Способ усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий. Способ усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий включает разработку котлована, подведение под подошву фундаментов элементов усиления продавливанием их продавливающей установкой в заданном горизонтальном направлении с одновременным образованием защитного слоя грунта между подошвой фундамента и верхней поверхностью элементов усиления. Новым является то, что толщину защитного слоя определяют по приведенной математической зависимости. Технический результат изобретения состоит в повышении несущей способности фундамента всего здания, расширение области применения способа по грунтовым условиям и фундаментам, увеличение производительности труда. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для усиления оснований фундаментов реконструируемых и аварийных зданий.

Известен способ укрепления фундамента, согласно которому вдоль укрепляемой конструкции выкапывают траншеи, затем пробойником в основании прокладывают скважины, изогнутые подобно расчетным линиям одинаковых горизонтальных напряжений, которые заполняют цементным раствором и соединяют на концах перемычками. Расстояние от нижней точки фундамента до верхней точки оси изогнутой сваи должно быть не более трех диаметров сваи, а расстояние между осями двух параллельных свай не менее шести диаметров (см., например, a.c. SU №1671778, кл. Е 02 D 27/08, 1988 г.).

Недостатком способа является ограниченность в применении, его невозможно применить в грунтах, где происходит оплывание или осыпание стенок прокладываемых скважин.

Известен способ усиления основания ленточного фундамента при реконструкции зданий и сооружений, включающий разработку траншеи с внешней стороны фундамента, размещение из траншеи в основание, с помощью пневмопробойника, вплотную к подошве фундамента горизонтальных, параллельных друг другу армоэлементов с шагом, равным 3 высотам сечения армоэлемента. Высота сечения армоэлемента находится в пределах 0,125-0,075 ширины фундамента, а концевые участки образуют в пределах 0,5-1,5 ширины фундамента (см., например патент RU №2032024, кл. Е 02 D 27/08, 37/00, 1995 г.).

Размещение армоэлементов вплотную к подошве фундамента может привести к смещению последнего в направлении пневмопробивки, за счет сил трения, возникающих при устройстве армоэлементов. К тому же использование для этой цели пневмопробойника, вызывает наложение уплотненных зон и вызывает изменение направления пневмопробивки, т.е. отклонение пневмопробойника от заданного направления. Такое отклонение может привести к поломке рабочего органа и нежелательному воздействию на подошву фундамента.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату, является способ усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий, включающий разработку котлована, подведение под подошву фундаментов элементов усиления продавливанием их продавливающей установкой в заданном горизонтальном направлении с одновременным образованием защитного слоя грунта между подошвой фундамента и верхней поверхностью элементов усиления (см., например, патент RU 2164982 С1, 10.04.2001, Е 02 D 27/08).

К недостаткам известных способов следует отнести низкую производительность, ограниченную область применения из-за невозможности их использования для укрепления фундамента всего здания, а лишь только отдельно стоящих фундаментов.

Задачей изобретения является повышение несущей способности фундамента всего здания, расширение области применения способа по грунтовым условиям и фундаментам, увеличение производительности труда.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий, включающем разработку котлована, подведение под подошву фундаментов элементов усиления продавливанием их продавливающей установкой в заданном горизонтальном направлении с одновременным образованием защитного слоя грунта между подошвой фундамента и верхней поверхностью элементов усиления, согласно изобретению толщину защитного слоя определяют по зависимости:

h=2·К_у·dLg[(ρ_s-ρ_dy)/(ρ_dy-ρ_d)

где 2 - коэффициент, учитывающий влияние подошвы фундамента или соседнего элемента усиления на уплотнение грунта;

К_у - безразмерный коэффициент, учитывающий изменение плотности грунта в уплотненной зоне, равный ρ_d/ρ_dу,

d - диаметр элемента усиления, см;

ρ_s - плотность частиц грунта, г/см;

ρ_d - плотность грунта в сухом состоянии до продавливания элементов усиления, г/см;

ρ_dу - требуемая плотность грунта в сухом состоянии после продавливания элементов усиления, г/см, при этом шаг продавливания элементов усиления равен b=2h.

Котлован могут размещать с наружной стороны здания, параллельно торцевой или продольной несущей стене, на глубину 0,8-1,0 м ниже отметки подошвы наиболее заглубленного фундамента

Кроме того, продавливание элементов усиления могут производить после принятия конструктивной схемы их расположения в плане здания, определения очередности продавливания и разбивки осей элементов усиления относительно осей здания, при этом первую секцию продавливаемого элемента усиления предварительно бетонируют на длину до 1,5 м и на расстоянии 0,5d элемента усиления от его начала. При этом в качестве элементов усиления могут применять цельные, а также жестко соединенные между собой в стык до проектной длины секции стальных труб, которые заполняют бетоном до или после их продавливания.

В процессе формирования элементов усиления могут производить проверку отклонения продавливаемых секций элементов усиления относительно заданного направления и разбивочных осей.

Очередность установки элементов усиления определяют в зависимости от их диаметра, технического состояния здания и физико-механических характеристик грунтов.

Концевые участки элементов усиления образуют дополнительную опорную площадь самого здания.

Несущая способность искусственного основания в 1,8-3,3 раза превышает несущую способность основания до его устройства. Повышение несущей способности основания фундаментов происходит за счет:

- образования уплотненной зоны грунта около пространства с элементами усиления с улучшенными физико-механическими характеристиками;

- вовлечения в работу элементов усиления, распределяющих передаваемую на них нагрузку от фундамента на большую площадь;

- изменения напряженного состояния сжимаемой зоны основания.

В качестве элементов усиления применяют, как цельные, так и составные, жестко соединенные между собой секции стальных труб, при необходимости, заполненные бетоном (класса В 3,5 и выше) до или после продавливания элементов усиления на проектную длину. Длина элементов усиления может составлять несколько десятков метров, что позволяет повышать несущую способность основания фундаментов внутренних и наружных несущих стен с внешней стороны аварийного или реконструированного здания, не оказывая влияния на условия его эксплуатации.

Увеличение или уменьшение толщины защитного слоя, диаметра элементов усиления или шага элементов усиления позволяет формировать уплотненную зону требуемых размеров и создавать наперед заданные условия воздействия уплотненной зоны грунта на подошву фундамента. Это дает возможность не только выравнивать напряженно-деформированное состояние системы “основание-фундамент” в плане здания, но и компенсировать (предупреждать) возможные осадки фундаментов при проходке вблизи здания, тоннелей и других выработок.

Способ иллюстрируется чертежами, где

- на фиг.1 показана схема продавливания элементов усиления в сжимаемую зону основания ленточного фундамента;

- на фиг.2 - сечение А-А;

- на фиг.3 - конструктивные схемы (примеры) расположения элементов усиления в плане фундаментов здания: а) поперечная; б) продольная; в) лучевая; г) комбинированная; д) диагональная.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Предварительно определяют конструктивную схему усиления здания с учетом технического состояния несущих конструкций, инженерно-геологических условий, степени их изменения за период эксплуатации, нагрузки, воздействий и т.д.

Конструктивные схемы расположения шпального распределителя относительно фундаментов в плане и по глубине основания определяется в зависимости от:

- изменчивости грунтовых условий площадки;

- конструктивной схемы и технического состояния здания;

- вида фундаментов и глубины заложения их подошвы;

- нагрузок и воздействий на систему “основание-фундамент”;

- наличия действующих надземных и подземных коммуникаций, способных повлиять на производство работ;

- назначения элементов усиления.

С наружной стороны здания параллельно торцевой или продольной несущей стены разрабатывают котлован на глубину Н=0,8-1,0 м ниже отметки заложения подошвы наиболее заглубленного фундамента 1. В соответствии с принятой конструктивной схемой расположения элементов усиления в плане здания, разбивают оси элементов усиления 2 относительно привязочных осей здания. Устанавливают очередность продавливания элементов усиления и производят их маркировку. Далее монтируют продавливающую установку 3 и выставляют ее направляющую платформу 4 относительно разбивочных осей элементов усиления 2 и подошвы фундаментов 1. На направляющую платформу 4 укладывают первую секцию элементов усиления 2, предварительно забетонированную на длину (z) до 1,5 метров и на расстоянии (s)=0,5d элемента усиления от его начала. Далее последовательно в заданном горизонтальном направлении продавливают его в стенку котлована, под подошву фундамента. При помощи сварного или иного жесткого соединения стыкуют (не показано) последующую секцию элемента усиления 2 с уже продавленным элементом усиления и продавливают далее под подошву фундамента. Таким образом последовательно стыкуют и продавливают секции элементов усиления до момента достижения требуемой (проектной) длины элемента усиления (L) с образованием концевых участков (f) за границами самого здания. По мере продавливания секции проверяют отклонение элемента усиления от заданного направления и разбивочных осей. При необходимости, с помощью бетононасоса внутренний объем элемента усиления бетонируют подвижной бетонной смесью на мелком заполнителе.

Продавливающую установку 3 перемещают на следующую позицию продавливания элемента усиления и цикл повторяют. Таким образом формируют искусственное основание с элементами усиления 5 с одновременным образованием защитного слоя (h) между подошвой фундамента 1 и верхней поверхностью элементов усиления 5. Толщину защитного слоя (h) определяют по выше приведенной зависимости, а шаг установки элементов усиления (b) равен 2h. После устройства элементов усиления на захватке котлована производят обратную засыпку. В результате образования искусственного основания с элементами усиления произошло повышение несущей способности системы “основание - фундамент” в 1,8-3,3 раза.

Пример. Необходимо произвести усиление фундамента жилого 9-ти этажного дома, принятого в эксплуатацию 1984 г. В результате уточнения инженерно-геологических условий было установлено:

- в основании фундамента на глубине 6-9 метров сформировались подземные воды, которые не были встречены при проведении изысканий на стадии рабочего проектирования;

- несмотря на подтопление площадки, в основании сборных ленточных фундаментов сохранились зоны и участки просадочного суглинка;

- снижение прочностных и деформативных характеристик грунтов за счет перехода твердого и полутвердого суглинка в мягко и текучепластичное состояние;

- основание фундаментов по состоянию, мощности и физико-механическим характеристикам выделенных инженерно-геологических элементов крайне неоднородно в плане и по глубине площадки.

В сложившихся инженерно-геологических условиях с учетом технического состояния здания были запроектированы элементы усиления с поперечной схемой расположения (см. фиг.3),

Изготовленные из стальных составных труб диаметром 0,32 м длиной 15 м и 18 м, шагом элементов усиления 1 м и толщиной защитного слоя 0,5 м. Заполнение элементов усиления бетоном класса в 7,5 предполагалось вести с помощью бетононасоса после продавливания шпал на проектную длину. При производстве работ через смотровые шурфы, выкопанные в подвале по направлению продавливания элементов усиления осуществлялся контроль за возможным отклонением элементов усиления от заданного направления, по установленным на характерных трещинах маякам велись наблюдения за поведением конструкций дома. После продавливания нескольких элементов усиления с шагом 1 м обнаружилось, что в основании фундаментов развивается значительный отпор грунта, способный вызвать их локальный подъем. С целью определения причин возникновения отпора были исследованы пробы грунта (суглинка), отобранные из уплотненной зоны околошпального пространства. Выяснилось, что образование отпора грунта связано с воздействием жесткого элемента (элемента усиления) на подошву фундамента через обжатую продавливанием элементами усиления зону основания. Для уменьшения отпора грунта шаг продавливания элементами усиления был изменен и принят равным 1,2 м. Заполнение элементов усиления, длина которых составила 15-18 м, осуществлялось после их продавливания товарным бетоном В 7.5 на крупном заполнителе с помощью бетононасоса.

Проведенные контрольные замеры отклонения элементов усиления от заданного направления по вскрытым шурфам показали, что оно составило +6 см при длине элементов усиления 15-18 м.

Проведенный анализ технического состояния дома после завершения усиления оснований фундаментов элементами усиления по результатам наблюдений с 1993 г. подтвердил эффективность принятого варианта усиления: система “основание-фундамент” стабилизировалась, развитие трещин прекратилось, а фактические затраты на устройство основания с элементами усиления по сравнению с базовым вариантом снижены в 1,8 раза. В качестве базового варианта был принят метод инъектирования (цементация) на глубину 8 м.

Основными достоинствами предлагаемого способа усиления фундамента являются то, что:

- происходит усиление основания фундаментов под всем зданием в целом;

- усиление грунтов основания приводит к повышению несущей способности системы “основание-фундамент” в 1,8-3,3 раза;

- усиление грунтов основания фундаментов можно выполнять без отселения жильцов и нарушения технологического режима эксплуатации объекта;

- стоимость работ по усилению фундаментов снизилась по сравнению с базовым вариантом в 2 раза, повысилась производительность труда;

- отсутствие каких-либо воздействий на расположенные вблизи здания и сооружения и гидрогеологические условия площадки.

Формула изобретения

1. Способ усиления основания фундаментов аварийных и реконструируемых зданий, включающий разработку котлована, подведение под подошву фундаментов элементов усиления продавливанием их продавливающей установкой в заданном горизонтальном направлении с одновременным образованием защитного слоя грунта между подошвой фундамента и верхней поверхностью элементов усиления, отличающийся тем, что толщину защитного слоя определяют по зависимости

h = 2 · К_у · d L_g [ (ρ_S - ρ_dy) / (ρ_dy - ρ_d),

где 2 – коэффициент, учитывающий влияние подошвы фундамента или соседнего элемента усиления на уплотнение грунта;

К_у – безразмерный коэффициент, учитывающий изменение плотности грунта в уплотненной зоне, равный ρ_d / ρ_dy;

d - диаметр элемента усиления, см;

ρ_S – плотность частиц грунта, г/см;

ρ_d – плотность грунта в сухом состоянии до продавливания элементов усиления, г/см;

ρ_dy – требуемая плотность грунта в сухом состоянии после продавливания элементов усиления, г/см,

при этом шаг продавливания элементов усиления равен b = 2h.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что котлован размещают с наружной стороны здания, параллельно торцевой или продольной несущей стене, на глубину 0,8–1,0 м ниже отметки подошвы наиболее заглубленного фундамента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продавливание элементов усиления производят после принятия конструктивной схемы их расположения в плане здания, определения очередности продавливания и разбивки осей элементов усиления относительно осей здания, при этом первую секцию продавливаемого элемента усиления предварительно бетонируют на длину до 1,5 м и на расстоянии 0,5d элемента усиления от его начала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элементов усиления применяют цельные, а также жестко соединенные между собой в стык до проектной длины секции стальных труб, которые заполняют бетоном до или после их продавливания.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в процессе формирования элементов усиления производят проверку отклонения продавливаемых секций элементов усиления относительно заданного направления и разбивочных осей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3