922
.pdf
Рис.4.7. Схемы закрепления грунта буроинъекционным методом
Для выполнения этих работ разработано малогабаритное оборудование в виде бу-
роинъекционного комплекса, состоящего из бурового станка, емкости для цементного
раствора и растворного насоса (рис.4.8).
Затраты ручного труда минимальные. Способ экономичен и экологически чист по
сравнению с химическими способами укрепления грунтов. Этим способом наиболее целе-
сообразно укреплять грунты, имеющие низкую несущую способность.
Рис.4.8. Буроинъекционный комплекс в процессе изготовления сваи:
1 - емкость для цементного раствора; 2 – глиномешалка;3 – мерный бак; 4 – растворный насос; 5 - промывочный насос; 6 – нагнетательный трубопровод; 7 – емкость для глиняного раствора; 8 – шламоотделитель; 9 – буровой станок; 10 – кондутор; 11 –буровой нструмент; 12 – бурильная труба
В настоящее время наибольшее распространение получила технология струйной
цементации грунтов /10/, основанная на одновременном разрушении и перемешивании
грунта высоконапорной струей цементного раствора. Метод заключается в использовании
высоконапорной струи цементного раствора для разрушении и одновременного переме-
шивания грунта с цементным раствором (рис.4.9).
231
Рис.4.9. Схема гидроразмыва грунта (а) и упрочнение основания фундамента при гидроструйной технологии (б):
1 - существующий фундамент; 2 - цементно-грунтовые сваи, устраиваемые с шагом 0,5- 1,2 м; 3 - упрочняемое основание; 4 - струйный монитор для подачи высоконапорной струи воды и цементного раствора; 5 - лидирующая буровая скважина; 6 - разрушение грунта водой под давлением 10-50 МПа; 7 - подача цементного раствора; 8 - штанга; 9 - направление подачи воды и цементного раствора по трубопроводам
При струйной технологии осуществляется следующий порядок производства работ:
производят бурение скважины до проектной отметки (прямой ход); в скважину погружают инъектор со специальным калиброванным отверстие–соплом; подают под большим давлени-
ем (до 100 МПа) инъекционный раствор; осуществляют подъем инъектора (обратный ход) с
одновременным его вращением, формируя сваю нужного диаметра.
Для столбов диаметром до 0,6 м используется однотрубная система, когда цемент-
ная суспензия или цементный раствор смешивается с воздухом и нагнетается под давле-
нием 20-30 МПа в виде пульпы через специальное сопло со скоростью 100-150 м/с. При этом, струе пульпы придается вращательное движение. Под действием такой струи нанос-
ные породы разрыхляются до такой степени, что цементный гель проникает в их толщу,
смешиваясь с частицами грунта. Для крупнозернистых грунтов обычно применяется це-
ментная суспензия, а для мелкозернистых грунтов – цементный раствор.
Для закрепления грунтов и создания столбов диаметром до 2,0 м применяют трехтрубную систему, при которой воздух, вода и цементный раствор подаются по от-
дельным трубопроводам. Цементный раствор подается под давлением 2-3 МПа, воздух -
под давлением 0,7-1,7 МПа и вода – под давлением 40-60 МПа. Скорость подачи цемент-
ного раствора составляет 50-80 м/с, воды – 350-500 м/с и воздуха - более 330 м/с.
Этот метод дает возможность укреплять слабые грунты путем образования жестких столбов диаметром от 0,6 до 2,0 м и глубиной до 20 м. Для повышения несущей способно-
сти сваи армируют трубой, каркасом из арматурной стали или железобетонным стержнем
/82/, как это приведено на рис.4.10.
232
Рис.4.10. Этапы изготовления и варианты армирования свай при струйной технологии
Струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов. Другим важным преимуществом струйной технологии является высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов,
что позволяет достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристи-
ки подземных конструкций, а соответственно – трудозатраты, материалы и стоимость ра-
бот.
После твердения цементо-грунтовой смеси в грунте образуется новый материал –
грунтобетон, обладающий более высокими, по сравнению с исходным грунтом, проч-
ностными, противофильтрационными и деформативными характеристиками, приведен-
ными в табл.4.1
Таблица 4.1 Прочностные характеристики грунтов при струйной технологии упрочнения
Торф |
0,5 – 2 МПа; |
Глина |
3 |
– 7 МПа; |
Суглинок |
3 – 10 МПа; |
Супесь |
5 – 14 МПа; |
|
Песок |
15 – 20 МПа; |
Гравий |
20 |
- 25 МПа. |
Однако струйная технология имеет ряд недостатков, к которым относятся:
-опасность локальных деформаций в процессе временного разрыва грунтового массива под фундаментом в период набора прочности цементного раствора;
-высокая стоимость и материалоемкость из-за больших объемов закрепления сла-
бых грунтов;
- повышенная опасность при работе с высоким давлением.
Для глубинного уплотнения оснований или передачи нагрузки от зданий на более плотные грунты могут быть использованы набивные сваи [82], которые в зависимости от материалов бывают:
-грунтобетонными, бетонными,
-железобетонными,
233
- растворными и песчаными.
Технологический процесс производства набивных свай состоит из бурения скважины,
опускания в нее обсадной трубы, установки арматурного каркаса и формирования ствола сваи
(рис.4.11).
Рис.4.11. Схема устройства набивных железобетонных свай:
а) – бурение скважины; б) – установка обсадной трубы; б)– установка арматурного каркаса; г) – бетонирование сваи; д) – извлечение обсадной трубы; е) - устройство оголовка сваи): 1- буровая установка; 2 – обсадная труба с вибробункером; 3 – автокран; 4 - арматурный каркас; 5 - бадья с бетоном; 6 - опалубка оголовка сваи
Применение бурового способа при устройстве набивных свай не позволяет полу-
чать должного уплотнения грунта вокруг скважин в слабых грунтах, так как грунт при бу-
рении извлекается из скважин.
Указанные недостатки исключаются при использовании для глубинного упрочне-
ние оснований фундаментов технологии продавливания скважин с помощью раскатчика
грунта, представляющего собой эксцентриковый вал с установленными на его шейках ко-
ническими катками [82], или спиралевидного снаряда (рис.4.12).
а) |
б) |
в) |
Рис.4 12. Устройство скважин для коротких свай раскатчиком грунта и спиралевидным снарядом:
а) – принципиальная схема раскатчика грунта; б) – схема образования скважины; в) - спиралевидный снаряд; 1 – приводной вал; 2 – конический каток; 3 – скважина; 4 – уплотненная зона грунта
234
При вращении вала раскатчика грунта или спиралевидного снаряда последние
ввинчиваются в грунт, образуя скважину с уплотненными стенками толщиной 3-4 диа-
метра скважины, которые затем используются для набивных бетонных свай.
Преимуществом спиралевидного снаряда является его способность глубинного
продавливания грунта с вертикальным (а), наклонным (б) и комбинированным (в) распо-
ложением скважин (рис.4.13).
а) |
б) |
в) |
Рис.4.13. Глубинное уплотнение основания методом винтового продавливания с вертикальным (а), наклонным (б) и комбинированным (в) расположени-
ем скважин:
1-существующий фундамент; 2- грунтовая свая» 3- уплотненная зона при одноразовом продавливании; 4- то же, при многоразовом продавливании; 5- слабый грунт; 6- прочный грунт
Разновидностью способа продавливания сваи является устройство скважин с ис-
пользованием вяжущего материала [82], приведенного на рис.4.14.
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
Рис. 4.14. Схема устройства скважины с использованием вяжущего материала:
а – д – последовательность устройства скважины: 1 – снаряд малого диаметра; 2 – вяжущий материал; 3 – снаряд большего диаметра; 4 – слой закрепленного грунта; 5 – скважина проектного диаметра; 6 – материал заполнения скважины
Более эффективными являются бурозавинчиваемые сваи, состоящие из металличе-
ских труб диаметром 100-600 мм, крестообразного наконечника и спиральной навивки,
обеспечивающей погружение сваи путем ее вращения в сочетании с вдавливанием (рис.
4.15).
235
Технология уникальна, высокоэффективна и экономична. Бурозавинчиваемые сваи могут быть: пустотелые, заполненные бетоном без армирования, заполненные бетоном с армированием и заполненные грунтом. Металлические бурозавинчиваемые сваи могут применяться вблизи существующей застройки, когда устройство буронабивных свай мо-
жет вызвать недопустимую разгрузку и разрыхление грунтов при проходке буровых сква-
жин.
Рис.4.15. Общий вид бурозавинчиваемых свай
Значительные размеры боковых поверхностей фундаментов производственных зданий позволяет при увеличении нагрузок на существующие фундаменты с целью повы-
шения несущей способности оснований устраивать с двух или четырех сторон усиливае-
мого фундамента ограждающие конструкции из свай, железобетонных стен или столбов прямоугольного сечения.
При устройстве ограждающих конструкций несущая способность основания суще-
ственно возрастает за счет трения между грунтом и ограждением, в результате часть вер-
тикальной нагрузки от фундамента передается не только на окружающий его грунт, но и через ограждение на грунты, лежащие ниже ограждения, которые, как правило, имеют значительно более высокое допускаемое давление, чем грунт под подошвой фундамента
(рис.4.16).
Рис.4.16. Усиление основания ограждающими сваями:
1 – колонна; 2 – фундамент; 3 – обвязочная балка; 4 – сваи усиления
236
При усилении основания контурным ограждением из свай рекомендуется по верху ограждения устраивать обвязочные балки, что приводит к снижению перемещения свай и изгибающих моментов по их длине.
Вместо контурного ограждения из свай для повышения несущей способности осно-
вания применяют отдельно стоящие железобетонные стены толщиной 150-200 мм спосо-
бом «стена в грунте», которые устанавливают с двух или четырех сторон фундамента.
Возможен вариант контурного ограждения фундамента из таких стен (рис.4.17, а-г).
Рис.4.17. Схемы усиления отдельно стоящих фундаментов способом«стена в грунте»:
1 – усиливаемый фундамент; 2 – стена в грунте или прямоугольный столб; 3 – выемка грунта; 4 – анкер; 5 – стена в виде короба; 6 – глубокие ленты или стены; 7 – стеныперемычки
Когда необходимо одновременно повысить несущую способность основания и усилить фундамент, устраивают параллельно глубокие железобетонные стены толщиной
200-250 мм (рис.4.17, д), объединяя их стенами-перемычками меньшей глубины.
Для повышения устойчивости усиливаемой стены устраивается железобетонный анкер с пятой (рис.4.17, а), который обеспечивает железобетонной стенке вертикальное положение. Для устройства анкера пробуривают наклонную скважину, в которую уста-
навливают обсадную трубу, опускают в нее арматурный каркас, а затем заполняют мелко-
зернистым бетоном с обязательным уплотнением бетонной смеси.
Уширение пяты может быть образовано за счет зарядного устройства, установлен-
ного в конце шурфа. В месте электрического разряда в теле анкера образуется гидравли-
ческий удар, в результате которого нижний конец анкера расширяется.
4.1.2. Восстановление и усиление фундаментов
При реконструкции зданий в ряде случаев необходимо осуществлять усиление фундаментов, которое связано с разрушением фундаментов от просадок, увеличением нагрузок на междуэтажные перекрытия, при надстройке этажей, с заменой деревянных перекрытий на железобетонные, с изменением технологического процесса и пр.
237
Усиление фундаментов относится к самым тонким операциям, так как при этом могут возникнуть различные подвижки здания и изменение его состояния. В связи с этим проблеме усиления фундаментов посвящено значительное количество работ, среди кото-
рых особое место занимают работы М.П. Васильева [13], П.А. Коновалова [40], А.И.
Мальганова [45], В.И. Леденева и В.И. Матвеева [53], А.Л. Шагина [63], Н.В. Прядко [61]
и др. Этими работами установлено, что основополагающими факторами при выборе спо-
соба усиления фундамента являются: конструктивное решение фундамента, состояние грунта в основании, конструктивная особенность здания и оснащенность строительной организации.
При проектировании усиления необходимо максимально использовать несущую способность существующих фундаментов, обеспечив их совместную работу с элементами усиления. Во всех случаях предлагаемый способ усиления фундамента должен обеспечить надежную длительную эксплуатацию в новых условия его работы, экономичность и без-
опасность выполнения работ при его реконструкции.
При усилении фундаментов выделяют три основных направления:
-увеличение несущей способности фундамента без изменения схемы работы;
-увеличение несущей способности фундамента с изменением схемы работы;
-увеличение несущей способности фундамента с изменением напряженного состо-
яния.
Увеличение несущей способности фундамента без изменения схемы работы про-
изводится путем уширения подошвы фундамента, устройства обойм, рубашек, наращива-
ний вокруг фундамента (бетонных, железобетонных, металлических, комбинированных),
усиления отдельных элементов. При этом расчетная схема таких фундаментов до и после усиления остается обычно без изменения.
Увеличение несущей способности фундамента с изменением схемы работы осу-
ществляется за счет передачи части нагрузки от фундамента или надфундаментных кон-
струкций на грунты основания. Это достигается путем использования различных сталь-
ных и железобетонных балок, дополнительных опор из бетона и железобетона, а также за счет переустройства ленточных фундаментов в плитные, а столбчатых - в ленточные. В
последние годы все чаще внедряются способы усиления фундаментов путем передачи нагрузки на различные виды буровых, набивных, задавливаемых или винтовых свай /40/.
Увеличение несущей способности фундамента с изменением напряженного состо-
яния достигается за счет установки предварительно напряженных подкосов, шпренгель-
ных систем, железобетонных или металлических обойм. Обычно такие способы исполь-
зуются при усилении плитной и стаканной частей отдельно стоящих фундаментов.
238
Выбор метода усиления зависит, прежде всего, от причин, вызывающих необходи-
мость подобного усиления. Предполагаемый способ усиления фундаментов должен быть экономически и экологически оправдан и технически сравнительно легко осуществим.
Поэтому в каждом конкретном случае необходимо рассмотреть несколько возможных ва-
риантов усиления оснований и фундаментов и сравнить стоимость и трудоемкость их вы-
полнения. Выбранный способ усиления фундамента должен обеспечить надежную дли-
тельную эксплуатацию в новых условиях его работы.
4.1.3. Усиление ленточных фундаментов
При усилении ленточных фундаментов используются как традиционные, так и со-
временные технологии, разработанные в последние 10-20 лет.
Наиболее полно способы усиления ленточных фундаментов представлены в рабо-
тах А.И. Мальганова, В.С. Плевкова и А.И. Полищука [45], Н.В. Прядко [61], [107] и др.
При незначительных наружных повреждений фундаментов применяют способ
устройства защитных растворных рубашек. Для этого в кладку фундамента в шахмат-
ном порядке через 0,5 м заделывают металлические анкеры, к которым прикрепляют ар-
матурную сетку и затем наносят раствор на крупном песке простым оштукатуриванием или торкретированием.
Более существенное усиление получают устройством бетонных или железобе-
тонных обойм толщиной 150-200 мм (рис.4.18).
Рис.4.18. Усиление ленточного фундамента железобетонной обоймой (а) или железобетонной рубашкой, продольных железобетонных балок
и контрфорсов (б):
1- стена; 2- усиливаемый фундамент; 3- железобетонная обойма; 4- анкеры из арматурной стали; 5- продольная балка на ступени; 6- контрфорс; 7- рандбалки; 8- железобетонная рубашка; 9- трещины в ступенях фундамента
Для включения их в совместную работу с усиливаемым фундаментом противопо-
ложные стенки обойм крепят между собой анкерами из арматурной стали диаметром 16-
20 мм через 1-1,5 м или стальными или железобетонными разгрузочными балками, распо-
ложенными через 1,5-2 м по длине фундамента.
239
Железобетонную обойму необходимо заводить на стену не менее 150 мм по вертикали и 100 мм по горизонтали. Класс бетона для железобетонных обойм принимают не ниже В12,5.
Когда в ступенях ленточного фундамента имеются трещины, то для усиления фун-
дамента устраивают над ступенями продольные железобетонные балки, которые своими концами опираются на контрфорсы (рис.4.18, б). Ширина контрфорсов и расстояние меж-
ду ними определяется расчетом. После установки балок и устройства контрфорсов весь фундамент заключается в железобетонную рубашку, монолитно связанную с балками.
Передачи нагрузки от стены здания на фундамент осуществляется через продольные рандбалки, которые устанавливаются в пробитые горизонтальные штрабы стены.
В тех случаях, когда грунты оснований не в состоянии в достаточной степени воспринимать нагрузки от фундаментов, устраивают выносные сваи, которые выполняют висячими или сваями-стойками. Во избежание здания от разрушения применяют только метод вдавливания или используют буронабивные сваи. Для передачи нагрузки от усили-
ваемых фундаментов на выносные сваи устраивают систему продольных и поперечных балок, которые объединяют со сваями монолитным ростверком. Возможен способ устрой-
ства выносных буронабивных свай с одной или с двух сторон фундамента (рис.4.19).
При одностороннем расположении сваи устанавливаются с шагом 1,5-2,0 м вдоль ленточного фундамента. В несущей стене пробивают горизонтальные штрабы, в которые устанавливают рандбалки из швеллеров, соединенных стяжным болтом. Под рандбалки с шагом 1,5-2,0 м заводят металлические опорные балки, концы которых присоединяют к анкерам в виде железобетонной плиты. Нагрузка от несущей стены через рандбалки пере-
дается на выносные буронабивные сваи, работающие на сжатие (рис.4.19, а).
Рис.4.19. Усиление ленточных фундаментов выносными сваями:
а– сваями, расположенными с одной стороны; б – то же, с двух сторон:
1– усиливаемый фундамент; 2 – металлическая опорная балка;3 –буронабивная свая; 4
–металлическая балка-обвязка из уголка;5 –отверстие, заделываемое бетоном; 6 – анкер в виде железобетонной плиты с металлической стойкой; 7 – балласт; 8 – рандбалка из швеллера; 9 –стяжные болты; 10хомут; 11продольная балка;12поперечная балка
240