Усиление оснований эксплуатируемых зданий

Усиление оснований эксплуатируемых зданий

Основание – слои грунта, залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него. Воспринимает нагрузку от сооружения и влияет на устойчивость фундамента и его перемещения. 

Исследование грунта должно производиться перед началом каждой постройки с целью:

1) определить характер, положение, толщину и уклон слоёв грунта,

2) определить уровень грунтовых вод в них,

3) определения строения почвы по наслоению по берегам рек, по промоинам и оврагам.

Основания

Естественные

Искусственные

Естественными основаниями называют грунты, которые в условиях природного залегания обладают достаточной несущей способностью, чтобы выдержать нагрузку от возводимого здания или сооружения.

Искусственные основания –

применяются при необходимости увеличить сопротивление грунта при распределении давления сооружения на большую поверхность (т.е. для уменьшения нагрузки на единицу поверхности грунта) при равномерной передаче давления сооружения надёжному материку и при передаче через слабый грунт давления здания на материк.

Искусственные основания

Трамбование щебня

Замена слабого грунта

Забивка свай частоколом

Устройство ростверка для связи свай

Деревянные основания под фундаментную ленту (лежни)

Прогиб и выгиб ( а, б)  зданий возникает из-за неравномерной осадки основания. Наиболее опасная растянутая зона строений при прогибе находится у фундамента, при выгибе — у кровли.

Сдвиг  (в)  зданий возникает при увеличенной просадке основания с одной из сторон. Наиболее опасная зона строения — стена в средней зоне, где возникает большой сдвиг.

Крен  ( г) здания возникает при относительно большой его высоте (многоэтажный дом, башня, дымовая труба…), при высокой изгибной жесткости строения. Опасен дальнейший рост крена и последующее разрушение здания.

Перекос  (д)  возникает при неравномерных осадках, приходящихся на небольшой участок длинного сооружения.

Горизонтальное смещение  (е)  возникает в фундаментах, в стенах подвалов или в подпорных стенках, загруженных горизонтальными усилиями.

Виды деформаций сооружений.

— наличие в толще грунта материалов, подверженных гниению (корни деревьев, отходы древесины…);

— воздействие механизмов — удаление лишнего грунта при рытье котлованов и траншей под фундамент — наиболее распространенная ошибка строителей, т. к. уложенная выравнивающая подсыпка под фундаментом не обладает прочностью нетронутого грунта;

— уплотнение грунта в процессе эксплуатации сооружения, связанное со значительным увеличением веса (складские помещения, элеваторы….);

— изменение уровня подземных вод (грунтовых или производственных);

— подземные выработки (рытье туннелей метро, канализационных коллекторов и др.);

— разрушение подземных магистралей систем водоснабжения, отопления, канализации и отвода дождевой воды часто приводит к вымыванию большого объема грунта из под строений.

Причины неравномерных осадок:

— неоднородность основания, сложенного из пластов различной толщины или плотности;

— переувлажнение какой-либо части основания или сложение части основания из насыпного грунта;

— неравномерное давление на основание, вызванное несоответствием площади подошвы с действующей вертикальной нагрузкой (давление на фундамент в средней части здания больше, чем под внешними стенами, т. к. на внутреннюю стену опираются перекрытия с двух сторон);

— неодновременное возведение отдельных частей здания;

— механическая суффозия — перемещение водяными потоками частиц грунта — ведет к увеличению пористости и к уменьшению прочности грунта;

Деформация основания – деформация, возникающая в результате передачи усилий от сооружений к основанию; а также изменение физического состояния грунта основания в период строительства и эксплуатации здания или сооружения .

осадка

вертикальные

просадка

Деформации

подъём

горизонтальные

Осадка

• не сопровождается коренным изменением структуры грунта;
• проявляется сразу же после начала строительства здания или сооружения;
• продолжается в течение периода строительства, когда нагрузка на основание постепенно повышается, а также в течение некоторого времени по окончании строительства;
• после окончания строительства происходит ее стабилизация. 

Просадка

деформация основания, вызываемая изменением структуры грунта:

• уплотнение просадочных грунтов при замачивании,
• уплотнение многолетне-мерзлых грунтов при оттаивании,
• уплотнение рыхлых песчаных грунтов (плывунов) при сотрясении.

Морозное пучение грунта — процесс увеличения объёма и деформирования грунтов при промерзании и образование выпуклых форм на их поверхности.

Фундаменты закладываются ниже глубины промерзания грунта для того, чтобы предотвратить их выпучивание. Глубина заложения фундамента должна быть ниже глубины промерзания земли на материк.

Горизонтальная деформация основания наблюдается у сооружений, нагруженных горизонтальной нагрузкой (плотины, подпорные стены и т. п.), при размещении зданий и сооружений на косогорах, а также при значительных просадках.

Методы укрепления грунтов оснований

• Осушение
• Уплотнение

• Поверхностное Глубинное
• Поверхностное
• Глубинное
• Закрепление Инъецирование растворов Физическое закрепление (термическое, электроосмотическое)
• Инъецирование растворов
• Физическое закрепление (термическое, электроосмотическое)
• Армирование

• Осушение

• Защита от доступа воды с окружающей территории (канавы и кюветы, водоперехватывающие и отводящие лотки, дренажные траншеи или засыпки с отводящими дренажными трубами, противофильтрационные завесы и пр.) Отвод воды с территории объекта (кольцевые дренажи, дренажные завесы с самотечным отводом или принудительной откачкой, сеть откачных скважин и пр.) Понижение уровня грунтовых вод (пластовый дренаж с активной откачкой, водопонижающие скважины
• Защита от доступа воды с окружающей территории (канавы и кюветы, водоперехватывающие и отводящие лотки, дренажные траншеи или засыпки с отводящими дренажными трубами, противофильтрационные завесы и пр.)
• Отвод воды с территории объекта (кольцевые дренажи, дренажные завесы с самотечным отводом или принудительной откачкой, сеть откачных скважин и пр.)
• Понижение уровня грунтовых вод (пластовый дренаж с активной откачкой, водопонижающие скважины

Поверхностное уплотнение грунтов

• Методы поверхностного уплотнения грунта

• Укатка; Вытрамбовывание; Вибрирование Комбинированное воздействие
• Укатка;
• Вытрамбовывание;
• Вибрирование
• Комбинированное воздействие

• виброукатка виброуплотнение с пригрузом
• виброукатка виброуплотнение с пригрузом
• виброукатка
• виброуплотнение с пригрузом
• Оборудование электрические трамбовки; самопередвигающиеся трамбовки; самопередвигающиеся виброплиты, подвешенные к крану; гидромолоты, навешенные на краны; пневмомолоты
• электрические трамбовки; самопередвигающиеся трамбовки; самопередвигающиеся виброплиты, подвешенные к крану; гидромолоты, навешенные на краны; пневмомолоты

Глубинное уплотнение грунтов

• Сущность:

• основан на погружении штампов, которые образуют скважины с вытеснением грунта радиально в стороны. При этом уплотняется грунт вокруг скважины. В отформованную скважину засыпают местный грунт или специальный грунт (песок, песчано-гравийную смесь, щебень) и скважину вновь отформовывают до тех пор, пока усредненная плотность грунтового массива не станет равной требуемой.
• основан на погружении штампов, которые образуют скважины с вытеснением грунта радиально в стороны. При этом уплотняется грунт вокруг скважины. В отформованную скважину засыпают местный грунт или специальный грунт (песок, песчано-гравийную смесь, щебень) и скважину вновь отформовывают до тех пор, пока усредненная плотность грунтового массива не станет равной требуемой.
• Методы Забивка ударно-канатным способом; Вибрирование; Вдавливание свай грузом 30-68 т; Раскатывание скважин катками, эксцентрично установленными на штанге.
• Забивка ударно-канатным способом;
• Вибрирование;
• Вдавливание свай грузом 30-68 т;
• Раскатывание скважин катками, эксцентрично установленными на штанге.

Глубинное упрочнение основания многократным проходом спиралевидного снаряда

• а и б - образование первичной скважины; в - заполнение первичной скважины засыпным материалом; г — вторичное прохождение снарядом скважины с засыпанным материалом; д - скважина после повторного прохождения снаряда; е - окончательное заполнение скважины засыпным материалом; 1 - спиралевидный снаряд; 2 - скважина; 3 – первичное уплотнение стенок; 4 - материал заполнения скважины; 5 – вторичное уплотнение стенок

Глубинное уплотнение основания методом винтового продавливания скважин

а - с вертикальным расположением скважин; б — с наклонным расположением скважин; в - с комбинированным расположением 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

Спиралевидный снаряд для устройства скважин винтовым продавливанием

а - геометрия снаряда; б - общий вид снаряда; в - схема процесса устройства скважины; 1 - калибрующая часть; 2 - переходный рабочий участок; 3 - цилиндрические соосные участки; 4 - наконечник; 5 - штанга; 6, 7 - каналы; 8 - отверстие; 9 - лопасть; 10 - корпус; 11 - уступ

Инъекционные способы укрепления грунтов

• Сущность: через предварительно погруженные перфорированные трубы (инъекторы) в грунт под давлением нагнетаются маловязкие растворы, при смешивании которых с грунтом улучшаются механические свойства основания.
• Химическое способы – растворы вступают в химическую реакцию с грунтом:

• с использованием неорганических соединений на основе силикатных растворов – силикатизация ; с использованием органических полимеров (акриловых, карбамидных, резорцино-формальдегидных, фурановых смол) - смолизация .
• с использованием неорганических соединений на основе силикатных растворов – силикатизация ;
• с использованием органических полимеров (акриловых, карбамидных, резорцино-формальдегидных, фурановых смол) - смолизация .
• Механические способы – растворы перемешиваются с грунтом не вступая в химическую реакцию – цементация, глинизация, битумизация.

• Схемы закрепления оснований: а – ленточная; б- сплошная; в – прерывистая (столбчатая); г – кольцевая

• Схемы возможного расположения инъекторов при закреплении оснований: 1 – фундамент; 2 – инъектор; 3 – зона закрепления; 4 – сооружение; 5 - шахта

Состав подготовительных работ

• Прокладка водоводов и сетей электроснабжения.
• Расчистка территории и планировочные работы.
• Устройство мест складирования материалов и (в случае необходимости) тепляков.
• Доставка оборудования.
• Монтаж коммуникаций и оборудования, включая оборудование для приготовления растворов.
• Разметка точек размещения инъекторов.

Работы начинают при наличии ППР и результатов опытного закрепления грунтов. В зимнее время в зоне закрепления должна поддерживаться температура не ниже 5 °С

Последовательность выполнения работ

• Погружение в грунт инъекторов или проходка и оборудование специальных инъекционных скважин.
• Приготовление растворов для нагнетания.
• Нагнетание раствора (а в случае необходимости и газа) в грунт.
• Извлечение инъекторов из грунта.
• Тампонирование скважин.
• Промывка использованного оборудования.

• Погружение инъекторов производят забивкой или задавливанием. В отдельных случаях бурят лидирующие скважины. При закреплении грунтов под зданием или сооружением погружению инъекторов предшествует устройство буровых скважин в теле фундамента.
• Погружение инъекторов с наклоном производят с применением направляющих кондукторов (шаблонов), что облегчает выдерживание необходимого угла наклона инъектора.

Схемы нагнетания раствора в грунт

а - с использованием бака: 1 - бак; 2 - распределитель; 3 - счетчик: 4 - инъектор;

б - с использованием дозирующих насосов: 1 - баки для раствора и отвердителя; 2 - дозирующие насосы; 3 - смеситель; 4 - распределительная колонка; 5 – инъектор: 6 – расходомер.

Электрохимическое закрепление грунтов

• Способ предусматривает комбинированное применение тока и химических растворов. Рекомендуется для закрепления в основном лессовых грунтов .
• Применение постоянного электрического тока путем размещения в закрепляемом массиве электродов позволяет закрепить лессовые грунты, в которые жидкое стекло проникает с трудом (коэффициент фильтрации менее 0,1 м/сут). Способ дает наилучшие результаты при влажности грунта свыше 18%.
• Для закрепления малопроницаемых грунтов (мелких песков, супесей) расход энергии составляет 40-100 кВт-ч на 1м 3 закрепляемого грунта. Напряжение тока 50-100 В; расстояние между электродами 0,5-1м.

Грунтовые воды – это воды, находящиеся в толще грунта (независимо от его типа) в верхнем слое земной коры. Грунтовые воды могут пребывать в жидком, твердом и газообразном состоянии в зависимости от климатических условий.

Грунтовые воды в зависимости от типа грунта могут быть: - поровыми - трещинными (жильными) - карстовыми (или трещинно-карстовыми). Поровые воды встречаются в песках и других обломочных породах, трещинные – в скальных породах, карстовые – в растворимых (связных) породах, в том числе мягком известняке, доломите и гипсе .

Дренаж

— метод сбора и отвода грунтовых вод от участка и сооружений с помощью системы дренажных труб, скважин, каналов, подземных галерей и других устройств.

Дренаж применяется с целью защиты от проникновения воды в сооружения, сохранения и упрочнения оснований здания, снижения фильтрационного давления на конструкцию. 

Дренаж

Пластовый

Пристенный

Кольцевой

Пластовая дренажная система укладывается в основании защищаемого сооружения непосредственно на водоносный грунт. При этом она гидравлически связана с трубчатой дреной (подземный искусственный водоток для сбора и отвода грунтовых вод), расположенной с наружной стороны фундамента на расстоянии не менее 0,7 метра от плоскости стены здания. Пластовая дренажная система защищает сооружение как от подтопления грунтовыми водами, так и от увлажнения капиллярной влагой.

Пристенная дренажная система состоит из дренажных труб (с фильтрующей обсыпкой), уложенных на водоупорный грунт с наружной стороны сооружения. Пристенный дренаж применяется, как правило, в тех случаях, когда основание сооружения находится на водоупорном грунте.

Современные вариации:

Кольцевая дренажная система располагается по контуру защищаемого здания или участка.

Действие кольцевого дренажа основано на понижении уровня грунтовых вод внутри защищаемого контура, что обеспечивает защиту от подтопления подземных сооружений и частей зданий. Глубина этого понижения зависит от заглубления труб, галерей или фильтрующей части скважин относительно зеркала грунтовых вод, а также от размеров защищаемого контура.

Кольцевые дрены располагаются на некотором удалении от сооружения, благодаря этому они могут быть установлены уже после его возведения. В этом отношении кольцевой дренаж выгодно отличается от пластового, который может быть установлен только одновременно со строительством сооружения.

Горизонтальный дренаж представляет собой систему трубчатых или галерейных дрен, канав и лотков.

Трубчатые дрены — сочетание дренажных труб с одним или несколькими слоями фильтрующей обсыпки. Эти слои устраиваются для того, чтобы избежать заклинивания труб частицами осушаемого грунта. Для надзора за трубчатыми дренами сооружаются смотровые колодцы.

Галерейные дрены — это трубы с большим поперечным сечением с отверстиями для приема воды и обсыпкой. Канавы применяют, главным образом, в небольших поселках, где допустимо поддерживать уровень грунтовых вод на глубине до 1,5 метра. В устойчивых грунтах канавы выполняются, как правило, в виде траншей с откосами.

• АРМИРОВАНИЕ ГРУНТА

• Армированный грунт (армогрунт) состоит из чередующихся слоев и грунта и арматуры. В качестве арматуры используют стержни, полосы, сетки или листовой материал из синтетических веществ, бумаги или металла. В последние годы расширилось использование геотекстиля с высокими пределами прочности при растяжении и модулем упругости. Армируемый грунт обычно не имеет органических включений; он сочетает прочность при сжатии и сопротивление сдвигу грунта с прочностью арматуры при ее растяжении.

Подпорная стенка с армированием по методу Йорка (два варианта)

1 - армирующие полосы; 2 - вертикальные стержневые опоры; 3, 4 - элементы ограждения

При армировании по методу Йорка арматурные полосы соединяются с лицевыми элементами при помощи вертикальных стержней.

Подпорные стенки из армогрунта с использованием

а - железобетонных элементов; б - корытообразных металлических элементов

Горизонтальные полосы арматуры располагают на расстоянии 250-1000 мм одна от другой. Между полосами арматуры по вертикали при металлической лицевой части шаг составляет 250 мм, при железобетонной лицевой части - 750 мм. Для изготовления этих элементов используют тонколистовую сталь толщиной 3 мм с гальваническим покрытием. Стальные листы длиной 10 м соединяются между собой в фальц. Для крепления арматурных полос в листах при помощи штамповки вырубают специальные отверстия.