Усиление фундаментов

Фундаменты для сооружений изготовляют из различных материалов: дерева, бутового камня, кирпича, бетона и железобетона. Металлические конструкции применяют очень редко для временных сооружений. Усилению фундаментов посвящен ряд работ.
Деревянные фундаменты и деревянные сваи. Применяются они только для малоэтажных зданий и в основном в лесных районах. Деревянные фундаменты в виде стульев и сваи успешно используются в районах распространения вечной мерзлоты и для подводных сооружений. Основной недостаток деревянных фундаментов состоит в гниении древесины, особенно при температуре более 10°С при влажности менее 70%. Поэтому при понижении уровня грунтовых вод наблюдается быстрое гниение деревянных свай и деревянных фундаментов.
Срок службы деревянных фундаментов зависит от породы дерева, диаметра бревен, степени защищенности дерева, фильтрационных свойств окружающего грунта и т.п. Деревянные конструкции, тщательно защищенные от биологических воздействий, прекрасно эксплуатируются десятки лет.
При обнаружении дефектов в деревянных фундаментах возможны либо замена отдельных пораженных элементов на новые, либо очистка деревянных элементов от гнили в случае, если глубина поражения невелика и прочность оставшейся ненарушенной части достаточна для воспринятия расчетных усилий. Заменять деревянный стул следует в том случае, если он сгнил на половину своего прежнего диаметра. На место сгнивших деревянных стульев можно ставить новые деревянные или каменные столбы. Целесообразно заменять сгнившие деревянные стулья каменными столбами на известковом и известково-цементном растворах. Основанием каменных стульев должны служить грунты с ненарушенной структурой при глубине заложения более 70 см.
В плане каменные стулья могут быть квадратными, прямоугольными и крестообразными с размерами 40...70 см. Каменные стулья крестообразного сечения применяются под взаимно пересекающимися стенами. При слабых грунтах основание каменных стульев можно расширить книзу, создав уступы или наклонные поверхности боковых граней. Глубина заложения нового стула зависит от грунтовых условий, но она должна быть не менее 0,7 м от поверхности земли.
При необходимости усиления фундаментов из деревянных свай в результате гниения дерева при понижении (постоянном или сезонном) уровня грунтовых вод обычно отрывают шурфы до постоянного уровня грунтовых вод и механически удаляют прогнившие части, после чего их заменяют другими деревянными элементами. Всю отремонтированную часть деревянной сваи выше уровня грунтовых вод покрывают специальными битумными или каменноугольными смоляными обмазками, препятствующими дальнейшему гниению дерева.
Чаще всего усиление деревянных свай, после очистки от продуктов гниения, производится заключением их в бетонную или железобетонную обойму. В этом случае после отрывки траншеи или шурфов до уровня грунтовых вод устанавливается деревянная или металлическая опалубка вдоль всего ряда деревянных свай или вокруг всего куста из деревянных свай и выполняется бетонирование. В случае если концы деревянных свай сгнили полностью выше уровня грунтовых вод, то отрывка траншей производится захватками длиной 2...3 м, а обнаженные элементы фундаментных конструкций вывешиваются домкратами и делается бетонирование ростверка до верха сохранившихся частей деревянных свай. При этом арматура, устанавливается на месте концов сгнивших деревянных свай, соединяется с оставшейся деревянной сваей гвоздями или штырями.
При разрушении деревянного ростверка он заменяется бетонными частями с вывешиванием домкратами последовательно каждого участка ростверка. При сохранении части бревен в деревянном ростверке удаляют сгнившие части и усиливают его деревянными брусьями, металлическими элементами или заключением в бетонную или железобетонную обойму.
Бутовые фундаменты. Дефекты бутовых фундаментов в основном проявляются в снижении прочности раствора и в разрушении отдельных камней, если применяются мергелистый или известняковый камни. При воздействии агрессивных вод в таких камнях появляются каверны и раковины. В старых зданиях большинство бутовых фундаментов имеют прямоугольное сечение, реже - форму трапеции. В большинстве случае возникают трещины в углах фундаментных конструкций, которые разбивают фундаменты на отдельные части.
Если камни в некоторых местах бутовых фундаментов свободно выбираются, хотя боковые стенки остаются вертикальными, а раствор между камнями потерял прочность, считается, что износ таких фундаментов составляет 60%. В этом случае для усиления часто устраивается железобетонная обойма, при этом до бетонирования выбираются расшатанные камни и удаляются разрушенный бетон и раствор. Под влиянием различных условий растворы, на которых выложены фундаменты, иногда теряют свою прочность и превращаются в легко разрушаемый материал, напоминающий пористые песчаные грунты. При этом после отрывки котлована вертикальные стенки бутового фундамента часто теряют устойчивость, а раствор между камнями практически отсутствует, в связи с чем камни из тела бутового фундамента свободно выбираются. Износ такого фундамента превышает 80%.
Для упрочнения бутовых фундаментов с износом более 80% как столбчатых, так и ленточных, в них обычно нагнетают цементный раствор консистенции 1:1...1:10 (цемент:вода) с тем, чтобы восстановить прочность и качество раствора. Для этого либо вдоль поверхностей бутового фундамента устанавливают железобетонную обойму и сквозь нее устанавливают металлические трубки для цементации, либо в каменном фундаменте пробивают или пробуривают отверстия для инъектора.
Фундаменты, выполненные из слабого камня, часто разрушаются, в некоторых случаях приходят в полную негодность, когда стены еще пригодны для эксплуатации. В этих случаях могут применяться следующие варианты усиления:
- при незначительных повреждениях кладки в ленточные фундаменты в шахматном порядке через 0,5 м закладываются анкерные штыри, на выпуске которых навешивается арматурная сетка и по ней устраивается железобетонная "рубашка" методом торкретирования, набрызгом или укладкой бетона в опалубку (рис. 3.69, а). Поверхность бетона покрывается битумной или другой изоляцией, а выкопанные пазухи засыпаются грунтом;

если в отдельных местах фундамента кладка утратила несущую способность, то для восстановления можно не заменять ее новой, а усилить столбами (рис. 3.69, б). Для этого на плиты укладываются сборные квадратные стаканы, которые заполняются бетоном и перекрываются ригелями с подбетонкой для плотного заполнения зазора между кладкой и вновь возведенными конструкциями фундамента. Малоповрежденная часть фундаментов при необходимости усиливается железобетонной "рубашкой"; при полном разрушении ленточного фундамента он либо заменяется новым, либо усиливается, как в предыдущем случае, столбами, но с укладкой по ригелям железобетонных рандбалок.
При бутовых фундаментах, кладка которых выполнена недоброкачественно или подверглась разрушающему действию агрессивной среды, наиболее опасно появление трещин в нижних ступенях фундамента. Для устранения их влияния, а также в тех случаях, когда в связи с реконструкцией или при возрастании нагрузки на бутовый фундамент необходимо увеличить площадь его подошвы, производится либо подводка железобетонного фундамента, либо пробивка штраб и отверстий в нижней части бутового фундамента и установка в них арматуры или стальных профилей с последующим цементированием пробитых штраб и отверстий раствором марки 100 и более. Грунт под новые участки фундамента уплотняется втрамбовыванием в него щебня последовательными слоями толщиной 5...10 см.
Для расширения площади подошвы столбчатого фундамента необходимо, чтобы ранее уложенная в фундамент арматура (рис. 3.70, а) была достаточной для возросших размеров фундамента, что требует изменения высоты фундамента h1 до h2 и тем самым увеличения плеча внутренней пары. Для этого в существующем фундаменте 1 обнажаются концы рабочей арматуры 6 и к ним привариваются стержни уширения фундамента, устанавливается арматура 7 и укладывается новый бетон 2.

При необходимости значительного увеличения нагрузки на отдельно расположенные столбчатые бутовые фундаменты возможно объединение их в ленточные. Чтобы давление от стен лучше передавалось на новые фундаменты, можно применять поперечники из металлических балок (рис. 3.71), устанавливаемые в стену на расстоянии 2...3 м. Вдоль боковых поверхностей бутовых фундаментов можно устанавливать железобетонные обоймы, а для закладки арматуры в двух уровнях в бутовых столбчатых фундаментах пробивают штрабы и отверстия. Железобетонные вставки и обоймы изготовляются из бетона марки 150 и более. В агрессивных средах применяются сульфатостойкие цементы, а поверхности фундаментов покрываются стеклохолстом на битуме или другими антикоррозионными обмазками.

Наиболее сложно усиление фундаментов в углах и пересечениях. Поэтому местное усиление следует проектировать вне углов и пересечений, на наиболее нагруженных прямых участках. При усилении часть нагрузки на грунт под существующим фундаментом снимается и передается на плиты уширения с таким расчетом, чтобы давление на грунт везде стало примерно одинаковым. Ребристая плита должна заделываться по контуру в штрабы и опираться на стены.
В случае значительного увеличения нагрузки на ленточные фундаменты и невозможности подводки фундаментов из-за высокого уровня грунтовых вод или наличия подземных технологических трубопроводов возможно объединение ленточных фундаментов в плиту. Для этого промежутки между ленточными фундаментами заполняются бетоном марки 150 и более с армированными сетками из круглой стали или металлическим прокатом.
Если образуются многочисленные трещины из-за неравномерных осадок ленточного бутового фундамента, то усиление можно осуществить укладкой в штрабы на уровне низа и верха с обеих сторон бутового фундамента по всей длине швеллеров или двутавров, которые соединяются между собой болтами через 1,5...3 м по длине. Затем бетонируют штрабы с металлическими балками, а сверху создают железобетонную обойму. Если вместо бутовых ленточные фундаменты выполнены из кирпича или малопрочного ракушечника, то разрушенные кирпичи или камни из ракушечника следует заменить на целые, а также заменить слой раствора, который отделился от соседней кирпичной кладки, на более прочный. При этом необходимо уложить стержни арматуры через три-четыре ряда кирпичей по высоте или через два-три ряда камней-ракушечников, а затем по аналогии с усилением ленточного бутового фундамента установить металлические балки в штрабы кирпичной кладки в двух уровнях и замоноличить штрабы цементным раствором так, чтобы минимальная толщина защитного слоя была не менее 30 мм.
Бетонные фундаменты без армирования применяются обычно в виде бутобетонных, когда в качестве крупного заполнителя применяется камень — бут. Они имеют различную форму в сечении — прямоугольную, трапецеидальную, с выступами около подошвы и др. При изменении нагрузки на фундамент, при неравномерных осадках и коррозии возникает необходимость в их усилении, а в некоторых случаях заглублении и уширении площади подошвы.
Основными дефектами таких фундаментов являются рабочие швы, образующиеся при перерывах бетонирования. В результате возникают пустоты, расщелины и полости, зачастую заполненные наносным грунтом. Обычно это происходит в зимних условиях, когда при перерывах бетонирования поверхности покрываются льдом или снегом. Ледяные линзы между нижней поверхностью бетонного фундамента и грунтовым основанием иногда являются причиной образования пустот под фундаментом и возникновения трещин в бетонном фундаменте. Для усиления необходимо очистить пустоты и заполнить, нагнетая в них цементный раствор или пластичный бетон. Прочность раствора или бетона должна быть выше прочности бетона ремонтируемой конструкции.
Железобетонные фундаменты имеют различную форму и размеры. По сравнению с другими типами фундаментов железобетонные фундаментные конструкции имеют малую площадь сечения, малый объем бетона и цемента. Дефекты железобетонных сборных фундаментов в основном определяются ошибками при изготовлении в результате нарушения режима тепловой обработки бетона, применения пластичных смесей, цементов, которые не обеспечивают необходимой распалубоч-ной прочности, или ошибками при перевозках и складировании, а также в результате неправильной подготовки основания при монтаже сборных фундаментов.
При проектировании столбчатых фундаментов могут применяться следующие варианты усиления. Во-первых, устройством рубашки, когда для увеличения подошвы фундамента обнажается арматура усиливаемого фундамента и к ней привариваются рабочие стержни усиления, устанавливаемые по граням усиливаемого фундамента (рис. 3.72, а, б). Рубашка фундамента заводится на нижнюю часть колонны на величину не менее 5 толщин обоймы и не менее большей стороны колонны.
Для восстановления несущей способности фундамента, получившего повреждения за время эксплуатации при отсутствии деформаций в основании и стабилизации нагрузки, допускается арматуру в бетоне усиления устанавливать конструктивно в один или два раза по периметру фундамента (рис. 3.72, в). Толщина и высота рубашки в этом случае определяется с учетом диаметра арматуры и величины защитного слоя.

Во-вторых, наращиванием, когда соединение осуществляется только в одном направлении приваркой арматуры наращиваемой части к обнажаемой арматуре основного фундамента (см. рис. 3.70, а). Усиление наращиванием может выполняться и с помощью железобетонных балок, пропущенных в пробитые в усиливаемом фундаменте отверстия и опирающихся на железобетонные плиты уширения (рис. 3.70, б).
Для обеспечения прочной связи между старым и новым бетоном как при усилении рубашками, так и наращиванием поверхности усиливаемого фундамента следует обработать насечкой, пескоструйным аппаратом, огнем, увлажнением бетона и обработкой его цементным тестом или применением клеевых композиций.
В-третьих, подводкой под фундамент новых частей, расположенных рядом с существующим фундаментом. В этом случае нагрузка от колонны на подводимые фундаменты передается через закрепленную на колонне металлическую обойму и подкосы, объединенные поперечными элементами.
При подводке следует обеспечить плотное примыкание существующего фундамента к подводимому фундаменту, для чего зазор, образованный между подводимым фундаментом и подошвой старого фундамента, следует заполнять пластичной бетонной смесью. Просадки и крены существующего фундамента выполняются с помощью гидродомкратов только после набора прочности нового фундамента, достаточной для воспринятия нагрузок от собственного веса конструкции.
При увеличении площади ленточного или столбчатого железобетонного фундамента путем уширения нижней ступени фундамента необходимо учитывать, что грунты в основании старого существующего фундамента уже уплотнились, а под новыми еще не консолидировались. В случае песчаных грунтов, где осадки происходят быстро во времени, участки грунтового основания под подошвой новых элементов фундаментов обжимаются давлением в 2...3 раза большим, чем может возникнуть под подошвой.
При водонасыщенных грунтах в основании для уширения фундаментов устраиваются песчаные подушки толщиной 20...50 см и производится обжатие грунтов. При лессовых просадочных или набухающих грунтах обжатие выполняется с использованием металлических или железобетонных жестких штампов, нагружаемых домкратами.
Во многих случаях требуется не только увеличить площадь подошвы фундаментов, но и сделать глубже заложение усиливаемых фундаментов подводкой сборных или монолитных железобетонных балок-стенок, столбчатых или фундаментных плит. Если под фундаментом залегает песчаный грунт, то после устройства цементной стяжки на него укладывается подводимая сборная фундаментная плита или устанавливается каркас, опалубка и изготовляется монолитная плита. Если в основании залегают водонасыщенные глинистые грунты, то грунт отрывается на 40...50 см ниже подошвы подводимого фундамента, а ширина траншеи на 1 м шире подошвы фундамента, и траншея засыпается крупным или среднезернистым песком, который уплотняется послойно (через 10...15 см). Затем устраивается стяжка из цементного раствора и проводятся работы, описанные выше.
Наиболее сложно усиливать бетонные и железобетонные конструкции в углах и в местах пересечений ленточных фундаментов. Поэтому при реконструкции ленточных фундаментов часто применяют контрфорсы через 2...3 м по длине с обеих сторон ленточного фундамента.
Подводка фундамента при наличии слабых грунтов в основании или вблизи более глубоко заложенных фундаментов осуществляется последовательно путем устройства столбчатых фундаментов глубокого заложения, которые являются частью подводимого ленточного фундамента.
Подводка, как правило, производится в зависимости от прочности существующих фундаментных конструкций и действующей на фундаменты нагрузки на участке длиной 2...3,5 м. Перед отрывкой шурфа или траншеи стену и фундамент закрепляют металлическим рамным каркасом в пределах участка и поддерживают с помощью домкратов через металлические балки, после чего подводят фундамент. Так последовательно подводятся один за другим элементы ленточного фундамента, которые впоследствии объединяют металлическими балками. При необходимости подводки фундамента в виде плиты большой ширины для повышения ее жесткости иногда устраивают железобетонные контрфорсы с обеих сторон старого ленточного фундамента. Арматура контрфорсов соединяется через отверстия, пробитые в стенке старого фундамента. Расстояние между контрфорсами принимается в зависимости от ширины подводимой плиты, ее толщины и армирования, свойств грунтов основания, действующей нагрузки в пределах 2,5...4,5 м.
Свайные фундаменты особенно эффективны в тех геологических условиях, когда на небольшой глубине (до 10 м) залегают прочные грунты, которые могут быть надежной опорой для нижних концов свай. Свайные фундаменты для усиления старых фундаментных конструкций устраиваются из сборных железобетонных свай, набивных бетонных, буроинъекционных корневидных, составных металлических, свай-оболочек и т.п.
Свайные фундаменты устраивают как непосредственно под существующими фундаментами, так и рядом в виде выносных свай. Они могут быть устроены в основании больших железобетонных плит каркасных зданий для исправления неравномерных по площади осадок. В этом случае в железобетонных плитах прорубаются окна для забивки или задавливании через них железобетонных свай. После обжатия погруженных свай домкратами усилием в 2 раза большим, чем расчетная нагрузка на сваю, плита соединяется с помощью специальных металлических траверс с домкратами, а сваи служат опорами для подъема.
После одновременного подъема железобетонной плиты всеми домкратами на проектную величину полость между ее нижней поверхностью и грунтовым основанием заполняется пластичным бетоном. Домкраты снимаются на 14...21 дн. после того, как бетон набрал необходимую прочность. На разрушенные головы забитых свай устанавливаются дополнительные арматурные каркасы для связи арматуры железобетонной плиты с арматурой свай. После этого стыки тщательно бетонируются пластичным мелкозернистым бетоном.

При усилении фундаментов используются также впрессованные сваи Мега, которые устраиваются из сборных железобетонных составных элементов заводского изготовления (рис. 3.73, а). Элемент сваи обычно выполняется сечением 25x25 или 30x30 см, длиной 60...80 см, армируется продольной рабочей арматурой и хомутами. Нижняя часть сваи имеет симметричное острие, при необходимости укрепленное листовой сталью толщиной 6...10 мм. Элементы по мере погружения стыкуются торцевыми гранями с помощью вертикальных штырей диаметром до 50 мм. Сваи вдавливаются поэлементно гидродомкратами, используя в качестве упора подошву существующего фундамента. При этом прочность существующего фундамента следует проверить на продавливание и на изгиб.
При усилении фундамента сваями Мега необходима отрывка котлована с оголением части подошвы фундамента, в значит временная разгрузка существующего фундамента на период проведения работ по задавливанию свай. Наращение и вдавливание элементов производят до достижения сваей расчетной несущей способности. Между оголовником сваи и распределительной плитой устанавливаются специальные подпорки, позволяющие передать усилие со сваи непосредственно на фундамент. После извлечения домкрата зазор между оголовником сваи и распределительным элементом заполняют бетоном. Сваи Мега могут устанавливаться как по оси фундамента в ряд, так и симметрично относительно оси в два ряда и более.
Для повышения несущей способности столбчатых и ленточных фундаментов небольшой ширины (до 3 м) обычно применяются выносные сваи, располагаемые за контуром усиливаемой части. Для этого с каждой стороны столбчатого или ленточного фундамента в один или два ряда сваи погружаются под давлением, в 2 раза превышающим расчетную нагрузку на сваю. Нагрузка передается подведением дополнительных балок, либо расширением ростверка.
При усилении ленточных фундаментов часть нагрузки может быть передана на располагаемые рядом свайные опоры посредством железобетонных ригелей, пропускаемых через пробитые в усиливаемом фундаменте отверстия (см. 3.73, б). Ригели опираются на железобетонный монолитный ростверк, который устанавливается на головы выносных железобетонных свай. Шаг рам, образованный ригелями и сваями, следует принять из расчета воспринятия полной нагрузки существующим фундаментом и его усилением. Вовлечение свай в работу происходит одновременно с осадкой старого фундамента.
Для обеспечения более полной передачи усилий на выносные сваи между верхом ростверка и ригелями или непосредственно на головы свай устанавливают домкраты.
При опирании поперечных балок непосредственно на сваи одновременному обжатию подлежат две симметричные сваи. При наличии обвязки, соединяющей головы свай в продольном направлении при ленточном фундаменте, обжатие производится отдельными участками. При этом на границе участков обвязка должна иметь поперечный шов. Перед снятием домкратов следует подклинить поперечные балки металлическими клиньями (рис. 3.74, а), с помощью которых можно поднять конструкцию и в образовавшееся пространство установить металлические подкладки с последующим бетонированием.

С целью недопущения ослабления ленточных фундаментов может быть рекомендован способ усиления, при котором в фундаментной стене пробивают отверстия для пропуска не поперечных балок целиком, а только арматурных стержней с последующим омоноличиванием их на участках, расположенных за гранями фундамента. Отверстия в фундаменте, через которые пропущены арматурные стержни, после установки последних следует заполнять раствором или клеевыми составами.
При невозможности использования свайных копров для забивки свай устраивают буронабиванием сваи, размещаемые аналогично забивным. Скважины для набивных бетонных свай бурят, продавливают или размывают. Буроинъекционные (корневидные) сваи (рис. 3.74, б) выполняют диаметром 50...280 мм, длиной до 50 м. Сваи армируются либо одиночными стержнями, либо сварными каркасами. При усилении фундамента эти сваи проходят обычно через тело существующего фундамента и располагаются наклонно веером или решеткой. Длина заделки свай в фундамент должна быть не менее 10 диаметров свай.
Инъецирование скважин цементно-песчаным раствором ведется через трубы диаметром 18...60 мм. Раствор с пластифицирующими и противоусадочными добавками подается в скважину под давлением 3...6 атм, что позволяет устраивать местное уширение ствола сваи. Благодаря частичной цементизации грунта, находящегося в контакте со сваей, эти сваи обладают высоким сопротивлением трению вдоль боковой поверхности. При неудовлетворительном состоянии существующего фундамента и отсутствии подхода непосредственно к телу фундамента буроинъекционные сваи могут устраиваться и за образами фундамента с последующим объединением их монолитным железобетонным ростверком, на который передается нагрузка от существующего фундамента.
Если грунты основания устойчиво сохраняют вертикальные стенки, то пробуренные скважины заполняются пластичным бетоном, который уплотняется в скважине глубинными вибраторами. Если в основании залегают грунты с большим коэффициентом фильтрации (Кф > 0,001 см/с), то необходимо учитывать возможность вымывания цемента из тела набивной сваи при движении грунтовых вод. При наличии агрессивных грунтовых вод и засоленных грунтов применяются сульфатостойкие цементы или набивные сваи выполняют в металлических, армоцементных и полимерных трубах, оставляемых в грунте. После затвердения набивных свай с пoмощью домкратов производится их обжатие давлением, на 60...80% большим расчетных усилий на сваю. Обычно в верхнюю часть бетонных свай на глубину 0,8...1 м закладывается арматурный каркас, который соединяется с арматурой ростверка.
Для вовлечения в работу и передачи нагрузки на набивные сваи и частично на грунты основания (особенно в тех случаях, если несущая способность устроенных свай недостаточна для полного воспринятия передаваемых усилий) после обжатия набивных свай грунт между ними расчищается и на глубину 50...90 см заполняется крупнозернистым песком, укладываемым слоями 10...15 см, уплотняемыми площадочными вибраторами и вибротрамбовками. При необходимости повышения прочности самих железобетонных свай обнажается поврежденный участок сваи, удаляется защитный слой бетона и обнажается арматура. К ней привариваются элементы арматурного каркаса железобетонной обоймы и производится бетонирование.
В случае разрушения защитного слоя в результате коррозии бетона и арматуры пораженный участок сваи обнажают, очищают, торкретируют и затем наносят антикоррозионные составы — битум, каменноугольные смолы, стеклоткань на эпоксидной или каменноугольных основах.
Повреждения (дефекты) в набивных сваях в виде пустот устраняются пробуриванием отверстия и подачи через скважину с помощью инъектора цементного раствора марки 200 и более с пластификаторами под давлением 4...8 атм.
Восстановление прочности трубчатых свай или свай-оболочек диаметром до 1,6 м, поврежденных в результате замерзания воды в полости сваи осуществляется оттаиванием льда, откачкой воды в последующим заполнением полости сваи цементным раствором марки 200 и более. При невозможности откачать воду из полости сваи заполнение ее цементным раствором производится подачей раствора в нижнюю часть свайной полости по специальным трубам.
Увеличение прочности и восстановление целостности железобетонных ростверков свайных фундаментов осуществляется теми же способами, что и восстановление ленточных железобетонных фундаментов.