Усиление фундаментов

Усиление фундаментов

Среди главнейших задач, которые стоят перед строителями и проектировщиками во время выполнения ремонтных и реконструкционных работ, а также реставрации сооружений и зданий старой постройки, действующих производств и предприятий, выделяется усиление фундаментов. Выбор конкретной технологии усиления фундаментов и оснований осуществляется исходя из состояния несущих конструкций, а также их способности в процессе реконструкции воспринимать существующие и дополнительные нагрузки.

Необходимость усиления фундаментов

Во время эксплуатации всевозможных сооружений и зданий во многих случаях возможно возникновение деформаций их несущих конструкций, провоцируемое разного рода причинами. Среди весьма часто распространенных причин подобных деформаций выделяются неравномерные осадки, в свою очередь вызывающие дальнейшие негативные изменения и разрушения различных несущих конструкций - перекрытий, колонн, стен, перемычек дверных или оконных проемов, сводов и прочих.

Вызываются подобные неравномерные осадки сооружений и зданий многими факторами. Именно поэтому необходимо тщательно и продуманно подходить к решению важной проблемы, возникающей в процессе реконструкции зданий – выбора рационального, эффективного способа усиления фундаментов и оснований.

Методы усиления фундаментов

В настоящее время применяются следующие методы усиления различных несущих конструкций, в основном направленные на усиление фундаментов и оснований существующих зданий и сооружений:

  • устроение обойм, которые укрепляют кладку фундамента и значительно снижают удельное давление несущих конструкций сооружений на грунты;
  • подведение новых фундаментов и перекладка имеющихся;
  • химическое укрепление грунтов;
  • устройство свай, расположенных в непосредственной близости с существующими фундаментами для передачи нагрузки от зданий на сваи.

Наряду с этими методиками применяются технологии усиления, имеющие больший эффект, такие как:

  • цементация грунтов оснований;
  • устройство грунтоцементных или буроинъекционных свай;
  • цементация контакта «фундамент-грунт».

Для укрепления и усиления надземных несущих конструкций, таких как колонны, перекрытия, стены, и т.п., используется метод инъекции кладки (в том числе с армированием). Также зачастую применяется инъекция кладки сводов перекрытий и устройство инъекционных анкеров. Последние обычно сочетаются с устройством тонкостенных железобетонных оболочек. Применяются и другие способы усиления.

Усилений фундаментов и оснований инъекционными методами имеет ряд преимуществ по сравнению с другими известными методами усиления.

Преимущества усиления фундаментов

Основным преимуществом является возможность проведения работ по усилению без нарушения внешнего вида или конструктивных особенностей здания. Также необходимо отметить, что инъекционное усиление не требует приостановки других работ по реконструкции или реставрации здания или сооружения.

Экономическая эффективность современных технологий усиления фундаментов по сравнению с традиционными методами - это минимизированные требуемые объемы необходимых земляных работ и снижение затрат ручного труда.

Опыт усиления фундаментов строящегося здания грунтоцементными сваями

В связи с изменением назначения здания и его этажности увеличился комплекс нагрузок на фундаментную конструкцию. Существующие фундаментные плиты не обеспечивают требуемый характер распределение напряжений на грунтовое основание и нормативную величину разности осадок. Была принято решение выполнить усиление существующих фундаментов сваями выполняемыми по технологии струйной цементации грунта.

Характеристика объекта. Неоконченное строительством здание многофункционального делового комплекса расположено по адресу: г. Москва, Рязанский пр. 20. Габаритные размеры здания 128 х 96 м. Основные несущие конструкции здания – монолитные железобетонные. Колонны выполнены по сетке 8,0 х 8,0 м. В качестве фундамента здания выполнена монолитная железобетонная фундаментная плита толщиной от 500 до 1000 мм. В настоящее время выполнен подземный этаж здания и часть надземного этажа.

В геологическом строении площадки строительства принимают участия четвертичные техногенные и аллювиальные отложения. Литологическое строение площадки: насыпные грунты, мощность 2,8…3,5 м; пески мелкой и средней крупности, вскрытая мощность 15,2…18,3 м. Грунтовый воды встречены в слое песков средней крупности на глубине 7,7…7,8 м от поверхности.

Геотехническая ситуация

В связи с изменением назначения здания и его этажности увеличился комплекс нагрузок на фундаментную конструкцию. Существующие фундаментные плиты не обеспечивают требуемый характер распределение напряжений на грунтовое основание и нормативную величину разности осадок. Была принято решение выполнить усиление существующих фундаментов сваями выполняемыми по технологии струйной цементации грунта. На рис.1 представлен фрагмент свайного поля усиления, на рис.2 характерное сечение с конструкцией усиления. Общее количество свай усиления -1070 шт. Нагрузка на одну сваю 200…220 тс. Проектная длина сваи – 10,0 м.

Фрагмент плана свайного поля

Рис.1. Фрагмент плана свайного поля


Характерное сечение со сваей

Рис.2. Характерное сечение со сваей

Техническое решение. В местах устройства свай усиления в существующей фундаментной плите устраиваются сквозные технологические отверстия диаметром 240 мм. Бурение выполняется алмазными коронками станком HILTI DD-200. Общий объем бурения – 898 п.м.

Сваи выполняются буровой установкой Beretta T-43 по схеме «Jet-1», с расходом цемента 350…450 кг на один погонный метр. Расчетный диаметр сваи – 600 мм. Для восприятия осевой вдавливающей нагрузки сваи армируются центральным сердечником – труба 159х6 мм, нижнее сечение трубы заглушено, после погружения сердечника он заполняется пескобетоном М300. Пространство между сердечником и фундаментной плитой чеканится бетоном на мелком заполнителе. После набора прочности оголовок сваи опрессовывается цементно-песчаным раствором НЦ-500, под давлением 2 атм, для обеспечения совместной работы конструкции усиления с существующим фундаментом.

Опрессовка оголовка сваи

Рис. 3. Опрессовка оголовка сваи


Проходка технологического отверстия

Рис. 4. Проходка технологического отверстия


Выполнение грунтобетонной сваи

Рис. 5. Выполнение грунтобетонной сваи

Геотехнический мониторинг. В научно-технической литературе по вопросам геотехнического строительства сложилось достаточно скептическое мнение о возможности использования грунтобетонных элементов в качестве высоконагруженных свай. В связи с этим для подтверждения обоснованности принятого технического решения были проведены статические испытания свай вдавливающей нагрузкой. Была выполнена серия испытаний свай длиной 8,0; 10,0; 12,0 метров. Схема проведения испытаний показа на рис. 6,7; ход испытаний на рис. 8, 9.

Схема проведения испы

Рис. 6. Схема проведения испытаний


Схема нагружающей системы

Рис. 7. Схема нагружающей системы


Монтаж нагружающей системы

Рис. 8. Монтаж нагружающей системы


Проведение статических испытаний

Рис. 9. Проведение статических испытаний

В качестве силовой конструкции использовалась сборная 12-метровая стальная балка индивидуального изготовления. В качестве анкерной системы выполнены шесть грунтобетонных свай длиной 10 метров с сердечником из металлической трубы. Балка соединялась с анкерными сваями через опорные узлы, выполненные на сварке.

Вдавливающая нагрузка на сваю передавалась через опорную плиту с помощью двух гидравлических домкратов ДГ-200. Величина усилия контролировалась по давлению в гидравлической системе, согласно тарировочной зависимости. Вертикальные перемещения фиксировалась с помощью прогибомеров 6ПАО.

Предельная нагрузка для испытаний была принята – 300 тс, ступень нагружения – 30 тс. За критерий условной стабилизации деформаций было принята скорость развития деформаций – 0,1 мм за 2 часа. За критерий достижение несущей способности сваи – развитие абсолютной осадки превышающей 40 мм. Требуемую по проекту несущую способность показали сваи длиной 10 и 12 метров.

Таким образом экспериментально подтверждена возможность использования грунтобетонных элементов в качестве высоконагруженных свай, работающих на вдавливающую нагрузку. Требуемая несущая способность сваи обеспечена как по грунту, так и по прочности конструктивного элемента.

Методы полевого контроля получаемых характеристик грунтобетонных элементов разработаны и опробованы на ряде аналогичных объектов. Но наиболее показательным методом контроля являются натурные испытания, подтверждающие правильность принятых инженерных решений и качество выполненных работ по усилению существующих фундаментных конструкций.

Рассмотренный метод обеспечения геотехнической безопасности зданий и сооружений при помощи устройства дополнительных грунтобетонных свай, положения проектирования, производства работ и контроля их качества являются одной из основных составляющих разрабатываемого в настоящее время технического регламента на применение технологии струйной цементации грунта.

Опыт обеспечения геотехнической безопасности строящегося здания в г. Уфе

В геотехническом строительстве достаточно часто встречаются ситуации, когда в ходе строительства и эксплуатации зданий и сооружений изменяются (ухудшаются) физико-механические характеристики грунтов основания. В этом случае требуется выполнение грамотного прогноза развития геотехнической ситуации и принятие мер по предотвращению развития негативных последствий. Опыт действий в такой ситуации приведен в данной публикации.

Компьютерное моделирование геотехнической ситуации позволило рассмотреть различные сценарии ее развития – от полностью негативного до благоприятного и определить при этом требуемые деформационные характеристики основания. Предлагаемый метод устройства «геомассива» при помощи армирования основания жесткими элементами по назначенной геометрической сетке позволяет получить на практике необходимую величину эффективного модуля деформации

Рассмотренный метод обеспечения геотехнической безопасности зданий и сооружений на грунтах с низкими деформационными характеристиками, положения проектирования, производства работ и контроля их качества являются одной из основных составляющих разрабатываемого в настоящее время технического  регламента на применение технологии струйной цементации грунта.

Характеристика объекта

Строящееся здание по ул. Цурюпы,12 состоит из трех  блоков. Максимальные габаритные размеры здания в плане – 112 х 34 м. Блок А и блок В - четырех и пятиэтажные  с подвальным и цокольным этажами, блок Б - пятиэтажный с подвальным, цокольным и техническим этажами. Конструктивная схема – монолитный  железобетонный каркас. Пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечивается совместной работой диафрагм жесткости, колонн и  дисков перекрытий. Фундаменты блоков – монолитные железобетонные плиты толщиной 800мм на бетонной подготовке  100 мм  по слою щебня  100 мм.

Участок под строительство здания расположен по ул. Цюрупы в Кировском р-не г. Уфы в квартале, ограниченном улицами Пушкина, Цюрупы, Заки Валиди, Новомостовая. Поверхность площадки ровная, с абсолютными отметками  154,2…154,8м. В геоморфологическом отношении участок приурочен к верхней части восточного склона водораздела рек Белой и Сутолоки. Геолого-литологический разрез :

Насыпной грунт (глинистый грунт с включениями обломков кирпича, щебня). Мощность 1,5…2,7м. Суглинок тугопластичный с прослоями супеси пластичной. Мощность 4,1…6,7м. Глина тугопластичная. Мощность 1,8…4,0м. Глина от тугопластичной до полутвердой с единичными включениями мелкой кварцевой гальки. Вскрытая мощность - 13,5м. Площадка характеризуется наличием горизонта подземных вод. Водовмещающие грунты - насыпные и суглинки с прослоями супеси.

Геотехническая ситуация

Строительство здания начато в октябре 2012 г. Фундаменты выполнены в зимний период без требуемых мер по защите основания от промораживания. В результате по данным исследований (январь 2013г.) установлен факт промораживания основания фундаментной плиты в осях 13-19 на 0,86 м и подъем поверхности подготовки на 14 см вследствие морозного пучения.

Анализ физико-механических свойств показал, что после оттаивания суглинки тугопластичной консистенции в основании фундаментной плиты приобретают свойства грунтов текучепластичной консистенции. Несущая способность промороженных суглинков становится практически «нулевой». Влажность грунтов увеличилась в 1,7 раза, показатель текучести – в 3,6 раза, плотность уменьшилась в 1,07 раза.

По результатам строительного мониторинга, который велся на объекте с начала строительства, отклонение верха фундаментных  плит от проектного положения составили: Блок Б. Вертикальные перемещений  в пределах от «плюс» 77   до    «минус» 120 мм  (абсолютная величина осадки находится в допустимых пределах, но близка к предельным значениям), относительная разность осадок (Δs/L) на отдельных участках составила   0,0035, что больше предельно допустимой (Δs/L) пр  =  0,003. Блок В.  Фундамент  имеет четко выраженный диагональный крен в сторону    примыкающей   секции Б. Абсолютная осадка  от 166 до  225 мм, относительная разность осадок (Δs/L) - от 0,032 до 0,0046, что больше предельно допустимых значений. Блок А.  Максимальная осадка фундамента 75 мм, минимальная 8 мм. Относительная разница осадок (Δs/L)  по длинным сторонам здания  изменяется в пределах 0,00375…0,0046,  превышает  предельно допустимое значение.

Осадка плит происходила под собственным весом, без дополнительного нагружения.

Геотехнический прогноз

 Компьютерное моделирование развития ситуации было проведено в программном комплексе PLAXIS. 

При моделировании развития ситуации были рассмотрены следующие задачи :

1. Определение деформаций фундаментов  с учетом грунта природного сложения (проектное состояние)

Рис.1 Расчетная схема моделирования геотехнической ситуации.

2. Определение деформаций фундаментов  блоков А, Б, В с учетом грунта промороженного грунта  в основании секций Б, В (текущее состояние модуль деформации оттаивающего  слабого грунта  Е = 0,25 МПа).

 

 

Рис.2 Расчетная схема и изолинии вертикальных перемещений (2).

3. Вариантная проработка мероприятий  по усилению основания и стабилизации осадок.

 

Рис.3 Расчетная схема и изолинии вертикальных перемещений (3)

При проработке вариантов стабилизации основании рассматривалась возможность  улучшения деформационных свойств грунтов основания  блоков Б,В  на глубину 1…4 метра от подошвы   фундаментной плиты и последовательность строительства блоков во времени. Результаты геотехнического моделирования приведены в таблице 1.

В   качестве  наиболее  благоприятного сценария рассматривается четвертый  вариант усиления основания фундаментной плиты.

Техническое решение

Для обеспечения механической безопасности строительства и эксплуатации здания , по результатам геотехнического моделирование было принято решение о закреплении грунтов в основании строящегося здания на глубину 4 метра и достижение проектного  модуля деформации закрепленного грунта -  30 МПа.

Требуемая величина деформационной характеристики искусственно улучшенного основания достигается при устройстве армирования по методу «геомассива». Выполнение армирующих элементов производится по технологии струйной цементации грунта. Геомассив рассматривается как приведенное однородное основание со следующими   эффективными характеристиками:  модуль деформации    (Егм)  - 30МПа;  расчетное сопротивление (Rгм) - 0,2МПа.

Усиление грунтов предусмотрено  через сеть технологических скважин, которые располагаются по сетке 1,7 х 1,7м  (рис.4) . Радиус зоны закрепления грунта вокруг скважины  в текучих суглинках составляет  0,35.. 0,6 м, в тугопластичных суглинках - 0,3 м.  Радиус зоны закрепления и характеристики закрепленного грунта приняты по опыту работы предприятия на площадках  с аналогичными грунтовыми   условиями. [2] Принятые в проекте характеристики закрепленного грунта  (грунтобетона):

Рис. 4. Схема закрепления грунтов в основании блока Б.

Мониторинг развития геотехнической ситуации. Для наблюдения за вертикальными деформациями строящегося здания был организован геодезический мониторинг. На конструкциях здания были закреплены геодезические марки (рис.5) и периодически выполнялось высокоточное нивелирования для определения их пространственного положения. Результаты мониторинга приведены на графиках (рис.6).

 

Рис.5,6. Блок Б. Места установки геодезических марок. Графики развития осадки во времени.

Анализ результатов геодезического мониторинга показал, что в начальный период наблюдения происходил значительный и неравномерный рост осадок за счет оттаивания  грунта и его «выжимания» из под подошвы фундамента, затем в период производства работ прогнозируемый подъем фундаментной плиты и в дальнейшем стабилизация осадок и их проектный рост в ходе строительства здания. Результаты мониторинга однозначно подтверждают обоснованность принятого решения об усилении грунтов основания для обеспечения геотехнической безопасности здания.

Компьютерное моделирование геотехнической ситуации позволило рассмотреть различные сценарии ее развития – от полностью негативного до благоприятного и определить при этом требуемые деформационные характеристики основания. Предлагаемый метод устройства «геомассива» при помощи армирования основания жесткими элементами по назначенной геометрической сетке позволяет получить на практике необходимую величину эффективного модуля деформации. Методы полевого контроля получаемых характеристик основания разработаны и опробованы на ряде аналогичных объектов. Но наиболее показательным методом контроля является геодезический мониторинг подтверждающий правильность принятых инженерных решений и качество выполненных работ по стабилизации основания. 

Рассмотренный метод обеспечения геотехнической безопасности зданий и сооружений на грунтах с низкими деформационными характеристиками, положения проектирования, производства работ и контроля их качества являются одной из основных составляющих разрабатываемого в настоящее время технического  регламента на применение технологии струйной цементации грунта.

<<< Все виды работ


Москва
(495) 643-78-54
Уфа
(917) 378-07-48
Ижевск
(3412) 56-62-11
Новосибирск
(983) 508-17-15
Казань
(843) 296-66-61
Ростов-на-Дону
(863) 311-36-36
Крым
(988) 240-90-82
(978) 939-38-33
Краснодар
(861) 240-90-82
Тюмень
(3452) 74-49-75
(3452) 73-29-63
Красноярск
(391) 208-17-15
Челябинск
(351) 223-24-53