|
