Геотехническое обоснование усиления бутовых фундаментов исторических зданий

Вестник ТГАСУ №3, 2007

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.131

С. И. АЛЕКСЕЕВ, докт. техн. наук, профессор,

С. С. КОЛМОГОРОВА, аспирантка,

ПГУПС, Санкт-Петербург

ГЕОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ БУТОВЫХ ФУНДАМЕНТОВ ИСТОРИЧЕСКИХ ЗДАНИЙ

В настоящее время проблема реконструкции исторических зданий является актуальной. Выбор метода усиления бутовых фундаментов должен назначаться специалистами-геотехниками на основе достоверных данных о состоянии тела фундамента. В статье рассматриваются новые методы диагностики бутового фундамента на основе комплексного обследования.

При геотехническом обосновании исторических зданий существует ряд проблем, связанных с методикой и технологией диагностики состояния бутовых фундаментов. Точная диагностика деформаций бутовой кладки фундаментов и их количественная оценка необходимы при выборе путей усиления и поддержания сохранности исторических зданий.

Традиционным методом диагностики состояния фундаментов и оснований в подошве их, как известно, являются горные выработки (шурфы), откопанные возле наружных и внутренних несущих стен. Однако обследование фундаментов из шурфов не позволяет получить полную информацию и оценить общее состояние конструкций бутовых фундаментов исторических зданий.

Современные исследования и новые технологии породили новые методы диагностики состояния бутового фундамента. Сотрудниками кафедры оснований и фундаментов (ПГУПС) под научным руководством профессора С.И. Алексеева состояние бутовых фундаментов исторических зданий оценивается по результатам комплексного обследования. Оно включает в себя, помимо традиционных методов, геофизические исследования на основе сейсмоакусти-ческих полей вынужденных колебаний, контрольное бурение шпуров в теле фундамента с визуальной оценкой внутреннего состояния фундамента телекамерой [1, 2], нагнетание раствора в полость шпуров.

Комплексное обследование дает более точные данные о состоянии бутовой кладки и позволяет более эффективно и рационально подойти к решению вопроса проектного усиления фундамента.

© С.И. Алексеев, С. С. Колмогорова, 2007

В качестве примера рассмотрим геотехническое обоснование реконструкции исторического здания в Санкт-Петербурге, расположенного по ул. Можайская, д. 38, где были использованы традиционные и нетрадиционные методы диагностики состояния бутового фундамента, что дало возможность дать количественную оценку достоверности каждого метода. В качестве критерия оценки достоверности принималось количество пустотности в бутовой кладке, которое в полном объеме выявлялось количеством расходуемого материала при заполнении тела фундаментов цементацией.

На начальном этапе обследования были собраны все архивные материалы по зданию и инженерно-геологическим условиям площадки.

Обследуемое здание размером в плане 30x34 м представляет собой 4-этажную кирпичную постройку с подвалом.

Площадка характеризуется неблагоприятными для строительства на естественном основании условиями. Напластование грунтов представлено насыпным слоем мощностью 2,6 м, озерно-морскими пылеватыми песками средней плотности мощностью 1,5-3,5 м с линзами сильно сжимаемой супеси с примесью растительных остатков, озерно-ледниковыми ленточными глинами и суглинками скрыто текучей и мягкопластичной консистенцией мощностью 5-6 м, ледниковыми тугопластичными мореными суглинками на глубине 10-13 м. Грунтовые воды вскрыты на глубине порядка 2 м от поверхности.

На начальном этапе обследования были откопаны и освидетельствованы 14 шурфов внутри здания в полный профиль с подсечкой подошвы фундаментов, зондированием грунтов основания и отбором образцов несущего слоя грунта. Было выявлено, что фундаменты - на естественном основании, ленточные, бутовые, из рваного плитчатого известняка на известковом растворе. Ширина подошвы фундаментов 1,0 м, глубина заложения 2,1 м от дневной поверхности грунта (0,7 м от поверхности пола подвала). Несущим слоем основания фундаментов служит песок пылеватый, средней плотности (сопротивление динамическому зондированию Q = 3,0-3,5 МПа), насыщенный водой, с достаточной несущей способностью. Состояние бутовой кладки тела фундамента оценивалось как удовлетворительное (трещин и пустот в местах копки шурфов выявлено не было). Таким образом, обследование с помощью шурфов показало достаточно удовлетворительное состояние подземной части здания, однако результаты геодезического мониторинга, а также процесс образования и раскрытия трещин в надземных конструкциях указывал обратное. В связи с этим возникла необходимость комплексного обследования состояния бутовых фундаментов.

Ниже приводится анализ результатов оценки состояния тела бутового фундамента по несущей продольной стене (ось 10) на основании комплексного обследования.

На первом этапе комплексного обследования для получения общей картины состояния фундаментов и выявления ослабленных зон фундаментов был использован геофизический метод на основе сейсмоакустических полей вынужденных колебаний, который позволяет оценить состояние тела бутового фундамента по совокупности признаков: скорости звука, энергии сигнала, интерференции спектра и амплитуды отраженных волн [2].

По каждой акустической характеристике был выполнен анализ результатов с выявлением ослабленных участков. Предварительное состояние фундаментов оценивалось по совокупности всех акустических характеристик, на основании которых были выделены две ослабленные зоны с относительно большим количеством дефектов между осями В-Е и осями И-Л (рис. 1, а). Геодезический мониторинг по оси 10 показал неравномерные осадки только между осями Б-И, где максимальные деформации составили 4 мм (рис. 1, в).

Схема расположение исследовательских шпуров с оценкой пустотности по результатам видеосъемки

4% -1 000 7% 11% 4% 11% 12% 6%

Схема расположение опытных шпуров с расходом цементного раствора и оценкой пустотности

Цементация контактной зоны

в)

Рис. 1. Фундамент по оси 10 между осями А-М:

а - схема расположения исследовательских шпуров с выделенными ослабленными зонами по результатам геофизических исследований и с оценкой пустотности по результатам видеосъемки; б - схема расположения опытных шпуров с расходом цементного раствора и оценкой пустотности; в - схема эпюры осадок и оценка пустотности тела фундамента по результатам закачки

На следующем этапе были выполнены исследования бурением шпуров колонковым способом небольшого диаметра (60 мм) через тело фундамента до подошвы.

По оси 10 было выполнено 7 шпуров через тело фундамента с динамическим зондированием грунтов несущего слоя основания и отбором образцов тела фундамента (известняка и раствора) и грунта основания. Шпуры выполняли с поверхности грунта через тело наружных фундаментов. Для подтверждения результатов геофизического метода были выполнены четыре шпура (№ 2, № 3, № 5, № 6) в ослабленных зонах, три шпура (№ 1, № 4, № 7) - в относительно хороших участках фундамента (рис. 1, а).

При бурении шпуров в ослабленных зонах были выявлены значительные дефекты, очень часто встречались трещины, провалы (каверны), колотая мелочь бутового камня. Это достаточно хорошо было видно по скорости проходки штанги бурового снаряда, выходу кернов при бурении, прочности известняка, раствора и выполненной видеосъемке внутренней полости шпуров.

Увеличение скорости проходки штанги бурового снаряда указывает на наличие дефектов в теле бутового фундамента. На рис. 2 приведены графики средних значений скорости бурового снаряда в ослабленных зонах и в относительно хороших участках. Максимальное значение скорости в ослабленной зоне (шпуры № 2, № 3, № 5, № 6) достигает до 3,5 см/мин, минимальное -1,8 см/мин, в относительно хороших участках (шпуры № 1, № 4, № 7) соответственно 2,8 и 2,2 см/мин.

Рис. 2. Графики скорости проходки бурового снаряда шпуров

Образцы материала тела фундамента (известняка и раствора), отобранные при бурении шпуров, испытывались на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии. Вид кернов из одного шпура резко отличаются в зависимости от места отбора их по глубине. При этом образцы известняка не всегда имеют достаточные размеры для проведения испытаний на одноосное сжатие.

В связи с этим прочность известняка на одноосное сжатие определялось косвенным методом - по результатам раскалывания образцов произвольной формы сферическими инденторами в соответствии с ГОСТ 24941-81. Прочность известняка составила 17-36 МПа (рис. 3).

Прочность известия» .! н.1 одноосное сжатие, МПа

О 5 10 15 20 25 30 35 40

И Прочность известняка

И Прочность известняка

Рис. 3. Прочность известняка по глубине фундамента

Прочность раствора определялась в соответствии с ГОСТ 5802-86 путем раздавливания образцов-кубиков с ребром 20-35 мм, изготовленных из пластин раствора и склеенных тонким гипсовым раствором в кубики (по 2-3 пластины). Прочность раствора составила 0,1-0,4 МПа.

Расчетное сопротивление сжатию бутовой кладки фундамента при полученной прочности известняка и раствора, по формуле Л.И. Онищика [4], составило всего 150-320 кПа.

Обследование и телесъемка стенок шпуров мини-телекамерой потвердило наличие в кладке многочисленных полостей и горизонтальных щелей, образовавшихся в результате выщелачивания кладочных швов. Выполненная

съемка внутренней полости шпура мини-телекамерой позволила получить наглядную картину состояния камней, наличие раствора, величину швов, расположенных внутри кладки, и дать качественную оценку состояния всей конструкции. По результатам видеосъемки выполнен анализ пустотности шпуров (см. рис. 1, а). Наибольшие значения пустотности наблюдаются в ослабленных зонах, полученных геофизическими исследованиями.

Результаты видеосъемки наиболее характерного шпура представлены на рис. 4, где приведены фрагменты пустот в теле фундамента по глубине. На представленных снимках хорошо видно, что в бутовой кладке имеется большое количество пустот, не заполненных раствором, а также есть места, в которых практически полностью отсутствует связующий материал и бутовый камень передает нагрузку в отдельных точках, что создает условия для его разрушения.

Полость толщиной 50 мм

Рис. 4. Схема шпура № 6 с фрагментами видеосъёмки наиболее характерных полостей в теле фундамента

На основании результатов комплексного обследования было предложено цементационное усиление тела фундамента. Выполненные опытные шпуры с нагнетанием раствора перед усилением позволили дать оценку пустотности состояния тела фундамента по расходу фактического материала (см. рис. 1, б) и сопоставить уже полученные данные.

Следует отметить, что проведенные геофизические исследования уже в первом приближении позволяют дифференцированно подойти к решению вопроса проектного усиления обследуемых конструкций. В выделенных проблемных зонах шаг шпуров-инъекторов для цементации тела фундаментов и расход цемента будут не такими, как в остальной части фундаментных конструкций. Решение данных вопросов имеет большое практическое значение и требует дальнейших исследований.

Для количественной оценки пустотности тела фундамента был выполнен анализ фактического расхода материала при закачках цементного раствора в кладку через шпуры, который позволил оценить состояние фундаментов с достаточной степенью достоверности (таблица).

На рис. 1, в показаны диаграммы расхода цементного раствора при опытных закачках в тело фундаментов и в грунт контактной зоны «фундамент-основание». Из диаграммы расхода цементного раствора при цементации тела фундаментов видно, что поглощение цементного раствора - в среднем 50 кг на 1 пог. м скважины, на отдельных участках - 120 кг и более, при этом общая пустотность составила 8,9 %.

Методы оценки пустотности тела фундамента Пустотность, % Достоверность, %

Мини-телекамера 7,9 89

Опытные закачки 5,5 62

Цементация тела фундамента 8,9 100

Диаграмма расхода цементного раствора при закачке в контактную зону «фундамент-основание» показывает, что поглощение цементного раствора составляет в среднем 20 кг на 1 пог. м скважины и только на отдельных небольших участках - 40 кг на 1 пог. м Последнее указывает, что на отдельных участках в пределах контактной зоны «фундамент-основание» несущий слой основания ослаблен, но незначительно.

Традиционное «точечное» шурфование при обследовании фундаментов зданий фактически не дает полной объемной картины по состоянию тела фундаментов и грунтов их основания. Необходимо использовать более информационные методы диагностики, например геофизические обследования, бурение шпуров небольшого диаметра в теле фундаментов с внедрением в несущий слой, с визуальной оценкой внутреннего состояния фундамента мини-телекамерой.

Библиографический список

1. Алексеев, С.И. Геотехническое обоснование мансардных надстроек и углублений подвалов существующих зданий / С.И. Алексеев // Реконструкция городов и геотехническое строительство. - СПб., 2005. - 57 с.

Вестник ТГАСУ №3, 2007

165

2. Алексеев, С.И. Геофизические методы исследования состояния сплошности бутовых фундаментов / С.И. Алексеев, С.С. Колмогорова, В.Ю. Гарин // Основания и фундаменты: теория и практика. - СПб., 2004. - 53 с.

3. Алексеев, С.И. Обследование состояния бутовых фундаментов исторических зданий г. Санкт-Петербурга мини-телекамерой / С.И. Алексеев, С.С. Колмогорова // Теоретические и практические проблемы геотехники: межвузовский тематический сборник трудов - СПбГАСУ. - СПб., 2005. - С. 25-30.

4. СНиП II-22-81 Каменные и армокаменные конструкции.

S.I. ALEKSEEV, S.S. KOLMOGOROVA

GEOTECHNICAL SUBSTANTIATION OF TRENGTHENING OF FOUNDATIONS OF HISTORICAL BULDINGS

The reconstruction of historical buldings has become exceedingly acute at the present time. Engineer taking into account the reliable survey of masonry condition must determine the certain strengthening of foundations masonry of historical buildings.

УДК 624.131.54:624.04236

С.И. АЛЕКСЕЕВ, докт. техн. наук, профессор,

В. С. КАМАЕВ, аспирант,

ПГУПС, Санкт-Петербург

УЧЕТ ЖЕСТКОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗДАНИЙ ПРИ РАСЧЕТАХ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

В статье приведены основные результаты исследования влияния жесткости надземных конструкций на характер деформаций основания и на усилия в конструкциях. Проанализированы результаты выполненных стендовых испытаний балок различной жесткости на грунтовом основании и произведено их сравнение с результатами численного моделирования. Рассмотрены результаты численного моделирования фундаментных плит различной жесткости. Предложен метод вычисления гибкости здания.

Введение

В нормативных документах содержатся требования к определению нагрузок и воздействий на фундаменты, а также деформаций оснований из условия совместной работы сооружения и основания (пп. 2.5, 2.37 [1]). Основная цель этих требований - определение фактических нагрузок на основание и его деформаций, а также усилий в элементах надземных конструкций с учетом жесткости этих конструкций и жесткости основания, для чего требуется выполнить совместный расчет здания с основанием.

Совместные расчеты конструкций с грунтом стали выполняться в 1-й половине ХХ века для балок и плит на упругом основании. Расчеты выполнялись двумя способами:

- с использованием коэффициентов постели (1, 2 и более);

© С.И. Алексеев, В. С. Камаев, 2007