Способ восстановления зданий с вентилируемым подпольем после растепления грунтов основания
METHOD FOR RESTORING BUILDINGS WITH A VENTILATED UNDERGROUND AFTER THAWING OF THE FOUNDATION SOILS

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к способам восстановления эксплуатационной способности зданий и сооружений с вентилируемым подпольем, построенных на многолетнемерзлых грунтах на свайных фундаментах, вмороженных в грунт, которые получили неравномерные деформации в результате растепления мерзлоты и частичной потери несущей способности свай.
Для восстановления конструкций зданий и сооружений, поврежденных в результате неравномерной осадки фундаментов, вызванных разными причинами, одним из основных направлений является повышение жесткости конструкций зданий и их конструктивных элементов, например, путем установки дополнительных опор, подкосов, порталов, диафрагм и путем устройства новых связей.
Вторым общим направлением является устройство дополнительных фундаментов, уширение подошвы, пересадка фундаментов мелкого заложения на сваи, цементация грунтов основания.
Применительно к мерзлым грунтам еще одним из способов стабилизации неравномерных деформаций является повторная проморозка растепленных грунтов основания.
Известен способ устройства дополнительных промежуточных опор, устанавливаемых на новые фундаменты между существующими опорами [1], что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.
Недостатком данного способа является то, что его нельзя применить в случае, если основание сложено мерзлыми грунтами, поскольку основанием промежуточной опоры мелкого заложения являются грунты, находящиеся в зоне сезонного промерзания-оттаивания. Устройство же свайной опоры для уже построенного сооружения требует особой технологии работ (Аналог).
Известен способ увеличения жесткости конструкции путем устройства раскосов [1], что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.
Недостатком данного технического решения является то, что несмотря на увеличение жесткости здания несущая способность свайного фундамента не увеличивается. Между тем при дальнейшем растеплении массива несущая способность свай будет продолжать уменьшаться, что может привести к аварии сооружения (Аналог).
Известен способ локального увеличения жесткости на определенных участках здания путем устройства жестких диафрагм [2].
Недостатком данного способа является то, что такое техническое решение не позволяет полностью надежно остановить развитие неравномерных деформаций в случае зданий, построенных в условиях многолетнемерзлых оттаивающих грунтов по принципу сохранения мерзлоты на сваях, вмороженных в грунт с вентилируемым подпольем.
Кроме этого известен способ пересадки фундаментов мелкого заложения на залавливаемые сваи, включающий устройство ростверка, с окнами для пропуска свай и закладными деталями для крепления установки задавливания и погружения свай статической нагрузкой [3] (Аналог). Однако способ разработан для рыхлых талых грунтов и при этом способе ростверк не работает как временный фундамент мелкого заложения, и способ нельзя использовать для зданий на свайных фундаментах с высоким ростверком с вентилируемым подпольем.
Наиболее близким по совокупности признаков способов того же назначения, выбранным в качестве прототипа [1], является способ восстановления конструкций зданий, получивших деформации, при котором вводят дополнительный фундамент с дополнительными опорами в виде вертикальных стоек и подкосов прямого и обратного наклона, объединяющий существующие опоры, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.
Однако этот способ так же не позволяет полностью надежно остановить развитие неравномерных деформаций в случае зданий, построенных в условиях многолетнемерзлых оттаивающих грунтов по принципу сохранения мерзлоты на сваях, вмороженных в грунт с вентилируемым подпольем.
Недостатки аналогов и прототипа преодолеваются в предложенном способе восстановления зданий (фиг. 1), построенных в районе пластично мерзлого или оттаявшего грунта 1 на сваях 2, которые поддерживают верхний ростверк 3, с дополнительным фундаментом, объединяющим дополнительные опоры, что совпадает с признаками прототипа.
Кроме того, создают песчаную подсыпку 4, в нижнем основании устраивают отверстия 5, а также закладные детали 6 для крепления установки 7 для задавливания секционной сваи 8, закрепленной затем в узле омоноличивания 9 после ее погружения в лидерную скважину 10 сквозь окно 5 в дополнительном фундаменте в виде нижнего ростверка 11, который является основанием для дополнительных опор 12 в виде вертикальных стоек и подкосов прямого и обратного наклона.
Кроме того, составные элементы нижнего ростверка 11 располагают крест-накрест.
Кроме того, перед погружением секций свай секции промораживают.
Кроме того, на участке с наибольшими деформациями производят инъекцию цементного раствора в песчаную подготовку и начинают процесс погружения свай 8, а на участке с наименьшими деформациями песчаную подготовку 4 разбирают.
Кроме того, после погружения очередной секции сваи 8 производят испытание несущей способности погруженной сваи 8 в режиме ползучести - релаксации в талом состоянии, а к задавливанию последующей секции сваи 8 переходят в том случае, если несущая способность задавленной сваи 8 в талом состоянии не достигла заданного расчетного уровня. Кроме того, после окончания всех работ производят проморозку грунта 1 основания.
Технический результат состоит в повышении надежности обеспечения сохранности и эксплуатационной пригодности зданий и сооружений, построенных на высоком ростверке на сваях, вмороженных в грунт, поврежденных в результате растепления грунтов основания, а также в повышении экономического эффекта при восстановлении зданий и сооружений, пострадавших при растеплении грунтов с учетом ускорения работ, повышения несущей способности свай по боковой поверхности и сокращения времени смерзания сваи с грунтом.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Список фигур чертежей
Фиг. 1. Первый этап усиления: устройство песчаной подготовки, бетонирование нижнего ростверка и раскосов в виде обратного портала.
Фиг. 2. Проходка лидерной скважины, посекционное задавливание свай, замоноличивание свай в ростверки, где использованы обозначения:
1 - пластично мерзлый или оттаявший грунт;
2 - опорная свая верхнего ростверка;
3 - верхний ростверк;
4 - песчаная подготовка;
5 - отверстие для пропуска сваи;
6 - закладные детали для крепления установки для задавливания свай;
7 - установка для задавливания свай;
8 - секционная свая;
9 - узел омоноличивания секционной сваи в ростверки;
10 - лидерная скважина;
11 - нижний ростверк;
12 - дополнительные опоры.
Описание иллюстраций
На фиг. 1 изображены операции работ первого этапа (устройство песчаной подсыпки, устройство ростверка по подсыпке с окнами для погружения свай и закладными деталями для крепления установки задавливания и бурения, устройство раскосов (обратного портала). На фиг. 2 изображены операции по задавливанию секционных свай в лидерные скважины.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в здании, возведенном на свайных фундаментах вмороженных в грунт с вентилируемом подпольем, которое претерпевает неравномерные осадки из-за деградации мерзлоты, объединяющий нижний ростверк 11 бетонируют в опалубке на песчаной подготовке 4, толщиной не менее расчетной деформации пучения при промерзании грунтов. В нижнем ростверке 11 между существующими опорами устраивают окна 5 для последующего пропуска свай 8 и закладные детали 6 для крепления установки задавливания 7, одновременно с бетонированием нижнего ростверка 11 устраивают подкосы прямого и обратного наклона. Затем производят бурение лидерной скважины 10, куда с помощью установки задавливания 7 посекционно погружают предварительно промороженные секции составной сваи 8, после чего погруженные сваи 8 и вертикальные стойки в напряженном состоянии замоноличивают в верхний 3 и нижний 11 ростверки, при этом процесс погружения свай 8 начинают на участке с наибольшими деформациями, а на участке с наименьшими деформациями песчаную подготовку 4 разбирают.
Кроме того, в процессе погружения составных свай 8 производят испытание их несущей способности в талом состоянии, для чего после погружения сваи 8 до проектной отметки перестают подкачивать давление в гидроцилиндры установки задавливания. Наблюдают за изменением давления в гидросистеме по манометру и по величине стабилизированного давления судят о несущей способности задавленной сваи 8. Таким образом, после погружения очередной секции сваи производят испытание несущей способности погруженной сваи в режиме ползучести - релаксации в талом состоянии, а к задавливанию последующей секции сваи 8 переходят в том случае, если несущая способность задавленной сваи 8 в талом состоянии не достигла заданного расчетного уровня. Затем после окончания всех работ производят проморозку грунта 1 основания. Описание реализации способа.
Также покажем, что положительный эффект достигается за счет существенных признаков предлагаемого технического решения, которое реализуется в три этапа:
На первом этапе под всем зданием (или участком здания), получившим недопустимую деформацию, возведенным на свайном фундаменте с высоким ростверком, на песчаную подготовку 4 устанавливают опалубку, арматуру и бетонируют продольный элемент параллельный существующему ростверку, который одновременно является нижним поясом формируемой фермы и ленточным фундаментом (нижний ростверк). Одновременно устраивают раскосы, в виде обратного портала, соединяющие существующий ростверк (верхний пояс изготавливаемой фермы) и новый ростверк (нижний пояс изготавливаемой фермы). Раскосы выполняют из коробчатого или круглого металлического профиля заполненного бетоном и между существующими сваями в нижнем ростверке 11 устраивают отверстие 5 для последующего пропуска секционных залавливаемых свай 8. В нижнем ростверке 11 так же устраивают дополнительные закладные детали 6 для крепления к ним установки задавливания 7, как показано на фиг. 1, 2. На этом этапе реализации способа решаются следующие задачи, и достигается следующий положительный эффект:
- значительно (на порядок и более) повышается жесткость здания за счет преобразования существующего ростверка ленточного свайного фундамента в ферму. Для обеспечения пространственной жесткости аналогичные конструкции устраивают не только в продольном, но и в поперечном направлении. Повышение пространственной жесткости здания приводит к более равномерному перераспределению усилий на сваи и стабилизации неравномерности осадок;
- создание пространственной жесткой конструкции обеспечивает безопасное проведение последующих работ по задавливанию свай и позволяет перераспределить значительное реактивное усилие от задавливания на больший участок конструкции, а так же предотвращает возможный наклон опор.
- нижний пояс фермы (нижний ростверк), опирающийся на грунт, позволяет частично временно снизить нагрузку на существующие сваи и остановить развивающиеся осадки до тех пор, пока не будут включены в работу новые дополнительные сваи 8.
На втором этапе, после набора прочности бетона, к закладным деталям 6 нижнего пояса фермы (нижнему ростверку 11) прикрепляют установку 7 для последовательного задавливания секций свай 8. Установка представляет собой гидроцилиндры с гидронасосом, соединенными с подвижной траверсой. В случае необходимости предварительно через отверстие 5 в нижнем ростверке пробуривают лидерную скважину 10 меньшего диаметра, чем свая 8 (см. рис. 1). Сами секции свай 8 представляют собой отрезки трубы (максимальной длиной равной рабочей длине штока гидроцилиндра) с замками для стыковки, заполненные бетоном.
После задавливания нескольких секций свай 8 в гидросиловую установку 7 перестают подкачивать масло и задавленные секции свай 8 испытывают в режиме ползучести-релаксации. В результате этого при малейшем перемещении сваи 8 происходит падение давления в гидроцилиндре 7, которое фиксируют по манометру, то есть происходит релаксация напряжений до определенной величины. Иными словами с течением времени наступает такое состояние, когда внешняя нагрузка на сваю становится равна сопротивлению сваи 8. То есть по стабилизированному давлению судят о несущей способности составных секций сваи 8, задавленных в грунт 1 (в талом состоянии). Далее залавливают еще несколько секций и операцию повторяют до тех пор, пока несущая способность сваи 8, определенная по величине стабилизированной нагрузки, не станет равной расчетной (или до достижения секций свай 8 до проектной отметки). Далее, не снимая нагрузки, сваю раскрепляют с помощью клиньев и заделывают в ростверки (верхний 3 и нижний 11) в напряженном состоянии. Затем установку для задавливания 7 демонтируют и переносят на место задавливания следующей сваи 8. Через некоторое время происходит смерзание сваи 8 с грунтом 1 по боковой поверхности и несущая способность сваи 8 увеличивается.
Дополнительно, в случае необходимости, для частичного выравнивания неравномерных осадок, задавливание свай 8 начинают в местах наибольших деформаций. Одновременно, в этих же местах производят инъекцию цементного раствора в песчаную подготовку 4, а в местах наименьших деформаций песчаную подготовку наоборот удаляют.
На этом этапе реализации способа решаются следующие задачи и достигаются следующие положительные эффекты:
- за счет устройства дополнительных свай 8 повышается несущая способность всего свайного фундамента;
- при этом появляется возможность определить фактическую несущую способность каждой залавливаемой сваи 8 в талом состоянии, а сами сваи 8. погруженные статической нагрузкой, являются предварительно напряженными, что практически исключает их осадку;
- за счет устройства дополнительных вертикальных стоек, которые являются продолжением новых свай 8, повышается общая жесткость конструкции;
- после замоноличивания окон для пропуска свай 8 и вешин этих свай в узлах 9, все старые и новые элементы конструкции объеденены в единую жесткую систему.
- поскольку сваи 8, залавливаемые в лидерную скважину 10, уплотняют грунт 1 вокруг нее, это не требует заливки пространства между сваей и стенками скважин шламом и цементным раствором, как это делают при обычном способе устройства свай в мерзлых грунтах. Такая технология позволяет ускорить производство работ, повысить несущую способность свай по боковой поверхности и сократить время смерзания сваи с грунтом (особенно в сочетании с предварительной проморозкой секций свай перед погружением);
- в процессе проведения работ, за счет определенной последовательности задавливания свай 8, цементации подсыпки 4 в местах наибольших деформаций и ее выемки в местах наименьших деформаций частично исправляют неравномерность осадок фундаментов.
На третьем этапе (если это необходимо) производят повторную проморозку грунтов основания комбинированным (поверхностным и глубинным) способом. Если промораживаемые грунты обладают пучинистыми свойствами, то песчаную подготовку под нижним ростверком удаляют. Таким образом, толщину песчаной подготовки назначают равной не менее расчетной величине подъема поверхности грунта при проморозке. В этом случае цементацию песчаной подушки не выполняют.
При реализации третьего этапа достигается следующий положительный эффект: несущая способность свай увеличивается, и деформации полностью прекращаются.
Существенными отличиями предлагаемого технического решения от прототипа являются:
1. Другая область применения. Способ предназначен для восстановления эксплуатационной способности зданий в криолитозоне, построенных на свайных фундаментах с высоким ростверком по принципу сохранения мерзлоты, которые претерпели неравномерные деформации в результате деградации мерзлоты и растепления грунтов основания.
2. Другая, строго определенная последовательность и состав операций: устройство песчаной подсыпки определенной толщины, наземного ростверка с окнами и закладными деталями и раскосов в виде обратного портала, погружение свай в определенной последовательности, испытание и предварительное напряжение секционных свай с последующей заделкой, одновременная частичная разборка подсыпки в местах наименьших деформаций и комбинированная проморозка грунтов.
3. Тройная функция операции по устройству песчаной подсыпки: в качестве выравнивающей подготовки для бетонирования нижнего ростверка, в качестве элемента, позволяющего частично снизить неравномерность деформации и в качестве элемента против пучения грунтов при проморозке.
4. Множественная функция операции по устройству нижнего ростверка, бетонируемого на песчаной подсыпке и устройство обратного портала: в качестве элементов фермы, повышающей жесткость здания для снижения неравномерности осадок, в качестве противоаварийного элемента, обеспечивающего безопасность проведения последующих работ, в качестве разгрузочного элемента для восприятия реактивного усилия от задавливания секционных свай, в качестве дополнительного соединительного элемента свай с конструкцией фермы, в качестве временного фундамента мелкого заложения, позволяющего частично разгрузить существующие сваи до устройства дополнительных свай.
5. Операция по задавливанию секционных свай в пластично мерзлые и оттаявшие грунты в лидерную скважину. Ранее сваи в мерзлые грунты погружались в лидерную скважину только путем забивки, что для описываемого случая реализовать из подполья невозможно.
6. Операция по определению несущей способности залавливаемых свай в процессе погружения (для грунтов в талом состоянии).
Экономический эффект предлагаемого технического решения заключается в следующем.
В настоящее время, в связи с тем, что 63% территории РФ находятся в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов и более 75% зданий и сооружений построено по принципу сохранения мерзлоты на свайных фундаментах с высоким ростверком, а так же учитывая, что в связи с потеплением климата в Северном полушарии на значительных территориях наблюдается деградации мерзлоты и неравномерные деформации сооружений - разработка способов восстановления эксплуатационной способности для таких объектов представляет собой важную, актуальную и до сих пор эффективно не решенную задачу. Предлагаемое техническое решение позволяет гарантированно и надежно сохранить эксплуатационную пригодность зданий и сооружений, построенных на высоком ростверке на сваях, вмороженных в грунт, поврежденных в результате растепления грунтов основания. В настоящее время такие аварийные здания обычно подлежат разборке. Таким образом, экономический эффект по каждому объекту должен определяться исходя из разности стоимости разборки аварийного здания, строительства нового аналогичного здания за вычетом стоимости работ по усилению конструкций по данной технологии. Очевидно, что экономический эффект даже на одном объекте будет весьма значительным.
Таким образом, предложен Способ восстановления зданий с вентилируемым подпольем и с высоким ленточным ростверком, объединяющим вертикальные свайные опоры, после растепления грунтов основания, при котором вводят дополнительный фундамент с дополнительными опорами в виде вертикальных стоек и подкосов прямого и обратного наклона, объединяющий существующие опоры отличающийся тем, что дополнительный фундамент выполняют в виде нижнего ростверка, который бетонируют в опалубке на песчаной подготовке, толщиной не менее расчетной деформации пучения при промерзании грунтов основания, дополнительные опоры устанавливают одновременно с бетонированием нижнего ростверка, формируя внутри подполья пространственную рамную конструкцию, при этом в нижнем ростверке замоноличивают свайные и дополнительные опоры, в нижнем ростверке между свайными и дополнительными опорами устраивают окна для последующего пропуска составных свай и закладные детали для крепления установки задавливания, после чего производят бурение лидерной скважины, куда с помощью установки задавливания посекционно погружают составные сваи и замоноличивают погруженные сваи в напряженном состоянии в верхнем и нижнем ростверке с помощью узлов омоноличивания.
Кроме того, нижний ростверк выполняют ленточным, а его составные элементы располагают крест-накрест.
Кроме того, перед погружением секций свай секции промораживают.
Кроме того, в местах наибольших деформаций начинают процесс погружения свай и производят инъекцию цементного раствора в песчаную подготовку, а на участке с наименьшими деформациями песчаную подготовку разбирают.
Кроме того, после погружения очередной секции сваи производят испытание несущей способности погруженной сваи в режиме ползучести - релаксации в талом состоянии, а к задавливанию последующей секции сваи переходят в том случае, если несущая способность задавленной сваи в талом состоянии не достигла заданного расчетного уровня.
Кроме того, после окончания всех работ производят проморозку основания.
Итак, заявляемый способ надежен и экономичен, эффективен с точки зрения достижения высоких эксплуатационных характеристик.
Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенного способа.
Источники информации
1. Сотников С.Н. Проектирование и возведение зданий вблизи существующих сооружений. Опыт строительства в условиях Северо-Запада СССР (Глава 8. Восстановление конструкций зданий, поврежденных в результате развития дополнительной осадки при застройке смежных участков). - М.: Стройиздат, - 1986 г. - 96 с.
2. Патент RU 2520751, Шулятьев О.А., Федоровский В.Г., Шулятьев СО. НИЦ «Строительство» Способ регулирования неравномерных осадок многоэтажного здания с плитным или плитно-свайным фундаментом.
3. Конаш В.М., Яковлев Е.Н., Королев M.B. Технологии усиления фундаментов и устройства ограждения котлованов погружением свай статической нагрузкой. // Журнал «Новые строительные материалы, технологии, оборудование XXI». №1, январь 1999 г. - С. 20-21.