Геотехнологии, применяемые для усиления оснований и фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге
Причины, приводящие к необходимости усиления оснований и фундаментов
Как показал опыт обследования многочисленных построек Санкт-Петербурга, многие фундаменты зданий дореволюционной эпохи первоначально испытывали перегрузку, что привело к развитию осадок основания и возникновению трещин в несущих надземных конструкциях. Часто требуют усиления основания и фундаменты зданий и более позднего периода.
Основными причинами, приводящими к необходимости усиления оснований и фундаментов, являются следующие факторы:
- разрушение материала фундаментов и противокапиллярной гидроизоляции;
- нарушение устойчивости оснований в процессе эксплуатации сооружения;
- реконструкция здания, включающая увеличение нагрузки на фундаменты и углубление подвалов;
- развитие значительных дополнительных деформаций основания зданий.
Анализируя данные многочисленных обследований, выполненных в СПб ГАСУ и других организациях города, можно конкретизировать наиболее часто встречающиеся причины деформаций зданий Санкт-Петербурга, расположив их по степени значимости:
- строительство рядом со старыми зданиями новых, соразмерных с существующими;
- устройство заглубленных сооружений (гаражей, переходов);
- промерзание и оттаивание грунтов в основании и пр.;
- нарушение структуры грунтов при откачке воды из подвалов, утечке их в коллекторы с выносом тонкодисперсных частиц (механическая суффозия);
- динамические воздействия от транспорта, промышленной сейсмики (забивка свай, погружения шпунтов и т. п.);
- понижение горизонта подземных вод в центральной части города в связи со строительством метро и прокладкой инженерных сетей глубокого заложения, что ведет к гниению деревянных лежней и свай;
- неравномерное уплотнение слабых, заторфованных либо насыпных грунтов вследствие локального обводнения основания техногенными водами, изменяющими химический состав и температуру грунтовых вод и вызывающими гниение деревянных лежней и свай;
- аварии на инженерных сетях и подвалах здания с выносом грунта в канализационную сеть (глубокие коллекторы).
Традиционные методы усиления оснований и фундаментов зданий, чаще других применяемые в Санкт-Петербурге (Ленинграде) до 1990-х гг.
Современные методы расчета дают возможность смоделировать на основе геотехнической информации конкурентоспособные варианты технологии усиления оснований и фундаментов. Без должного расчетного обоснования нельзя отказываться от традиционных технологий. В комплексе с новыми современными технологиями они часто дают положительный эффект.
В дореволюционном Петербурге и далее в Ленинграде все традиционные технологии усиления основания и фундаментов сводились, в основном, к увеличению площади опирания существующих фундаментов и, соответственно, снижению интенсивности давления на грунты основания (рис. 1).
Опирание прикладок выполнялось на различном уровне. Многочисленные обследования показали, что очень часто прикладки оставались в насыпном грунте и фактически не оказывали существенного влияния на условия дальнейшей эксплуатации зданий. Они включались в работу лишь при больших деформациях после соответствующего уплотнения грунтов в основании уширенной части.
С 30-х гг. 20-го столетия в Москве и Ленинграде активно разрабатывались и использовались технологические приемы, связанные с искусственным улучшением свойств грунтов в основании путем введения различных химических реагентов.
К достоинствам химических способов относятся: высокая степень механизации всех операций, возможность упрочнения грунтов до заданных проектом параметров в их естественном залегании, сравнительно малая трудоемкость, резкое сокращение ручного неквалифицированного труда при откопке траншей, а также сравнительно невысокая стоимость исходных материалов (возможность использования отходов производства).
В 1959–60 гг. для предотвращения аварийных осадок несущих стен сценической части здания театра им. С. М. Кирова (Мариинского театра) со стороны Крюкова канала было выполнено химическое закрепление грунтов в основании ленточных фундаментов (фото 1).
Осадки продольной стены здания были вызваны деформацией основания от динамических воздействий при погружении шпунта в процессе устройства ограждения и набережной Крюкова канала. Закреплению подлежал пылеватый песок с коэффициентом фильтрации kf = 0,5–1,5 м/сут. и пористостью n = 0,44. Толща песков достигала 3–4,5 м ниже подошвы бутовых ленточных фундаментов. Закрепление производили по традиционной схеме с использованием карбамидной смолы плотностью 1,076–1,08 г/см3 и 3%-го р-ра соляной кислоты.
В грунт нагнетали раствор соляной кислоты (400 л), затем 50 л воды и после этого раствор смолы (400 л). Нагнетание производилось плунжерными насосами при давлении 0,3 МПа. Объем одной заходки, приходящейся на 1 инъектор, составил 0,6–0,7 куб. м раствора.
Весьма успешным для того времени оказался опыт усиления бутобетонных фундаментов с лежнями (Московский вокзал, Ленинград, фото 2). Обработка лежней проводилась раствором фтористого натрия с последующей их консервацией. Закрепление песков, являющихся несущим слоем фундаментов, выполнялось раствором карбамидных смол.
В результате прочность закрепленных песков составила 0,8–1,5 МПа, и после проведения этих работ деформации конструкций затухли.
В 2000 г. в связи с устройством котлована под здания вокзала ВСМ (Высокоскоростной магистрали Москва — Санкт-Петербург) несущие конструкции Московского вокзала получили дополнительные деформации. После тщательного обследования было принято решение усилить фундаменты сооружения буроинъекционными сваями, доведенными до мореных отложений. Длина свай была принята размером 8,5 м.
В связи с усиленным вниманием к охране окружающей среды в настоящее время более строго подходят ко всем химическим реагентам, вводимым в грунт, и закрепление смолами не применяется. Кислоты и щелочи высокой концентрации тоже оказывают вредное воздействие на окружающий незакрепленный грунт и подземные грунтовые воды. В практике строительства в Ленинграде (и Санкт-Петербурге в дальнейшем) эти вещества почти не использовались.
В 1960–70-х гг. были довольно популярными методы однорастворной и двухрастворной силикатизации. Б. А. Ржаницин в 1986 г. для глинистых грунтов предложил метод электросиликатизации, при котором напряжение от источника постоянного тока подается на инъекторы одновременно с нагнетанием в слабофильтрующие грунты однорастворной гелеобразующей смеси на основе силиката натрия. При этом расход электроэнергии составлял обычно до 30 кВт на 1 куб. м закрепляемого грунта. Расход растворов был такой же, как при обычной силикатизации, и в 2,5 раза больше, чем при однорастворной .
Новые технологии усиления оснований и фундаментов
Последние 20 лет новые технологии усиления оснований и фундаментов сооружений широко развиваются в Германии, Англии, Франции, Италии, Швеции, Финляндии. Ведущие фирмы этих стран специализируются не только на работах по усилению оснований и фундаментов, но и создают новые технологии, продают разработанное оборудование.
Инъекционные методы. С начала 90-х гг. многие отечественные геотехнические компании с успехом стали применять эти технологии, приспособив их к местным условиям Санкт-Петербурга. В первую очередь это касается инъекционного укрепления тела старых бутовых фундаментов, закрепления разуплотненных песчаных грунтов основания и заполнения суффозионных пустот под подошвами фундаментов (рис. 2, фото 3).
Если реконструкция здания происходит без увеличения нагрузок на фундаменты, то обычно в этом случае выполняют цементацию грунтов в основании фундаментов, а также укрепление фундаментной кладки.
К инъекционным методам может относиться и метод армирования грунтового массива, который используется для повышения несущей способности слабых грунтов (рис. 3).
Он основан на управляемом инъектировании под давлением расчетных объемов твердеющих растворов по специально рассчитанной схеме.
В радиусе 1,5–2 м от инъектора раствор заполняет трещины и пустоты, давлением уплотняет рыхлый грунт и формирует в процессе твердения жесткий армирующий каркас с образованием включений цементного камня.
С 1995 г. в Санкт-Петербурге фирма ЗАО «Геострой» успешно использует технологию компенсационного закрепления грунтов, в основе которой — использование манжетной технологии.
В отличие от технологии поступательно-последовательного нагнетания закрепляющего раствора, данная технология — это определенный технологический и технический прорыв как в качестве выполнения работ, так и в способности управления процессом компенсационного закрепления грунтов. Она впервые была применена при работах по обеспечению устойчивости зданий, расположенных по Малой Морской улице, в период проведения проходческих работ при строительстве станции метро «Адмиралтейская».
В последующем положительный опыт был получен при закреплении пылеватых песков в процессе устройства основания под трамвайные пути и проезжей частью на Литейном пр. и Заневской пл., а также при усилении оснований зданий вблизи площадки строительства 2-й сцены Мариинского театра и на других объектах.
В геотехнической практике присутствует метод, разработанный в институте геоэкологии РАН под руководством академика В. И. Осипова, — метод «Геокомпозит» (рис. 4). Он может использоваться для улучшения свойств любых сжимаемых дисперсных грунтов как естественного, так и техногенного происхождения, а также в заторфованных грунтах и илах.
Данный метод был применен в 2004 г. при исправлении аварийного наклона для усиления основания 17-этажного здания на плитном фундаменте (в районе Купчино).
После окончания строительства 17-этажного жилого дома на плитном фундаменте отклонение верхней части здания составило 90 см и продолжало увеличиваться (фото 4).
Управляемый выбор грунта из-под части фундаментной плиты и дальнейшая инъекция цементного раствора для закрепления основания позволили в течение 5 месяцев полностью выправить аварийное здание (рис. 5).
Буроинъекционные сваи. В Санкт-Петербурге эта технология стала широко применяться с 1988 г. За более чем 20 лет она зарекомендовала себя как достаточно эффективная и надежная при усилении оснований зданий, получивших значительные деформации, или в случае увеличения нагрузок на фундаменты.
С использованием буроинъекционных свай можно усиливать фундаменты зданий при строительстве вблизи них новых сооружений (фото 5).
Буроинъекционные сваи (микросваи, корневые сваи) — это буровые сваи диаметром до 300 мм, которые выполняются по разным технологиям: в зависимости от конструкции сооружения — наклонным бурением через тело фундамента или около него с дальнейшей передачей нагрузки на них (рис. 6).
После специальных работ по опрессовке у буроинъекционных свай образуется неровная поверхность, за что они получили за рубежом название «корневидных» (рис. 7).
Основные преимуществами применения технологии буроинъекционных свай:
- почти полностью исключаются ручные земляные работы (затраты ручного труда на всех технологических операциях минимальные);
- возможность бурения скважин непосредственно через фундамент, не затрагивая инженерных коммуникаций, находящихся около зданий и в подвалах;
- используя малогабаритное оборудование, можно вести работы из подвала высотой 2–2,5 м, а в случае необходимости работы — с первого этажа здания;
- сохраняется внешний вид конструкции (это особенно важно при работе на объектах, которые относятся к памятникам архитектуры);
- возможность проведения работы на действующих предприятиях без остановки производственного процесса;
- экологическая чистота технологических операций (по сравнению с химическими методами закрепления);
- обеспечение необходимой несущей способности старых фундаментов, имеющих под подошвой сгнившие лежни и сваи.
Однако при этом следует отметим и отдельные недостатки технологии буроинъекционных свай, а именно:
- низкая несущая способность из-за небольшого диаметра и, соответственно, малой боковой поверхности и площади острия;
- сложность надежного закрепления головы сваи в случае разрушения тела кладки фундамента, который в последующем работает как ростверк, и отсутствие соответствующих методов расчета;
- неопределенность в формировании необходимого диаметра при устройстве буроинъекционных свай в слабых грунтах;
- недостаточная изученность работы тонких и длинных свай как элементов, армирующих толщу слабого грунта;
- невозможность устройства ствола свай из тяжелого бетона (скважину малого диаметра можно заполнить только цементно-песчаными растворами);
- вероятность дополнительной «технологической» осадки фундаментов при производстве работ по их усилению;
- сложность контроля качества выполненных свай.
К буроинъекционным сваям относятся и самозабуриваемые сваи типа Titan, разработанные в 1990-х гг. в Германии специалистами фирмы ISCHIBECK. Их разновидностью являются сваи Atlant. Сущность технологии устройства свай Titan заключается в совмещении операций бурения и цементации. При этом используются специальные полые буровые штанги, которые по окончании бурения остаются в теле сваи в качестве армирующего элемента (рис. 8).
Диаметр свай Titan составляет 150–250 мм. Их несущая способность может достигать 1 500 кН. Устройство буроинъекционных свай Titan и Atlant можно выполнять из подвалов зданий. В этом случае используются малогабаритные буровые станки.
При устройстве буроинъекционных свай Franki используют в качестве арматурного каркаса металлическую трубу. Бурение скважины до проектной отметки производится с промывкой раствором. Через отверстия в породоразрушающем долоте скважины заполняются цементным инъекционным раствором (рис. 9). Диаметр таких свай составляет 150–350 мм. С применением технологии свай Franki фирмой ЗАО «Геоизол» были усилены подпорные стенки высотой 8 и 7 м у дворца Александра Меншикова (фото 7) в Ораниенбауме (пригород Санкт-Петербурга).
В случае, когда необходимы сваи более высокой несущей способности, могут применяться буровые сваи MiniJet. В отличие от свай Titan, при их устройстве используется повышенное давление струи цементного раствора (до 30 МПа), подаваемой через специальные сопла на породоразрушающем долоте. Диаметр свай MiniJet составляет 250–400 мм.
Продолжение в следующем номере №5-11.
Литература
1. Коновалов П. А. «Основания и фундаменты реконструируемых зданий». 4-е изд., перераб. и доп. — М.: ВНИИНТПИ, 2000 г.
2. Мангушев Р. А., Осокин А. И. «Гетехника Санкт-Петербурга». — СПб, М.: Изд-во АСВ, 2010 г.
3. Полищук А. И. «Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий». — «Нортхэмптон-Томск», 2004 г.
4. Ржаницын Б. А. «Химическое закрепление грунтов в строительстве». — М.: Стройиздат, 1986 г.
5. Справочник проектировщика «Основания, фундаменты и подземные сооружения». — М.: Стройиздат, 1985 г.
| Автор: Р. А. Мангушев Дата: 30.05.2011 Журнал Стройпрофиль 4-11 Рубрика: стройплощадка Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |