Реставрация памятника архитектуры "Краеведческого музея" методом усиления основания фундамента

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (ДИПЛОМНАЯ)

РАБОТА

Реставрация памятника архитектуры «Краеведческого музея» методом усиления основания фундамента

Работу выполнила

Е.А Чепель

Научный руководитель

канд. техн. наук, доцент

Ю.П.Васильев

Краснодар 2013



РЕФЕРАТ

ЧЕПЕЛЬ Е.А. Реставрация памятника архитектуры «Краеведческого музея» методом усиления основания фундамента (дипломная работа). 73 л. текста, 3 табл., 13 рис., 9 источников.

Дипломная работа состоит из введения, 4 глав и заключения.

Объект исследования - Краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник им. Е.Д. Фелицина.

Цель работы - оценить осадку основания ленточного фундамента в естественном, водонасыщенном состояниях, а также после его укрепления.

В работе рассмотрен способ укрепления основания ленточного фундамента буроинъекционными сваями. Проведены необходимые технические расчеты осадки здания, на основе анализа расчетов, сделаны выводы о достижения необходимых результатов по стабилизации осадки основания фундаментов и прекращению дальнейшей деформации здания.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Буроинъекционные сваи, краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник им. Е.Д. Фелицына, усиление грунтов, стабилизация деформации, метод послойного суммирования, несущая способность сваи.

Составила Чепель Е.А



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЛОЩАДКИ 8

1.1 Местоположение, геоморфология, геолого-литологическое строение и гидрогеологические условия

1.2 Физико-механические свойства грунтов

1.3 Причины неравномерной осадки здания

2. МЕТОДИКА РЕКОНСТРУКЦИИ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ

2.1 Традиционные конструкции фундаментов зданий и сооружении старой постройки

2.2 Традиционные способы усиления фундаментов

2.3 Современные методы усиления фундаментов

2.4 Выбор практического метода стабилизации деформаций основания деформированного участка земли

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ

3.1 Общие принципы проектирования усиления. Усиление грунтов основания

3.2 Рекомендуемая область применения усиления грунтов основания и фундаментов реставрируемых и реконструируемых объектов инъекционными методами

3.3 Основные принципы проектирования

3.4 Расчет буроинъекционных свай по несущей способности

3.5 Особенности проектирования устройства буроинъекционных свай в слабых глинистых грунтах

3.6 Особые требования к инженерно-геологическим изысканиям и обследованию оснований, фундаментов и надземных конструкций

зданий (сооружений), возведенных на слабых глинистых грунтах

3.7 Требования к геотехническому оснащению проекта

3.8 Особые требования к проектированию на слабых глинистых грунтах

3.9 Материалы для изготовления буроинъекционных свай и составы растворов

3.10 Технология производства работ. Укрепительная цементация

3.11 Контроль качества работ

3.12 Статические испытания буроинъекционных сваи

3.13 Проектирование и производство работ по укреплению несущих конструкций реставрируемых и реконструируемых зданий инъекционными методами

3.14 Проектирование инъекционного укрепления несущей конструкции

3.15 Производство работ по инъекционному укреплению несущих конструкций. Требования к материалам для приготовления инъекционных растворов и их характеристикам

4. КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Определение сбора всех нагрузок

4.2 Расчет оснований по деформациям

4.3 Определение осадки фундамента методом послойного суммирования

4.4 Расчет осадки после укрепления основания фундамента методом буроинъекционных свай

4.5 Определение несущей способности сваи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

конструкция фундамент свая реставрация

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Реставрация памятников архитектуры, обладающих историко-культурным потенциалом, актуальный, необходимый, но достаточно трудоемкий процесс.

Реставрация, как и реконструкция, связана с восстановлением эксплуатационных показателей и усилением несущих элементов зданий и сооружений. Эти работы требуют индивидуальных подходов, отличных от подходов к конструктивным решениям при новом строительстве, как правило, проводится в условиях повышенной стесненности, что не позволяет использовать оптимальные комплекты строительных механизмов и машин, организовать места для создания нормативных запасов материалов и изделий. Серьезные трудности часто возникают при определении места рациональной установки грузоподъемных механизмов в монтажной зоне, а в некоторых случаях при разборке и монтаже конструкций, вообще не представляется возможным воспользоваться кранами, и необходим переход на менее индустриальные конструктивные решения.

Тем ни менее не смотря на сложность проведения реконструкци-онных работ приоритет, остается за сохранением историко-культурного наследия города.

Объект исследования - один из наиболее ярко иллюстрирующий величие и архитектурный вкус г.Краснодара бывший дом купцов Богарсуковых, ныне государственный историко-археологический музей-заповедник им.Е.Д. Фелицына, находящийся по ул.Гимназическая, 67.

Строительство началось в 1900 году, и было завершено в 1901 году.[5] К сожалению, неизвестно, кто составил проект особняка в духе «классической эклектики», где весьма умело, не нарушая геометрических пропорций и чувства художественной меры, соединены были несколько архитектурных стилей.

Здание, поставленное на «красной линии застройки улицы», в центре Екатеринодара, сразу же преобразило весь квартал. Объемная прямолинейная композиция постройки, перекрытой по торцам двумя скатами, а в центральной части - широким ризалитом, укрепленным тремя надстройками (аттиками) со слуховыми окнами. Постройка имела свою особенность: высокий кованый флюгер в форме морского конька, венчавшего её. Все центральные надстройки четко вырисовываются на фоне приподнятой крыши, сработанной в виде усеченной пирамиды и покрытое чешуйчатыми железными пластинами. Чрезвычайно роскошно декорирована верхняя часть ризалита, поделенная на пять долей, пилястрами с коринфскими капителями. Центральная и крайние части, между собой равные, декорированы нишами с полуциркулярным верхом и вставленными окнами. Лепной декор, львиные маски, коринфские полуколонны, изображение фиал и фруктов, вазы создают впечатление нравственной силы, избытка земных благ.

Дополняет это впечатление широкий балкон, обрамленный узорными столбиками и поддерживаемый каменными кронштейнами, украшенными лепниной растительного орнамента. Парадный вход с филенчатыми дверями разнообразного рисунка и кованым металлическим зонтом с чеканными драконами (кстати, повторенный много раз в других постройках Екатеринодара), на первый взгляд, кажется непропорциональным общему объему здания; хотя и здесь, строго, выдержан «стиль» постройки треугольный фронтон, поставленный на пилястры, гармонически повторяет «треугольные завершения аттика».

Нарядно и роскошно было убранство особняка братьев Богарсуковых: лестница из белого мрамора, ведущая на 2-ой этаж, с перилами - кованью, изображающей растительно-цветочный орнамент; сложна и великолепна лепка потолков - цветы, листья фрукты, повторяющая элементы наружного декора. Парадный зал был убран особенно богато: украшенный восточными арабесками потолок и пол наборного паркета; стены, расписанные пейзажной живописью. Старожилы рассказывали, что внутренние оформление особняка было выполнено позже итальянскими художниками, выставка которых проходила в Екатеринодаре, в картинной галерее имени Ф.А. Коваленко, в конце 1906 года. Можно предполагать, что именно тогда окончательно была завершена художественная отделка здания Богарсуковых.[5]

В годы гражданской войны этот особняк был реквизирован (за минимальную плату) у владельцев, чтобы разместить в нем штаб Добровольческой армии, а после установления Советской власти здесь находилась санитарная часть 9-й армии. Много поменялось постояльцев в особняке братьев Богарсуковых (был в нем и Дом пионеров, именно тогда, как рассказывают очевидцы, утрачена настенная живопись зала). Сначала 60-х годов ХХ века его постоянным хозяином стал Краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник, одно из самых культурных учреждений Кубани, бережно хранящих уникальные ценности, отчего древнего края.

Но с течением лет и даже эпох, возникновением антропогенных воздействий, неудовлетворительным состоянием стен здания и технической изношенностью конструкций и коммуникаций, необходимы серьезные меры для предотвращения дальнейшего развития разрушения и деформации памятника.

Цель работы - рассмотреть способ укрепления основания ленточного фундамента буроинъекционными сваями. Провести необходимые технические расчеты осадки здания, дать оценку осадки фундамента на основе сравнительного анализа расчетов после проведенных реконструкционных мероприятий, для достижения необходимых результатов стабилизации осадки и прекращению дальнейшей деформации.



1.ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЛОЩАДКИ

1.1 Местоположение, геоморфология, геолого-литологическое строение и гидрогеологические условия

Площадка реконструируемого музея расположена в центральной части г.Краснодара, по ул. Гимназической, 67.

Здание музея является архитектурным памятником - это бывший дом купцов Богарсуковых, построен в 1900 - 1901 г..

Необходимость проведения работ вызвана неудовлетворительным состоянием стен здания (деформации, особенно большие с западной стороны здания). Трещина идет снизу до верха шириной 1-2 см. С северной стороны здания трещины нитевидные, расположены вверху над оконными проемами.

В 2000 г. было проведено обследование здания. Для определения состояния и конструкции фундаментов в районе деформированного участка западной стороны был отрыт шурф глубиной 2,5 м,

Глубина заложения фундамента 2,3 м, выполнены они из кирпича на известковом растворе, форма поперечного сечения трапециевидная, с уширением к низу, ширина подошвы фундамента 1, 2 м.

Цоколь имеет высоту 1 м и защищен слоем штукатурки.

Во дворе около здания расположены водонесущие коммуникации (канализация, водопровод), состояние которых неудовлетворительное. С северной части здания имеется септик, который построен во время строительства здания, в настоящее время он недействующий, но при обследовании его обнаружено, что со стороны здания в него поступает вода. Дно септика заилено канализационными стоками.

В геоморфологическом отношении - это II надпойменная терраса р. Кубань.

В геологическом строении участка, изученном до глубины 8 м, принимают участие четвертичные отложения, представленные следующими литологическими разностями грунтов.

Слой №1 (tlV). Насыпной слой, представленный сверху до 0,2 м асфальтом, ниже суглинком со строительным мусором. Залегает с поверхности до глубины 0,6 - 1 м.

Слой №2 (elV). Почва современная, суглинистая, темно-серая, очень влажная, рыхлая комковатая, с червеходами. Залегает под насыпными грунтами до глубин 1,7-1,8м.

Слой №3 (dvIII). Суглинок лессовый, желто-бурый, очень влажный, макропористый, со стержнями карбонатов. С глубины 3,7 м менее влажный, слабомакропористый, со стяжениями и конкрециями карбонатов. С глубины 5,0 м суглинок белесо-бурого цвета, плотный, в подошве - опесчаненный. Залегает ниже, до глубин 7 - 7,2 м.

Слой №4 (all). Глина зеленовато-серая, плотная влажная, полутвердая, с пятнами ожелезнения и включениями конкреций карбонатов. Залегает до разведанной глубины 8м.

Подземные воды в период изысканий до глубины 8 м, в течение суток наблюдений, не зафиксированы.

Отсутствие подземных вод до разведанной глубины 8 м, несмотря на наличие местного водоупора (глины слоя №4), свидетельствует о том, что утечки незначительные, но систематические. На формирование техногенного водоносного горизонта их не хватает, но достаточно для повышения влажности грунтов - основания до глубины 3,5--4 м от поверхности.

1.2 Физико-механические свойства грунтов

По возрасту, характеру структурных связей, генезису, литологическому составу состоянию в пределах разведанных глубин 8 м на площадке выделено 5 инженерно - геологических элементов (ИГЭ), характеристика которых приводится ниже.

Выделенные инженерно - геологические элементы относятся, согласно классификации ГОСТ 25100 - 95, к следующим таксономическим единицам.

- класс природных дисперсных грунтов;

- подгруппа - осадочные;

- тип - минеральные (полиминеральные);

- вид-глинистые.

ИГЭ - 1. Почва современная, суглинистая, залегающая до глубин 1,7 - 1,8 м.

Согласно классификации ГОСТ 25100 - 95,[9] грунт относится к суглинкам высокопористым, твердым, просадочным.

Так как глубина заложения фундаментов, существующего здания, ниже почвенного слоя, его деформационные и прочностные свойства не приводятся.

ИГЭ - 2. Суглинки лессовые, залегающие в кровле лессовой толщи за пределами зоны сжатия под фундаментами существующего здания.

Согласно классификации ГОСТ 25100 - 95,[9] грунт относится к суглинкам лессовым, высокопористым, просадочным.

Из-за утечек из водонесущих коммуникаций грунт имеет повышенную влажность от 21 до 25 % при фоновой влажности 17-18%.

Деформационные свойства грунта при влажности на период изысканий определялись в лаборатории.

Компрессионный модуль деформации грунта естественной влажности равен 3,1 МПа, водонасыщенного - 1,6 МПа. С учетом поправки 2,9 (при коэффициенте пористости 0,992), модули деформации, соответственно равны 9 и 4,6 МПа.

Суглинки проявляют просадочные свойства. Прочностные свойства суглинков определялись в лаборатории по схеме ускоренного неконсолидированного среза под водой.

ИГЭ - 3. Суглинки лессовые, залегающие в пределах зоны сжатия под фундаментами существующего здания до глубин 5 - 5,2 м.

Согласно классификации, грунт относится к суглинкам лессовым, высокопористым, твердым, просадочным.

Влажность этих грунтов непосредственно под фундаментами 24% и с глубиной уменьшается до 19 - 20%.

Деформационные свойства грунтов определялись в лаборатории.

Компрессионный модуль деформации грунта естественной влажности равен 7,7 МПа, водонасыщенного - 3,7 МПа. С учетом поправки 3,2 (при коэффициенте пористости 0,838), модули деформации, соответственно, равны 24 и 11,8 МПа.

Прочностные свойства суглинков рекомендуется принимать аналогично ИГЭ - 2.

Грунты этого элемента литологически являются продолжением описанного выше ИГЭ - 2, но залегающего в зоне влияния нагрузки от существующего здания. В результате продолжающегося процесса просадки суглинки ИГЭ - 2, здесь уплотнились, что подтверждается не только монолитами, отобранными из скважин, но и монолитами, взятыми из шурфа непосредственно под фундаментом.

ИГЭ - 4. Суглинки лессовые, залегающие в зоне сжатия в основании лессовой толщи до глубин 7 - 7,2 м.

Согласно классификации ГОСТ 25100 - 95, грунт относится к суглинкам лессовым, низкопористым, твердым, просадочным.

Деформационные свойства суглинков определялось в лаборатории.

Компрессионный модуль деформации грунта естественной влажности равен 6,3 МПа, водонасыщенного - 3,1 МПа. С учетом поправки 3,6 (при коэффициенте пористости 0,731), модули деформации, соответственно, равны 23 и 11,2 МПа.

По результатам компрессионных испытаний суглинки проявляют просадочные свойства.

Прочностые свойства суглинков определялись в лаборатории по схеме ускоренного неконсолидированного среза под водой.

ИГЭ - 5. Глина, залегающего до разведанной глубины 8 м.

Согласно классификации ГОСТ 25100 - 95, грунт относится к глинам полутвердым.

Компрессионный модуль деформации грунта естественной влажности равен 5,2 МПа. С учетом поправки 5,7( при коэффициенте пористости 0,814), модуль деформации равен 30 МПа.

Для определения категории грунтов по трудности их разработки вручную и механизированным способом необходимо руководствоваться следующими значениями плотностей:

ИГЭ - 1 почва суглинистая 1760 кг/м3;

ИГЭ-2 суглинок лессовый 1650 кг/м3.

1.3 Причины неравномерной осадки здания

На основании проведенных исследований выяснено, что инженерно - геологические условия площадки, согласно СП 11-105-97, соответствуют II категории сложности, из-за наличия на ней просадочных грунтов.

В результате проведенных исследований выяснено, что причиной деформации является повышение влажности грунтов - оснований, сложенных высокопористыми просадочными лессовыми суглинками ИГЭ - 2,3, вследствие утечек из водонесущих коммуникаций, что привело к оседанию западной и, частично, северной стен. Этот процесс продолжается и в настоящее время.



2. МЕТОДИКИ РЕКОНСТРУКЦИИ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ

2.1 Традиционные конструкции фундаментов зданий и сооружений старой постройки

В течение многих столетий и до начала ХХ века конструкции фундаментов зданий и сооружений различного назначения почти не претерпели существенных изменений. Как правило, это были бутовые, валунные и кирпичные ленточные и столбчатые фундаменты, кладка которых осуществлялась в траншеях или котлованах с использованием для скрепления отдельных элементов конструкции известковых растворов различного состава. В ряде случаев применялись глиносодержащие растворы, играющие одновременно роль горизонтальной гидроизоляции, а иногда кладка фундаментов, в основном в подошвенной их части, выполнялась из валунов или блоков рваного естественного камня насухо, без скрепляющего раствора.

До ХХ столетия здания возводились без сколько-нибудь серьезного изучения свойств грунтов основания ниже глубины заложения фундаментов. Неполными были также сведения о грунтовых водах, их свойствах и колебаниях уровней. Лишь в конце ХIХ, начале ХХ в.в. произошло становление как науки механики грунтов и грунтоведения.

Как правило, основанием зданий старой постройки служили естественные грунты, без какой-либо их обработки. Во многих случаях основанием фундаментов зданий, особенно в городской застройке, служили насыпные грунты культурного слоя или насыпные грунты, использованные для выравнивания площадки застройки, засыпки колодцев, ям, оврагов и других неровностей рельефа.

При высоком уровне подземных вод или заведомо слабых грунтах основания применялись свайные фундаменты. Чаще всего это были короткие, клиновидной формы сваи, из хвойных и лиственных пород древесины, диаметром 100-150 мм, грубо обработанные и даже неошкуренные, забивавшиеся по всей по всей площади подошвы фундамента, и за ее пределами с целью уплотнения грунтов основания.

Примером такого типа фундаментов могут служить фундаменты звонницы московского Кремля, Успенского собора в г. Дмитрове и многих других памятников архитектуры ХVI-XVIII в.в.

Вместе с тем применялись и свайные фундаменты, которые по характеру работы в грунте соответствуют современному пониманию свайных фундаментов. Это сваи длиной до нескольких метров, изготавливавшиеся из цельных стволов деревьев твердых пород, например дуба, диаметром до 250-300 мм, забивавшиеся в пределах площади опирания фундаментов как в виде лент, так и кустов под ленточные и отдельно стоящие фундаменты. По сваям обычно устраивался деревянный ростверк из лежней бревенчатых или досчатых, располагаемых как вдоль, так и поперек направления фундаментной ленты, на которых затем выполнялась кладка фундаментов. Примерами таких конструкций могут служить фундаменты мостов, крепостных и монастырских стен, массивных каменных сооружений - колоколен, соборов и т.п. Эффективность таких фундаментов определялась положением уровня подземных вод, так как известно, что находящаяся ниже уровня воды древесина может сохраняться веками, тогда как в зоне переменного уровня воды разрушение ее идет весьма интенсивно. Этим обстоятельством объясняется наличие значительных деформаций и неравномерных осадок зданий старой постройки.

Кладка фундаментов выполнялась, главным образом, из бута, валунного камня или крупных блоков и плит естественного камня. Устраивались они в виде столбов или лент, с различной площадью поперечного сечения, симметричной и несимметричной, сплошными или, с целью экономии материала, с разгрузочными арками по длине ленты.

С начала ХХ века с развитием техники и изобретением новых строительных материалов в качестве материала фундаментов стали применять хорошо обожженный кирпич и естественный камень на цементосодержащих растворах, бутобетон из бетонной массы с заполнением ее камнем средних размеров и монолитный бетон.

В соответствии с рис. 2.1, представлены наиболее характерные типы фундаментов традиционных конструкций зданий старой постройки: бутовые фундаменты, в том числе с использованием лежней и деревянных свай (рис.2.1а-е), ступенчатой формы с расширением к нижней части при угле не менее 60. Бутобетонные и бетонные фундаменты имеют примерно такую же форму и габариты. При наличии в зданиях подвальных помещений их лицевые поверхности выполнялись из обработанных блоков естественного камня, уложенного в перевязку или заанкеренных в кладку фундаментов.

Рис.2.1 - Типы фундаментов конструкций зданий

При проведении обследования состояния зданий старой постройки во многих случаях наблюдаются различные дефекты и разрушения в кладке фундаментов, связанные с деформациями основания и, прежде всего, с неравномерными осадками, влияние которых сказывается на состоянии здания в целом.

Причины таких деформаций многообразны, и в частности: погрешность в оценке несущей способности грунтов основания вследствие ошибочной интерпретации данных при определении свойств грунтов, особенно таких как просадочные, пучинистые, набухающие и др.; просчеты в выборе конструкции фундаментов, их размеров и глубины заложения; отсутствие деформационных швов на стыках разнонагруженных частей зданий; изменение прочностных характеристик грунтов, в следствие изменения их влажности, например, при отсутствии или нарушениях вертикальной планировки, нарушении поверхностного водоотвода и дренажных систем; разрушения кладки фундаментов под воздействием агрессивных грунтовых вод; гниение деревянных конструкций фундаментов при изменении положения или колебаниях уровня подземных вод; увеличение нагрузок на фундаменты в здании в целом или в отдельных его частях за счет надстроек и перестроек; систематическая откачка вод из подвальных помещений, вызывающая ослабление грунтов основания при их суффозии; устройство различных раскопов рядом с существующим зданием; понижение пола подвального помещения; использование некачественного материала при устройстве фундаментов; воздействие природных и климатических факторов, например многократного замораживания и размораживания переувлажненной кладки фундаментов в пределах глубины промерзания и многих других причин и их сочетаний.

По данным МосжилНИИпроекта износ фундаментов зданий идет интенсивно в первые 20-30 лет эксплуатации и затем после 90-100 лет службы здания. Вместе с тем, в последнее время отмечается увеличение интенсивности разрушения конструкций фундаментов старых зданий, которое связывается с увеличением динамического воздействия за счет интенсификации движения транспорта, вибрации механизмов и ударных нагрузок промышленного оборудования, строительства рядом с существующими зданиями новых с использованием забивки свай или шпунта, строительства подземных сооружений метрополитена и прокладки городских коммуникаций, резкого возрастания степени агрессивности подземных вод.

Таким образом, при выборе способа усиления фундаментов существующего здания должно быть учтено все многообразие факторов, влияющих на их состояние и выбран такой способ усиления, который смог бы нейтрализовать или свести к минимуму воздействие неблагоприятных факторов и способствовать надежной и длительной эксплуатации реконструируемого или реставрируемого здания или сооружения.

2.2 Традиционные способы усиления фундаментов

Усиление фундаментов существующих зданий применяется так же давно, как и само строительство. Методы и способы усиления до середины текущего столетия были столь же традиционны, как и конструкции фундаментов. Изменения происходили лишь в части применяемых материалов и преследовали главную цель - наряду с восстановлением прочности кладки, увеличение площади опирания существующих фундаментов, снижение удельных величин давления от сооружения на грунт и уменьшение величин осадок.

Чаще всего такое усиление включает полную или частичную замену разрушенной кладки фундаментов, а также увеличение площади его опирания путем прикладки обойм или банкетов к телу существующего фундамента, а также устройство дополнительных фундаментов или опор рядом с существующими. Для лучшей связи с существующими фундаментами прикладка осуществляется "вперевязку" со старой кладкой. Опирание прикладок на грунты основания могло быть осуществлено на разных уровнях относительно подошвы усиляемого фундамента, выше ее, на одном уровне, а нередко, при низком уровне грунтовых вод и ниже подошвы существующих фундаментов. Как правило, прикладки выполнялись из естественного камня, аналогично материалу усиляемого фундамента. Прикладки могли также опираться на забитые рядом с существующим фундаментом деревянные сваи.

В конце XIX в., с внедрением в строительную практику цемента, обоймы и банкеты начали выполнять из бутобетона, бетона и затем железобетона, в основном монолитными, но в последние годы, иногда, и сборно-монолитными. Кроме обойм и банкетов применяется также введение ниже подошвы усиляемых фундаментов железобетонных плит и балок (лежней).

Рис. 2.2 - Традиционные конструкции усиления фундаментов

Рис. 2.2 (а-в) иллюстрирует устройство расширяющих обойм, рис. 2.2 (г) - применение банкетов, с предварительным обжатием грунта под подошвой уширяющей части. В ряде случаев увеличение площади опирания фундаментов может быть достигнуто подводкой монолитных железобетонных плит различных конструкций под всей или частью площади здания.

Все рассмотренные выше способы усиления фундаментов применяются достаточно широко до настоящего времени, особенно в реставрационной практике, несмотря на ряд существенных отрицательных моментов, связанных с низкой эффективностью такого усиления и производством работ при его реализации. К таким моментам можно отнести большой объем земляных работ по откопке усиляемых фундаментов, часто выполняемых вручную, причем, во избежание развития дополнительных деформаций усиляемых зданий, эти работы должны выполняться захватками определенной длины. Бетонирование обойм, банкетов и подводка лежней под подошву усиляемого фундамента также выполняется вручную; необходимость предварительного обжатия грунтов основания под уширяющими элементами для включения их в работу фундамента, что, как правило, в силу как объективных, так и субъективных причин, качественно выполнить не представляется возможным; невозможность выполнить усиление этими способами при высоком уровне подземных вод, сезонные ограничения производства работ, позволяющие их проведение только при общих положительных температурах наружного воздуха, и, наконец, необходимость изменения конструкций существующих фундаментов и их внешнего вида при усилении, что недопустимо при реставрации памятников архитектуры, так как фундаменты являются их неотъемлемым элементом и также могут рассматриваться как памятники инженерного искусства. Перечисленные недостатки рассмотренных способов усиления фундаментов практически сводят к минимуму возможный положительный эффект их применения.

При современном подходе к решению проблемы увеличения несущей способности фундаментов реконструируемых и реставрируемых зданий старой постройки эти методы, за редким исключением, являются анахронизмом, который может быть объяснен лишь отсутствием необходимой техники и оборудования для применения современных способов и конструкций усиления, получивших широкое распространение в мировой практике.

2.3 Современные методы усиления фундаментов

В практике реконструкции и реставрации в настоящее время находят применение как методы усиления фундаментов, базирующиеся на традиционных, так и принципиально новые, разработанные в течение последних 50 лет. Все эти методы рассчитаны на высокую степень механизации работ, при сведении к минимуму ручного труда, и новые технологии. Далее рассмотрены некоторые из многочисленных способов усиления.

Рис. 2.3 - Усиление фундаментов с применением современных материалов и технологий

На рис. 2.3 (а) показано увеличение площади опирания усиляемых фундаментов с помощью обойм по методу Н.И. Страбахина.[6] Он заключается в установке с обеих сторон усиляемого фундамента сборных железобетонных блоков, нижняя часть которых стянута анкерами, пропущенными через существующий фундамент и блоки усиления. В верхней части блоки разжимают забивными клиньями или домкратами, в результате чего блоки, поворачиваясь вокруг нижней точки, в уровне закрепления анкеров, обжимают грунт под подошвой блоков.

После обжатия грунтов основания щели между существующим фундаментов и блоками усиления заполняют бетонной смесью. Рассмотренный способ имеет присущие традиционным способам усиления недостатки, требует выполнения значительного объема земляных работ и ручного труда, однако более надежен, так как позволяет выполнить обжатие грунтов основания под подошвой уширяемой части фундаментов и тем самым способствовать включению их в работу уже в процессе выполнения усиления.

На рис. 2.3 (б), в представлены способы увеличения площади опирания существующих фундаментов. Их применение позволяет свести к минимуму земляные работы, которые сводятся к устройству песчано-гравийной подушки толщиной 40-60см, отсыпаемой с уплотнением взамен насыпных грунтов в пределах площади уширяющих элементов. Суть способа состоит в устройстве в уровне отметки земли, пола 1-го этажа или подвала консольной железобетонной конструкции, заанкеренной в кладку несущей стены здания и позволяющей увеличить площадь опирания фундаментов, воспринимающего нагрузку от существующего здания.

Применение рассматриваемого способа позволяет совмещать конструкцию усиления с отмостками здания, полами 1-го этажа или подвала. Элементы конструкции усиления выполняются в монолитном, сборно-монолитном и сборном железобетоне с армированием жесткой арматурой. В ряде случаев, при значительном вылете консоли конструкции усиления, целесообразно ее применение в сочетании с предварительно напряженным анкером, заделываемым в тело существующего фундамента (рис. 2.3 в). Отверстия для анкерования конструкций усиления в несущие стены, опоры и фундаменты реконструируемого здания выполняются буровым способом с использованием стандартного бурового оборудования.

Производство работ ведется с применением различных механизмом, ручной труд используется минимально. Рассмотренные способы предложены автором.

Аналогичным образом решается задача увеличения площади опирания фундаментов существующего здания с помощью фундаментных плит по способу ЦНИИСК им. Кучеренко (рис. 2.3г). Сборные железобетонные плиты дополнительного фундамента укладывают на уплотненную щебеночную подготовку. Плиты располагаются рядами в виде лент, уложенных в направлении продольной оси здания. По ним выполняют монолитную железобетонную конструкцию нажимных рам, которые состоят из нижних горизонтальных ригелей сечением 40Ч60см и наклонных стоек-упоров такого же сечения. Рамы передают усилия на пояса-обвязки поперечных стен, устраиваемые в их кладке. Для образования замкнутого контура нажимных рам, над ними, в плоскости перекрытия, выполняют монолитные железобетонные участки в виде полос шириной 60см и высотой, равной толщине плит перекрытий.

Рис. 2.4 - Усиление существующих конструкций без изменений размеров конструкций

Другая группа методов служит для усиления конструкций существующих фундаментов без изменения их геометрических размеров при достаточной несущей способности грунтов основания. К ним относится, в частности, метод укрепительной цементации (рис. 2.4а).

При неудовлетворительном состоянии материала фундаментов (наличие механических повреждений, осадочных трещин, расслоения и разрушения кладки в результате размораживания и т.п.), целесообразно выполнять их укрепление следующим образом. В теле фундамента разбуриваются или пробиваются отверстия для установки инъекторов диаметром 25 - 30 мм. шаг таких отверстий по длине ленточного фундамента определяют эмпирически и, как правило, он равен 50-100см. В отверстие вводят инъектор, через который под давлением 0,2 - 0,6 МПа нагнетают жидкий цементный раствор, заполняющий объем пустот и неплотностей в кладке фундамента в радиусе 0,6 - 1,2 м вокруг инъектора.

Укрепительная цементация выполняется с использованием различных технологий, специального оборудования, оснастки и т.п.

Метод укрепительной цементации часто применяют в сочетании с торкретированием поверхности усиляемого фундамента, в том числе, по металлической сетке. Слой торкретбетона защищает боковую поверхность усиляемого фундамента от неблагоприятного воздействия подземных вод и служит в качестве вертикальной гидроизоляции.

В ряде случаев, по подобной технологии выполняют усиление конструкций существующих фундаментов с помощью силикатизации, смолизации, битумизации и инъекции в них других химических составов, часто с одновременным усилением этими способами грунтов основания.

Когда несущая способность грунтов основания недостаточна, а реконструируемое здание получило деформации, за счет значительных по величине неравномерных и часто нестабилизировавшихся осадок, а также при наличии высокого уровня подземных вод, затрудняющих выполнение уширения или дополнительного заглубления фундаментов, целесообразно проводить усиление фундаментов конструкциями, позволяющими передавать нагрузку от сооружения на расположенные ниже подошвы фундаментов плотные, малосжимаемые грунты основания. Такими конструкциями могут служить свайные фундаменты. В практике реконструкции и реставрации находят применение сваи разных типов, при выборе которых в каждом конкретном случае определяющим является состояние и вид усиляемого сооружения, наличие специального оборудования для устройства свай и, наконец, опыт и "традиции" организаций, выполняющих работы.

Усиление существующих фундаментов с помощью свай осуществляется по различным схемам. На рис. 4в приведен способ усиления "выносными сваями", располагаемыми с одной или двух сторон усиляемого фундамента. Чаще всего это буронабивные и набивные сваи. Технология устройства таких свай включает бурение тем или иным способом вертикальных скважин с защитой их стенок от обрушения обсадными трубами, извлечение из скважины разрабатываемого грунта и последующее заполнение готовой скважины бетонной смесью и армированием ее. В зависимости от типа свай последовательность выполнения технологических операций может быть иной. В качестве свай усиления применяют различные типы свай включая буронабивные сваи большого диаметра типа "Беното", сваи Страуса, винтонабивные, пневмонабивные и другие.

Другим, достаточно широко используемым при усилении существующих фундаментов, типом свайных конструкций являются задавливаемые сваи. В соответствии с рис. 4б, представлена схема производства работ при задавливании свай. Технология работ по задавливанию свай описана в соответствующей технической литературе

Обычно сваи усиления располагают с двух сторон усиляемого фундамента и передают на них нагрузку от сооружения через поперечные балки, устанавливаемые в пробиваемые в фундаменте отверстия, но в случае отсутствия доступа для оборудования с одной из сторон фундамента, они могут быть выполнены и с одной (наружной) стороны здания в два ряда с консольной поперечной балкой. При этом сваи первого от усиляемого фундамента ряда воспринимают вдавливающую нагрузку от веса здания, а сваи второго ряда - выдергивающую.

При всех достоинствах способов усиления существующих фундаментов сваями, они обладают рядом существенных недостатков.

Общими из них являются необходимость выполнения большого объема земляных работ, связанных с обнажением усиляемых фундаментов до подошвы, а часто, и ниже ее на время работ, что само по себе достаточно рискованно, большая трудоемкость, необходимость частичного разрушения существующих фундаментов, не универсальность применения по грунтовым условиям, высокая стоимость работ и большие затраты времени, в том числе на предварительные работы.

Этих недостатков в значительной мере лишены нашедшие широкое применение в России и за рубежом методы "струи" и буроинъекционных или "корневидных" свай.

Рис. 2.5 - Усиление при помощи буроинъекциооных свай

2.4 Выбор практического метода стабилизации деформаций основания деформированного участка здания

При проведении реконструкции, ремонтных работ и реставрации зданий и сооружений старой постройки, действующих предприятий и производств, одной из главных задач, стоящих перед строителями, является определение состояния существующих несущих конструкций, способность их воспринимать действующие и дополнительные, возникающие в ходе реконструкции нагрузки и, в конечном счете, выбор, в случае необходимости, способа их усиления.

В процессе эксплуатации зданий и сооружений, во многих случаях, происходят деформации несущих конструкций, вызываемые различными причинами. Одной из наиболее распространенных причин деформаций являются неравномерные осадки, которые, в свою очередь, вызывают деформации и разрушения несущих конструкций - стен, колонн, перекрытий, сводов, перемычек оконных и дверных проемов и др.

Неравномерные осадки зданий и сооружений могут быть вызваны многими факторами. В связи с этим одной из основных проблем, решаемых при реконструкции зданий является выбор рационального метода усиления оснований и фундаментов.

Наряду с известными методами усиления несущих конструкций и, прежде всего, оснований и фундаментов существующих зданий и сооружений такими, как перекладка существующих и подведение новых фундаментов, устройство обойм для укрепления кладки фундаментов и уменьшения удельных давлений от сооружений на грунты основания, устройство вблизи существующих различных по конструкциям свайных фундаментов с передачей на них нагрузок от сооружений, применение различных методов химического закрепления грунтов основания и т.п. Все в больших объемах применяются инъекционные методы усиления, в том числе укрепительная цементации грунтов основания и фундаментов и буроинъекционные сваи. Для усиления надземных несущих конструкций - стен, колонн, перекрытий и др. - применяется инъекция кладки, в том числе с армированием, устройство инъекционных анкеров, инъекция кладки сводов перекрытий в сочетании с устройством тонкостенных железобетонных оболочек и другие способы усиления.

Усиление инъекционными методами имеет по сравнению с другими известными методами, применяемыми при реставрации и реконструкции существующих зданий и сооружений ряд преимуществ, в том числе:

2.4.1. Возможность выполнения усиления без нарушения внешнего вида и конструктивных особенностей здания, что особенно актуально при реставрации памятников архитектуры и, в частности их фундаментов, могущих представлять собой особый интерес как памятник инженерного искусства;

2.4.2. Возможность выполнения усиления грунтов основания и фундаментов в сочетании с увеличением полезного объема здания за счет устройства под ним дополнительных подвальных помещений, что особенно важно при реконструкции районов старинной застройки, где по условиям охраны памятников архитектуры невозможна надстройка зданий, а увеличение их эксплуатируемой площади возможно лишь за счет освоения подземного пространства;

2.4.3. Возможность ведения работ по усилению оснований и подземных конструкций из подвалов зданий, а надземных- с перекрытий, лесов и верха стен зданий;

2.4.4. Возможность проведения усиления практически в любых грунтовых условиях;

2.4.5. Возможность проведения усиления грунтов основания и фундаментов без прекращения или остановки выполнения других работ по реставрации или реконструкции объекта;

2.4.6. Высокая надежность инъекционных методов в сочетании с возможностью применения современных эффективных методов контроля качества работ;

2.4.7. Высокая экономическая эффективность инъекционных методов усиления, низкий расход материалов на единицу воспринимаемой нагрузки, минимальные объемы земляных работ и затраты ручного труда .

Радикальным способом предотвращения дальнейшего развития деформаций является ликвидация, в зоне сжатия под фундаментом просадочных свойств лессовых суглинков ИГЭ - 3,4, мощность которых ниже подошвы фундаментов составляет 4,7 - 4,9 (до кровли подстилающих глин ИГЭ - 5).

Способов ликвидации просадочных свойств лессовых грунтов под фундаментами существующих зданий несколько.

Одновременно следует привести в порядок водонесущие коммуникации, выяснить источник и ликвидировать поступление воды в старый септик.

Выбор наиболее подходящего способа с учетом конкретной грунтовой обстановки, конструкции здания и технических возможностей местных организаций остается за буроинъекционными сваями. После осуществления этих мероприятий деформации здания стабилизируются.



3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ

3.1 Общие принципы проектирования усиления. Усиление грунтов основания и фундаментов

Основной задачей при проектировании усиления оснований и фундаментов является правильный выбор вида усиления, определение и конструирование его отдельных элементов.[6]

Усиление буроинъекционными сваями ? это определение:

- несущей способности свай по грунту и материалу ствола;

- основных параметров свай, их длины и диаметра, угла наклона, величины заделки в стены или фундаменты;

- общего количества свай на объекте и принципа их расположения в плане;

- стадийности работ и способа их производства;

Необходимыми критериями при проектировании усиления оснований и фундаментов, обеспечивающими прочность, устойчивость и долговечность сооружений, являются предельно допустимая осадка и разность осадок частей или отдельных фундаментов, приемлемые для данной конкретной конструкции с точки зрения сохранения ею прочности и эксплуатационной пригодности.

При проектировании усиления для каждого здания или сооружения необходимо прогнозировать ожидаемые абсолютные осадки и разности их в отдельных точках сооружения в плане до усиления и после него.

Величины осадок зависят от:

- инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторасположения реконструируемого или реставрируемого объекта;

- интенсивности нагрузок в отдельных его частях, а также интенсивности загружения отдельных частей здания при его реконструкции в связи с заменой перекрытий, надстройкой и т.п.

- физико-механических характеристик грунтов основания, залегающих на различных глубинах;

- способности сооружения следовать за осадками грунта, иначе говоря, от общей его жесткости или жесткости отдельных его конструктивных элементов.

Началу проектирования усиления должны предшествовать инженерно-геологические изыскания на участке размещения объекта. Данные этих изысканий должны содержать достаточно полное описание конструкций существующих фундаментов, грунтов основания на требуемую глубину и их физико-механические характеристики, а также сведения о наличии и степени агрессивности грунтовых вод.

Инженерно-геологические изыскания должны осуществляться в соответствии с техническим заданием организации, выполняющей проектирование усиления. Основные требования к инженерно-геологическим изысканиям изложены в соответствующей Главе СНиП.

В результате проведения инженерно-геологических изысканий должны быть получены следующие данные о:

- местоположении и рельефе территории объекта усиления, климатических и сейсмических условиях, ранее выполнявшихся исследованиях и проводившихся усилениях существующих фундаментов, грунтов основания;

- типе, конструкции, материале, глубине заложения существующих фундаментов, степени их сохранности, механических и прочностных характеристиках материала;

- геологическом строении, литологическом составе толщи грунтов, их состоянии и физико-механических свойствах, наблюдаемых неблагоприятных физико-геологических и инженерно-геологических явлениях (карст, оползни, просадки и набухание грунтов, горные подработки и т.п.);

- гидрогеологических условиях с указанием абсолютных отметок уровней грунтовых вод, в том числе на период промерзания, сезонных и многолетних амплитудах их колебаний и величинах расходов;

- опыте местного строительства;

- прогнозе изменения инженерно-геологических условий на участке размещения объекта;

Объем и характер инженерно-геологических изысканий должны удовлетворять требованиям главы СНиП и соответствовать следующим целям:

- определению глубины заложения фундаментов усиления;

- оценке несущей способности грунтов основания;

- выбору наиболее рациональной конструкции усиления;

- выбору, в случае необходимости, методов улучшения свойств грунтов основания;

- выбору наиболее рационального метода производства работ по усилению оснований и фундаментов;

- расчету ожидаемых осадок фундаментов после выполнения усиления и их устойчивости;

Степень детализации геологических условий участка и число разведочных выработок назначается в зависимости от размеров реконструируемых или реставрируемых объектов в плане и сложности геологического строения площадки, но должно быть не менее двух-трех скважин по контуру каждого здания или сооружения.

Глубина проходки разведочных выработок должна обеспечить получение достаточного объема информации для проектирования конструкций усиления.

При проектировании усиления буроинъекционными сваями, а также при выборе метода производства работ по их устройству особое внимание следует обращать на результаты гидрогеологических исследований, являющихся составной частью инженерно-геологических изысканий, проводимых на площадке.

При гидрогеологических исследованиях должны быть выявлены:

- абсолютные отметки появления и установления уровней грунтовых вод;

- скорость и направление потоков грунтовых вод;

- характер сезонных колебаний уровней грунтовых вод во времени, в частности, абсолютные отметки максимальных и минимальных уровней грунтовых вод, а также степень влияния атмосферных осадков на изменение этих уровней;

- фильтрационные свойства водосодержащих пород;

- химический состав грунтовых вод для оценки степени их агрессивности к материалам конструкций усиления.

3.2 Рекомендуемая область применения усиления грунтов основания и фундаментов реставрируемых и реконструируемых объектов инъекционными методами

Целесообразность применения усиления грунтов основания и фундаментов инъекционными методами должна определяться конкретными условиями работ и обоснована технико-экономическим сравнением вариантов проектных решений.

Необходимость усиления грунтов основания и фундаментов зданий и сооружений вызывается:

- потерей прочности или устойчивости, частичной или полной, конструкций существующих фундаментов;

- развитием недопустимых по величине и неравномерности осадок сооружения или отдельных его частей, вызываемых потерей прочности грунтов основания и, как следствие, разрушением конструкций фундаментов;

- увеличением эксплуатационных нагрузок, связанным с изменениями в конструктивной схеме усиляемого объекта за счет замены несущих элементов при производстве работ, заменой оборудования на более тяжелое, изменением этажности, устройством заглубленных помещений под существующим зданием или сооружением и т.п.

Укрепительная цементация рекомендуется к применению в следующих основных случаях:

- усиление грунтов основания на контакте "фундамент-грунт" при недостаточной природной прочности грунтов основания в этой зоне, либо в случае разру3ения зоны контакта (гниение лежней, суффозия);

- усиление конструкций существующих фундаментов при потере прочности материала кладки фундаментов или связующего раствора, а также увеличении действующих на фундаменты нагрузок;

Буроинъекционные сваи рекомендуется применять в следующих случаях:

- усиление грунтов основания для стабилизации осадок существующих зданий и сооружений;

- усиление грунтов основания и фундаментов существующих зданий и сооружений при изменении в процессе реставрации или реконструкции конструктивной схемы объекта усиления;

- реставрация, реконструкция или строительство в сложных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях;

- реставрация, реконструкция или строительство в отдаленных или труднодоступных районах;

- при использовании свай в качестве анкеров при строительстве подземных сооружений типа подпорных стен, включая так называемые "сетчатые".



3.3 Основные принципы проектирования

Проектирование укрепительной цементации существующих фундаментов и контакта "фундамент-грунт" должно предшествовать проектированию буроинъекционных свай и включает, в зависимости от вида и состояния существующего фундамента, расчет количества, диаметра, длины и угла наклона цементационных скважин, определение планового положения скважин, а также подбор составов инъекционных растворов, разработку технологической схемы цементации и определение объемов работ.

Стадийность проектирования и состав проекта усиления определяется заданием на проектирование в соответствии с СН.

Предварительные размеры (диаметр и длина) буроинъекционных свай назначаются с учетом инженерно-геологических условий площадки, нагрузки, которую должны воспринимать сваи, вида и состояния усиляемого фундамента, а также несущей способности свай, прогнозируемой в соответствии с опытом проектировщика или определяемой в соответствии с требованиями нормативной литературы.

Расчет буроинъекционных свай по прочности материала ствола выполняется в соответствии с требованиями СНиП.

При расчете буроинъекционных свай по прочности материала ствола сваю следует рассматривать как упругий стержень с начальным прогибом, жестко защемленный в грунт в сечении, где модуль деформации грунта Е > 5 Мпа.

Учет продольного изгиба производится по методу, предполагающему потерю устойчивости сваи в слабом грунте при Е < 5 Мпа, по нескольким полуволнам, причем число полуволн зависит от соотношения жесткостей сваи и окружающего грунта и практически не зависит от вида заделки сваи в ростверк.

Рис.3.1 - Расчет буроинъекционных свай по прочности

При проектировании усиления фундамента, на который действуют одновременно вертикальные и горизонтальные нагрузки, необходимо стремиться к тому, чтобы центр тяжести сечения свай в любом разрезе, перпендикулярном к линии равнодействующей, находился на этой линии (рисунок 6).

Армирование буроинъекционных свай выполняется по расчету или назначается конструктивно. Сваи армируются одиночными арматурными стержнями, сварными каркасами, жесткой арматурой в виде проката черных металлов или металлическими трубами. Арматура сваи может быть однородной по длине и комбинированной, например, труба или прокат в зоне действия изгибающего момента и каркас или одиночный стержень на остальной длине сваи. В отдельных случаях армирование сваи может производиться нержавеющими металлами или другими, не подвергающимися коррозии материалами.