Усиление фундаментов стен памятников архитектуры с применением метода вдавливания

зволяют прогнозировать эксплуатационные свойства и характеристики материала слоя отделки.

Изучение и определение пористости склеивающих цементных слоев может оказаться полезным при рассмотрении вопросов надежности бетонов и каменной кладки стен.

Библиографический список

1. Горчаков Г. И., Михайловский В. П. О расчете трещиностойкости фактурного слоя панелей и блоков//Бетон и железобетон. - 1972.- №5.-С.26-27.

CRACKING AND POROSITY FINISHING LAYER WALL CONSTRUCTIONS

V. P. Mihaylovskiy

The conditions for the formation of cracks, analytical expressions for calculating the porosity of the material finish, pitch, length and width of cracks, which allows predict the performance characteristics of wall constructions.

Михайловский Владимир Петрович - д-р техн.наук, профессор кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - монолитность слоистых систем типа отделочный слой - основание. Имеет более 130 опубликованных работ. E-mail: mihvp1940@mail.ru

УДК 69.059.72

УСИЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ СТЕН ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВДАВЛИВАНИЯ

А. С. Нестеров, Е. В. Тишков, О. И. Мельник

Аннотация. Рассмотрены различные технологические схемы усиления фундаментов стен памятников архитектуры, вскрыты причины деформаций фундаментов, приведены возможные способы производства работ, подробно рассмотрено применение метода вдавливания свай.

Ключевые слова: памятник архитектуры, фундамент, усиление стен, армирование, материалы, вдавливание свай.

Одним из основных положений Концепции Федеральной целевой программы «Культура России» является сохранение объектов архитектурного, исторического и культурного наследия. Программой предусматривается проведение ремонтно-реставрационных работ, противоаварийной защиты, консервации объектов и других мероприятий. В рамках выполнения данных работ нередко приходится сталкиваться с проблемами усиления как надземных, так и подземных несущих конструкций.

Среди основных конструктивных особенностей зданий-памятников архитектуры можно отметить:

- кладка стен надземной части выполнена, как правило, из полнотелого кирпича на различных растворах;

- перекрытия в подобных зданиях предусматривались сводчатыми (каменными или железобетонными) ил деревянными;

- фундаменты и стены подземной части проектировались, в основном, из полнотелого кирпича или бута, реже использовались свайные фундаменты с деревянными сваями.

Относительно большие толщины стен, наличие кирпичных сводов и жестких дисков перекрытия обуславливает довольно большую жесткость надземной части зданий. В связи с этим в зданиях подобного типа при обеспечении надлежащей эксплуатации, основной причиной усиления фундаментов является естественное старение подземного конструктива, сопровождающееся изменением гидрогеологических условий. Как правило, наибольшему разрушению подвергается надземная кладка

в уровне цоколя и кладка ниже уровня планировки, подверженная периодическому замачиванию и воздействию циклов замерзания/оттаивания. Постепенное расслаивание кладки стен и фундаментов приводит к увеличению напряжений в конструкциях, негативным изменениям напряженно-деформированного состояния основания и ухудшению технического состояния здания вцелом.

На рис.1., 2. представлены примеры не-

удовлетворительного состояния фундаментов несущих стен и колонн памятника архитектуры в г. Тара, Омской области, зафиксированные при вскрытии шурфов. По результатам натурных исследований установлено, что фундаменты здания находятся в аварийном состоянии и требуют срочного усиления ввиду возможности обрушения конструкций.

Рис. 1. Конструкция фундаментов наружных несущих стен. Расслоение кладки фундамента по толщине, размораживание кирпича и раствора. Угловые части фундаментов стен обваливаются под собственным весом

При определении способа усиления фундаментов памятников архитектуры следует отдавать предпочтение таким, которые не искажают внешний облик памятника, имеют меньшую трудоемкость и наибольшую экономическую эффективность [1]. Весь комплекс по реконструкции подземной части здания, включая и усиление фундаментов, можно разбить на два основных этапа:

Первый этап - подготовительный, включает работы, связанные с обеспечением устойчивости реконструируемого здания и позволяющие безопасно производить работы внутри здания. На этом этапе выполняется временное укрепление несущих конструкций, фундаменты освобождаются от нагрузок путем передачи их на временные опоры или надежные конструкции здания.

Рис. 2. Конструкция фундаментов внутренних несущих колонн.

Кирпичный фундамент практически полностью разложился. За счет обрушения углов кладки фундамент заужен к подошве

Второй этап включает все строительно-монтажные работы по усилению, замене и устройству новых конструктивных элементов реконструируемого здания. В состав этих работ входит разборка полов, отрывка котлованов, разборка старых конструкций или их усиление, возведение новых конструкций, включающие опалубочные, арматурные и бетонные работы [2].

В настоящее время разработан различные способы усиления оснований фундаментов: инъецирование упрочняющих составов, применение монолитных железобетонных обойм, приливов, устройство дополнительных свайных фундаментов (из набивных, буроинъек-ционных, вдавливаемых и других видов свай). В практике усиления фундаментов памятников архитектуры все большее распространение получают способ усиления иньецирова-нием и способ усиления фундаментов с помощью стальных трубчатых свай, вдавливаемых домкратами.

Так способ вдавливания трубчатых свай был применен при реконструкции памятника архитектуры XVII в.- здания Потешного дворца в московском Кремле. Здание Потешного дворца имеет размер в плане 23X27 м; число этажей 3-6, высота здания 14-25 м и более, фундаменты ленточные, глубина заложения 6 м от отметки планировки. Конструкция фундамента включает в себя кладку из известня-

ка на известковом растворе, высотой 0,4-0,6 м, выше из тесанного камня с забутовкой средней части рваным камнем и кирпичом на известковом растворе. Давление на грунт по подошве фундамента составляло от 300 до 690 кПа (рис. 3). Очевидно, что неравномерность распределения давления по подошве фундамента не может не влиять на неравномерность деформации основания.

Рис. 3. Бутовый ленточный фундамент

1 - гидроизоляция; 2 - утепляющая отсыпка из

шлака или керамзита; 3 - уровень чистого пола; 4 - грунтовая или песчаная подушка при глубоком залегании несущего слоя; 5 - отмос-тка; 6 - уровень земли; 7 - грунтовая подсыпка; 8 - глинобитная подготовка

Здание Потешного дворца имеет основанием насыпные грунты, мощность насыпной толщи составляет от 8 до 15 м., причем на разной глубине имеются прослойки до 3 м, содержащие до 20 % включений гумуса. Скальное основание, представленное трещиноватыми известняками, залегает на глубине 26-27 м от поверхности грунта. Скорость осадки примерно 4 мм/год, приращение неравномерности осадки 0,1-0,3 мм. Анализ конструкций зданий конструкций здания, фундаментов и инженерно-геологических элементов основания позволяет сделать вывод, что основной причиной деформаций несущих конструкций здания является продолжающийся процесс уплотнения грунтов, отягчающийся процессом гниением биогенных включений.

Проектом предусматривалось устройство вдавливаемых свай непосредственно под фундаментами всех несущих стен. Для свай использовались стальные трубы, диаметром 351 мм, которые вдавливались посекционно в грунт. Головная секция имела закрытый нижний конец в виде острия, набранного из пластин конической формы. После погружения, внутренняя полость свай заполнялась бетоном.

При выполнении работ по реконструкции Потешного дворца в подвале вплотную к стене отрывали приямок, затем под подошвой фундамента устраивался шурф глубиной, позволяющей разместить в нем наддомкратную балку, гидравлический домкрат и секцию вдавливаемой сваи. Работы производились захватками, не более 2 м по длине стены. Но даже при такой незначительной площади ослабления основания фундаменты давали незначительное приращение осадки. В связи с этим производители работ приняли решение иньецировать в стены и существующие фундаменты сооружения известково-цементное молоко, а в ряде случаев выполнить косвенное армирование [1].

Вдавливание секций свай обычно осуществляется с помощью гидродомкратов с приводом от насосных станций высокого давления. Включение сваи в работу производится с помощью V-образного оголовка с гнездом, позволяющим разместить малогабаритный домкрат для обжатия сваи расчетным давлением (рис. 4).

Рис. 4. Процесс включения сваи в работу с помощью ^образного оголовка

Перед началом погружения наконечник сваи устанавливают в центре шурфа в приямок глубиной примерно 1 м., вдавливаемые сваи не должны ни сдвигаться в сторону, ни отклоняться от вертикального направления. При погружении свай с помощью копра свая перемещается по направляющим, которые не позволяют ей отклониться в сторону. Когда же свободно стоящая свая вдавливается домкратом такое отклонение весьма возможно.

В данном случае наиболее рациональным явилось применение специального наконечника, не требующего дополнительных направляющих [1].

Вдавливаемая свая представляла из себя металлическую трубу из свариваемых между собой обечаек. Продолжительность вдавливания зависела главным образом от того, сколько раз приходилось сваривать трубы между собой. Поэтому с целью уменьшения объема сварочных работ приходится применять более длинные обечайки. Применялись домкраты, имеющие ход поршня равный 170 мм и принудительный обратный ход грузоподъемностью 3100 кН при давлении 500 атм. При расположении домкрата поршнем вниз снятие домкрата после полного выхода поршня не требуется.

При производстве работ одновременно вдавливалось не более двух свай в разных

захватках. Причем каждая следующая свая вдавливалась рядом с предыдущей. Давление фиксировалось по манометру и применялось на последнем этапе из расчета в 1,25 раза выше приходящейся на сваю расчетной нагрузки. Такое решение принималось в расчете на то, что осадки здания при разработке грунта на захватке под следующую сваю не будут возрастать. Так как при проведении реконструкции, временные конструкции, разгружающие фундамент, такие как поперечные балки или подкосы не применялись. Надо отметить, что свод правил СП-110-2004 для вновь строящихся зданий рекомендует при вдавливании свай применять коэффициент надежности равным 1,2. Поэтому превышение расчетной нагрузки на сваю на 25 % не будет иметь решающего значения при определении осадки свайного фундамента реконструируемого здания.

Включение свай в работу осуществлялась в два этапа. Когда вдавливаемая свая получала необходимую нагрузку, ее закрепляли применяя метод предварительного напряжения. Специальной конструкцией из уголков голову сваи прижимали к наддомкратной балке и вторично давали свае полную нагрузку, компенсирую упругую составляющую полной деформации. После чего производили расклинивание головы сваи стальными пластинами заводя их в зазор между балкой и головой сваи, предупреждая тем самым упругий отказ сваи. После того домкрат снимался, полость сваи заполнялась бетонной смесью, затем заполнялся бетоном и весь шурф.

За рубежом широкое распространение получило вдавливание свай типа «Мега». Данные сваи многосекционные, состоят из отдельных коротких элементов (секций), как правило железобетонных, круглого или квадратного сечения. Секции свай последовательно стыкуют по мере вдавливания домкратом до той длины, при которой обеспечивается требуемое предельное сопротивление либо достигается контрольная величина фактического отказа сваи. Упорным элементом домкрата может служить подошва существующего фундамента, специальная упорная продольная железобетонная балка или инвентарное упорное устройство.

Секции свай выполняются с вертикальным сквозным каналом, диаметр которого составляет примерно одну треть от наружного поперечного размера или диаметра сваи. Канал

используется для проверки непрерывности ствола вдавливаемой сваи и ее вертикальности. После достижения требуемого предельного сопротивления сваи канал заполняется мелкозернистым бетоном, который образует монолитный сердечник, повышающий жесткость сваи «Мега» [3].

Стыкование круглых рядовых секций в процессе вдавливания осуществляется с помощью наружных или внутренних тонких стальных бандажей, обеспечивающих только соосность секций свай при погружении. Монолитный сердечник способствуют улучшению работы стыка свайных секций, играющего роль фиксатора. Первую секцию погружают с бетонным башмаком, высота которого равна диаметру сваи.

Проблема усиления подземной части зданий и сооружений практически всегда представляет собой сложную инженерно-техническую задачу, тем более в условиях плотной городской застройки. Особую технологическую сложность приобретают эти работы применительно к объектам культурно-исторического наследия. Разработке проекта усиления должны предшествовать изыскательские работы для выявления инженерно-геологических особенностей грунтов основания, а также комплексная оценка технического состояния конструктива здания. К этому необходимо прибавить ужесточение комплекса экологических и природоохранных требований.

В этом отношении система усиления фундаментов объектов обладающих исторической или культурной ценностью с применением свай, погружаемых методом вдавливания, выгодно отличается от других технологий. Одно из главных ее преимуществ заключается в том, что при разработке проекта усиления в достаточной степени достоверно можно определить несущую способность свай и спрогнозировать деформации фундаментов. Кроме того при вдавливании свай грунт в основании сооружения (в межсвайном пространстве) уплотняется, что приводит к увеличению его модуля деформации, а следовательно к снижению осадок сооружения. Другими бесспорными преимуществами погружения свай вдавливанием, являются: отсутствие динамических воздействий на грунт; контроль усилия нагружения каждой сваи; бесшумность и экологическая безопасность работ; возможность устройства свай без выемки грунта [4].

Вместе с тем, способ вдавливания свай имеет и недостатки, наиболее существенными из которых являются ограничения при выполнении работ в отдельных категориях грунтов, а также неопределенность относительно значения усилия, передаваемого на сваю перед включением ее в совместную работу с сооружением. По разным данным, усилие обжатия вдавливаемых свай домкратами на последней ступени должно в 1,5-2 раза превышать расчетную нагрузку, либо по завершении вдавливания следует выдерживать домкрат до условной стабилизации (осадка менее 0,1мм за 30 мин) [5].

Опыт работ по усилению фундаментов и оснований показывает перспективность применения вдавливания многосекционных свай для усиления фундаментов реконструируемых и аварийных зданий, а также для устройства новых фундаментов стен и оборудования в стесненных условиях. Анализ использования метода вдавливания на объектах обладающих архитектурной значимостью позволяет сделать следующие выводы:

1. Оборудование должно быть малогабаритным и приспособленным для работы в стесненных условиях.

2. При производстве работ динамическое воздействие на конструкции сооружения и грунт основания должно быть сведено к минимуму.

3. Технология производства работ по усилению фундаментов должна быть экологически безопасной и обеспечивать производство работ по возможности, без эвакуации живущих или работающих в здании людей.

4. Не этапе подготовительных работ необходимо произвести усиление поврежденных и дефектных конструкций надземной части для препятствия дальнейшему развитию дефектов.

5. Необходимо производить контроль усилия нагружения вдавливаемых свай для обеспечения предусмотренных проектом технических решений.

6. Включение свай в работу должно быть осуществлено сразу после окончания производства работ.

7. Необходимы дальнейшие исследования по совершенствованию способа вдавливания свай.

Библиографический список

1. Гендель Э. М. Усиление стен памятников архитектуры /Э. М. Гендель, Б. О. Турецкий, В. Г. Яворский / Жилищное строительство №6. 1983. М.: Стройиздат, С. 26-28.

2. Штоль Т. М. Технология возведения подземной части зданий и сооружений /Т. М. Штоль, В. И. Теличенко, В. И. Феклин. - М.: Стройиздат, 1990. - 288 с.

3. Мулюков Э. И. Использование многосекционных свай под фундаменты реконструируемых и аварийных зданий и сооружений за рубежом / Промышленное и гражданское строительство.№12 1984. М., Строиздат. С. 39-42.

4. Конаш В. М. Современные технологии усиления оснований и фундаментов /Архитектура и строительство России №6. 2008. М.: Стройиздат, С. 36-39.

5. Коновалов П. А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий.-4-е изд., перераб. и доп.-М.: ВНИИНТПИ, 2000. - 317с.

STRENGTHENING OF THE ARCHITECTURAL MONUMENTS WALLS BY MEANS OF THE PRESSING METHOD

O. J. Mellnic, E. V. Tishcof, А. S Nesterov

Foundation walls of memorial pleases reinforced with different technologies scheme and geo materials was tested. The strengthening of the building site wase observer. The main stream of foundation were pile pressing considered.

Нестеров Андрей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» (СибАдИ). Основные направления научной деятельности -Фундаментостроение. Общее количество опубликованных работ: 33. e-mail: kafjgof@sibadi.org

Тишков Евгений Викторович - аспирант кафедры «Инженерная геология, основания и фундаменты» (СибАДИ). Основные направления научной деятельности - Фундаментостроение. Общее количество опубликованных работ: 3. email: tishcof_ev@sibadi.org

Мельник Ольга Игоревна - магистрант кафедры «Организации и технология строительства». Основные направления научной деятельности Организация и технология строительства. Общее количество опубликованных работ: 2 e-mail:mellnic_ob@sibadi.org