Лекция 10. Реконструкция и усиление фундаментов и оснований

Необходимость усиления конструкций фундаментов, а также усиления оснований возникает в двух случаях:

1. При значительных деформациях зданий и сооружений, возникающих в результате проявления неравномерных осадок, кренов, сползаний и т.п., вследствие чего нарушается эксплуатационная пригодность сооружения или возникает возможность отказа основания или конструкций здания.

2. При реконструкции, когда возникает необходимость передачи на фундаменты повышенных по сравнению с ранее действовавшими нагрузок.

Первая проблема возникает при эксплуатации зданий в сложных инженерно-геологических условиях, к которым относятся: просадочные и набухающие грунты, сильно сжимаемые основания, оползни, карсты, подрабатываемые территории, вечномерзлые грунты и т. п. Основной причиной здесь являются ошибки, допускаемые при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений. Значительно реже такие ошибки возникают при разработке норм строительного проектирования. В качестве примера можно сослаться на бытовавшее в нормах на проектирование свайных фундаментов заблуждение в отношении учета сил негативного трения при строительстве на просадочных грунтах. Опыты по определению несущей способности свайных фундаментов на просадочных грунтах предполагали замачивание основания сверху, в результате чего уменьшались практически до нуля силы трения по боковым поверхностям. На основании этого в расчетах несущей способности свай на просадочных грунтах силы по боковым поверхностям не учитывались. При строительстве на просадочной толще грунтов II типа комплекса сооружений завода

«Атоммаш» в г. Волгодонске произошло замачивание грунтов снизу за счет подъема уровня грунтовых вод на 7–10 м. Поскольку в верхней части сваи контактировали с сухим грунтом, в этой зоне сохранились силы трения и сцепления по боковой поверхности фундаментов. При общих просадках грунтового массива за счет его замачивания снизу силы трения по боковой поверхности в верхней зоне свай превратились из удерживающих в нагружающие. Другими словами, за счет наличия этих сил проседающий

массив увлекал за собой сваи. В результате анализа этого явления были изменены расчетные формулы по определению несущей способности свай на просадочных грунтах. В этих формулах стали учитывать сопротивление грунта по боковым поверхностям свай, но не как удерживающие, а как нагружающие силы, принимаемые со знаком «минус».

Для принятия эффективных мер по усилению оснований и фундаментов крайне важно установить истинные причины, приведшие к недопустимым осадкам и другим видам перемещений строительных конструкций. Большую помощь в решении этой достаточно сложной инженерной проблемы оказывает классификация видов деформаций зданий и сооружений и причин, вызвавших эти деформации. Ниже приводятся отдельные фрагменты этой классификации, так как полному ее изложению посвящены целые монографии.

1. В наружных стенах имеются наклонные трещины, сконцентрированные в углах здания (рис. 10.1 а) и наклоненные наружу строительного объема. Могут также иметь место вертикальные трещины в средней части стен с максимальным раскрытием в верхней части здания. Наиболее вероятной причиной таких дефектов являются дополнительные осадки фундаментов наружных стен, вызванные замачиванием основания по наружному контуру здания. Как правили, при этом отсутствует или пришла в полную негодность отмостка вокруг здания. Описанная схема разрушения конструкций наружных стен существенно усугубляется при наличии в основании просадочных грунтов. Если площадка строительства является подрабатываемой, то первопричиной описанных выше дефектов в первую очередь могут быть вынужденные деформации земной поверхности. При этом должны также наблюдаться вертикальные трещины в фундаментной части здания с максимальным раскрытием в центре.

2. В стенах здания имеются зоны локальных разрушений, как правило, в пределах двух – трех простенков (рис. 10.1 б). Трещины в простенках и перемычках симметрично наклонены к центру разрушенной зоны. В крупнопанельных и крупноблочных зданиях трещины, как правило, концентрируются только в перемычках. При этом по наружным границам зоны разрушения они имеют раскрытие сверху, а в центральной части зоны разрушения – раскрытие снизу. Причиной таких дефектов являются локальные просадки основания, вызванные, например, порывом

водонесущих коммуникаций, суффозионным вымывом в основании мелких

а) 2 б) 1 2

WL 3

в) 1

г) 2

д)

2

s

j

е)

Рис. 10.1. Классификация видов деформаций зданий, вызванных неравномерными осадками основания: а – отсутствие отмостки и замачивание основания наружных стен; б – наличие зоны локальных просадок основания, например, в результате суффозионного переноса части грунта; в – возведение здания на неравномерно деформируемого основания, например, на элювиальных грунтах;

г – скольжение откоса; д – пригруз основания; е – разработка основания ниже подошвы фундаментов; 1 – наклонные трещины; 2 – нормальные трещины; 3 – зона локальной просадки; 4 – элювиальный грунт; 5 – график осадки основания от возведения нового здания; 6 – складируемая готовая продукция; 7 – разрабатываемый котлован в эксплуатируемом здании.

песков, наличием в основании линзы просадочных грунтов или карстовой полости с недостаточно устойчивой кровлей и т. п.

Действительная причина здесь устанавливается на основании результатов дополнительных инженерно-геологических изысканий. Процессам суффозионного вымыва из основания мелких песков может способствовать наличие вблизи здания подземных водонесущих коммуникаций с постоянными утечками.

3. В стенах здания наблюдается бессистемная картина трещинообразования (рис. 10.1 в). При этом наклонные трещины концентрируются в средней трети высоты здания, т. е. в зоне максимальных касательных напряжений, вызванных поперечными нагрузками. Причинами таких дефектов являются, как правило, неравномерно сжимаемые основания, свойства которых недостаточно учтены при проектировании. Неравномерная сжимаемость оснований обуславливается следующими природными особенностями геологического строения грунтового массива: клиновидным или куполообразным залеганием слабых грунтов в толще относительно крепких пород; включением невыветрелых глыбообразных обломков скальных пород в основание из пылевато-глинистых грунтов, характерным для элювиальных грунтов, распространенных, в частности, в Донбассе; различиями фильтрационных свойств геологических слоев грунта, приводящими к образованию под зданием купола грунтовых вод или депрессионной воронки.

4. В фундаментной и цокольной части здания имеются наклонные трещины у торцевой стены со стороны понижения рельефа, наклоненные наружу строительного объема (рис. 10.1 г), и нормальные трещины ближе к центральной оси здания. Такой вид дефектов свидетельствует о наличии на площадке строительства оползневых явлений, вызванных нарушением устойчивости откоса, на котором возведены здания. Одной из основных причин нарушения устойчивости откоса является изменение гидрогеологического режима территории, например, подъем уровня грунтовых вод в связи с экранированием земной поверхности объектами строительства, пересечением глубокими фундаментами водоносных горизонтов (барражный эффект), систематическими порывами водонесущих коммуникаций (замачивание сверху) и т.п. Горизонтальные перемещения основания при оползневых процессах могут достигать десятков сантиметров

и представляют большую опасность для устойчивости зданий и сооружений. Примером могут служить разрушения 9-тиэтажных зданий, школы и детского сада в микрорайоне «Тополь» г. Днепропетровска (1998), вызванные потерей устойчивости откоса, на котором были возведены здания, в связи с его полным водонасыщением за время эксплуатации объектов строительства.

5. Локальные разрушения конструкций здания или сооружения могут происходить в результате нагрузки основания в непосредственной близости от существующих фундаментов. Представленная на рис. 10.1 д схема разрушения колонны промышленного здания вызвана складированием в непосредственной близости от фундамента готовой продукции или материалов. Конструкции эксплуатируемого трехэтажного здания (Донецк, 1997) разрушены в результате возведения рядом с ним 12–ти этажного здания на плитном фундаменте (рис. 10.1 д). Последний пример можно отнести к ошибкам, допущенным при проектировании оснований и фундаментов.

Совершенно очевидно, что в рассматриваемом случае не учтено влияние на осадки существующего здания нагрузок на основание от строящегося здания.

6. Недопустимые перемещения фундаментов могут быть вызваны работами по реконструкции, снижающими прочность основания. Наиболее распространенными на практике случаями здесь являются работы по устройству заглубленных сооружений в подвалах эксплуатируемых зданий. Разработка котлована в подвале 5-ти этажного жилого дома № 2 по проспекту Мира в г. Донецке (1999) привела к потере несущей способности основания в форме выпора грунта из-под подошвы фундамента в разработанный котлован (рис. 10.1 е). Кроме этого, при разработке котлована был вскрыт слабый

подстилающий слой, представленный водонасыщенным суглинком текучей консистенции. Для устранения аварии потребовалось подведение под частью здания, в которой был разработан котлован, плитного фундамента.

Технические решения по усилению оснований и фундаментов основываются на трех принципиальных направлениях: 1) снижение нагрузок на основание; 2) повышение несущей способности основания; 3) обеспечение совместной работы системы «основание – фундамент – верхнее строение». Усиление оснований и фундаментов требуется также при реконструкции зданий и сооружений. В процессе реконструкции: проводят замену отдельных конструкций или производят их усиление; увеличивают полезные нагрузки за счет установки нового оборудования; устанавливают краны

большей грузоподъемности и т.п. Это приводит к значительному повышению постоянных и временных нагрузок, передаваемых как на фундаменты, так и на грунты основания.

Снижение нагрузок на основание достигается увеличением площади подошвы фундаментов мелкого заложения или устройством дополнительных разгружающих фундаментов, например, свайных фундаментов. В качестве примера рассмотрим технические решения по уширению подошвы ленточного фундамента (рис. 10.2а). С обеих сторон фундамента

а) б)

3 5

1 1

в) 3

Рис. 10.2. Конструктивные решения

Дата добавления: 2014-01-07