Сохранение фундаментов исторических зданий на слабых грунтовых основаниях

Сергей Алексеев, д.т.н., профессор ПГУПС

Владимир Лукин, к.т.н., ген. директор ООО «СК Подземстройреконструкция

Процесс реконструкции зданий зачастую сопровождается дополнительным нагружением оснований или углублением существующих подвалов. Как в том, так и в другом случае необходимо рассматривать специальные мероприятия обеспечивающие повышение несущей способности исторических конструкций. Наиболее распространенными конструктивными мерами такого рода являются использование шпунтовой стенки (обоймы), а также выполнение выштампованных микросвай. В данной статье сравнение их между собой проводится на основе расчетных обоснований. Для слабых водонасыщенных грунтов Санкт-Петербурга наиболее приемлемо либо конструктивное усиление основания с использованием шпунтовой стенки (обоймы), либо устройство выштампованных микросвай. Оба метода подтверждены геотехническими расчетами и обладают рядом достоинств и особенностей.

Основная необходимость устройства шпунтовой обоймы, или стенки, возникает, прежде всего, при углублении подвалов ниже подошвы существующих фундаментов. Данная конструкция необходима, чтобы обеспечить устойчивость фундаментов и препятствовать горизонтальному перемещению грунта из-под их подошвы. Вдавливаемая шпунтовая стенка по периметру несущих фундаментов, выполняет функцию как элемент усиления основания, т.е. повышения его несущей способности.

  Увеличение дополнительной нагрузки на основание, связанное с устройством дополнительных этажей, мансард и т. д., также может вызвать необходимость повышения несущей способности основания. Такое решение может быть реализовано методом погружения конструктивной шпунтовой стенки по периметру несущих стен. Принципиальная схема конструктивного усиления основания использованием шпунтового ограждения (шпунтовой обоймы) для внутреннего ленточного фундамента здания с подвалом изображена на рис. 1.

  На представленной схеме показано устройство конструктивной шпунтовой стенки (методом вдавливания) вдоль боковых поверхностей ленточного фундамента. Такое конструктивное усиление позволяет увеличить несущую способность основания как от дополнительного нагружения (изменение нагрузки (N), приложенной к обрезу фундамента), так и в случае углубления существующего пола подвала (снятие пригрузки — изменение расчетной схемы работы системы «основаниефундамент»). Очевидно, что устойчивость шпунтового ограждения (безосадочное решение) будет обеспечена, если пассивный отпор грунта (Еп) будет равен активному давлению (Еа), т.е. будет соблюдаться условие равновесия. Данные расчетные условия проверяем с использованием интернет-ресурса BuildCalc.ru по программе http://www. buildcalc.ru/Calculations/Brnl/Default.aspx.

  Использование настоящего ПО подробно описано в ранее изданной книге одного из авторов статьи [3] Усиление основания может быть выполнено путем устройства сплошной конструктивной шпунтовой стенки (обоймы). Поскольку рассматриваемая задача относится к ленточному фундаменту под внутреннюю стену с симметричным шпунтом, то для упрощения расчетов можно принять его одностороннее расположение. Результаты данного решения рассмотрены в системе mathcad, а его подробное описание по данной программе содержится в книге [1]. Проектное решение по устройству конструктивной шпунтовой стенки, соответствующее условиям рассматриваемого примера, представлено на рис. 2.

  Таким образом, шпунтовая обойма, воспринимая часть нагрузки, позволяет не только выполнить необходимые технологические работы по углублению подвала, но и увеличивает несущую способность основания.

Как упоминалось, другим способом увеличения несущей способности основания реконструируемых зданий, является технология применения выштампованных микросвай усиления, более подробно описанная в книге [2]. Поскольку в данном случае основание не может воспринять существующую проектную вертикальную нагрузку в 312,8 кН, ставится задача определения ее предельно-допустимой величины на фундамент. Решение и при таком варианте может быть выполнено по вышеприведенной методике расчета http:// www.buildcalc.ru/Calculations/Brnl/Default. aspx. Однако при вводе измененных в сторону уменьшения исходных данных по нагрузкам, последние постепенно снижаются до получения удовлетворительного решения с коэффициентом надежности ≥1.

По результатам расчета удалось определить, что основание может воспринять лишь нагрузку в 170 кН — следовательно, ее существующий дефицит (312-170=142 кН) должен быть воспринят выштампованными микро-сваями — конструктивными элементами усиления основания. Принципиальная схема такого решения отображена на рис.3. Для определения необходимого количества микросвай усиления основания, воспринимающих существующий дефицит нагрузки (142 кН), воспользуемся методикой, изложенной в § 3.1 [1]. Результаты данного решения с использованием программы по ранее разработанной методике (Алексеев С.И., 2010)), составлены в системе Mathcad. Последнюю следует считать универсальным инструментом, поскольку она позволяет достаточно быстро определить необходимое число микросвай усиления основания, меняя исходные данные в зависимости от условий решаемой задачи.

Проектное решение в соответствии с условиями рассматриваемого примера представлено на рис. 4. Применительно к этой задаче было определено, что существующее основание для восприятия вертикальной нагрузки N=312 кН/м от ленточного фундамента (b=1,2 м) при понижении пола подвала (см. выше) должно быть усилено на одном метре тремя наклоненными под углом 30° к вертикали выштампованными микросваями. Выбор конструктивного решения по усилению основания в отношении каждого конкретного объекта должен осуществляться проектировщиками индивидуально, то есть в зависимости от технико-экономических показателей и заданной степени надежности. Реализация рассмотренных методов с устройством прижимной вертикальной стенки представлена на фото 5.

Разработанная методика расчета усиления оснований с использованием выштампованных микросвай нашла успешное применение на ряде объектов реконструкции и нового строительства в Петербурге, Ленобласти, а также за их пределами. Основной из организаций, специализирующихся на данных видах работ, является Строительная компания «Подземстройреконструкция» (http://www. sk-psr.ru), которая только за несколько последних лет осуществила усиления оснований более чем на четырех десятках объектов:

1. Проект усиления фундаментов здания с надстройкой 2-х этажей (СПб, ул. М. Морская, 14, 2004 г.);

2. Проект свайных фундаментов ж/б ростверков и балок под колонны каркаса здания (СПб, ул. Уральская, 19, корп. 4, лит. Б, 2004 г.);

3. Рабочий проект «Усиление основания фундаментов гостиницы «Турист» с надстройкой 2-х этажей» (СПб, ул. Севастьянова, 3, 2005 г.);

4. Проект фундаментов под котельную и дымовую трубу (СПб, ул. Подковырова, 43, 2005 г.);

5. Проект устройства монолитной ж/б плиты и свайного основания производственного корпуса лимонадного завода (г. Тихвин Ленинградской обл., 2005 г.);

6. Проект «Уплотнение грунтового основания СТО» (СПб, пр. Софийская, 8, корп. 3, 2005 г.);

7. Цех по переработке стружки (пос. Невская Дубровка Ленинградской обл., 2006 г.); 8. Рабочий проект фундаментов под блочную котельную и дымовую трубу высотой 14 м. (СПб, Глиняная ул., 5, 2006 г.);

9. Устройство свайного фундамента и ростверков под коттедж (пос. Ильичево Ленинградской обл., 2006 г.);

10. Усиление фундаментов торговоразвлекательного центра (СПб, наб. Обводного канала, 130, 2007 г.);

11. Проект реконструкции подпорных стен (г. Ломоносов, ул. Жоры Антоненко, 6, 2008 г.);

12. Рабочий проект «Усиление основания фундамента резервуара МУП ЖКХ Вологдагорводоканал» (г. Вологда, ул. Клубова,54, 2008 г.);

13. Рабочий проект «Углубление и гидроизоляция помещений подвала здания» (СПб, ул. Итальянская, 33, 2008 г.);

14. Реконструкция части здания оздоровительного комплекса со встроенной котельной с устройством шпунтирования и техподполья (пос. Рощино Ленинградской обл., Первомайское шоссе,2, 2008 г.);

15. Рабочий проект «Углубление помещений подвала, усиление перекрытия первого этажа здания» (СПб, ул. Шпалерная, 34, 2008 г.);

16. Проект входа в подвал Музея истории религии (СПб, ул. Почтамтская, 14, 2009 г.);

17. Индивидуальный дом (г. Петергоф, ул. Николаевская, 1Б, 2009 г.);

18. Реконструкция подвальных помещений здания (СПб, Большой пр.,27, 2006 г.);

19. Устройство фундаментов под весовую КПП (дер. Янино Всеволожского района Ленинградской обл., 2005 г.);

20. Рабочий проект устройства бассейна (г. Петергоф, ул. Нахимова, 5, 2005 г.);

21. Устройство фундаментов под оборудование в коттедже (г. Всеволожск Ленинградской обл., Усадьба Кенша, 2005 г.);

22. Рабочий проект устройства свайного фундамента под коттедж (г. Всеволожск Ленинградской обл., «Коттедж 5М-2», 2006 г.);

23. Реконструкция Церковного флигеля Екатерининского дворца в ГМЗ «Царское Село» (г. Пушкин, ул. Садовая, 9А., 2006 г.);

24. Рабочий проект усиления фундаментов дома (СПб, Приморский пр.,29 лит.А, 2006 г.);

25. Рабочий проект реконструкции фундамента (п. Репино Ленинградской обл., ул. Лесная,9, 2006 г.);

26. Физкультурно-оздоровительный комплекс. (СПб, кв. 17 ВВЖД, ул. Софийская, 40, корп.4., 2006 г.);

27. Рабочий проект «Усиление несущих конструкций церкви Иоанна Предтечи в Рощенье» (г.Вологда, Совет-ский пр., 1,. 2007 г.);

28. Усиление фундаментов здания банка (г. Вологда, Кремлевская пл., д.12, 2007 г.);

29. Рабочий проект «Дноуглубление подвала при реконструкции здания под аудиторный корпус» (СПб, Москательный пер.,4, 2007 г.);

30. Рабочий проект «Устройство фундаментов под балкон» (СПб, Невский пр. д.47. 2007 г.);

31. Усиление несущих конструкций при реконструкции здания (г. Петергоф, Санкт-Петербургский пр., 40/16, 2008 г.);

32. Усиление несущих конструкций при реконструкции здания (г. Петергоф, ул. Правленская, 18, 2008 г.);

33. Рабочий проект «Реконструкция зданий под лечебно-оздоровительный центр. Усиление основания и фундаментов здания» (СПб, Чебоксарский пер., 1 лит. А., 2008 г.);

34. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, Невский пр., 5, 2008 г.);

35. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, Б. Конюшенная ул., 13 лит. А, 2008 г.);

36. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, пер. Ульяны Громовой, 5., 2008 г.);

37. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, Михайловская ул, 2, 2008 г.);

38. Углубление и гидроизоляция помещений подвала в части здания (СПб, ул. Восстания, 40 лит. А., 2009 г.);

39. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, ул. Лахтинская,1/60 лит.А, пом. 1-Н, 16-Н, 2009 г.);

40. Углубление и гидроизоляция помещений цокольного этажа (СПб, ул. Зайцева,8, корп.1., 2009 г.);

41. Углубление и гидроизоляция помещений подвала с учетом усиления фундаментов (СПб, Рижский пр., 52, пом. 1-Н, 2009 г.);

42. Углубление и гидроизоляция помещений подвала (СПб, Свечной пер., 7/11, пом. 5-Н., 2009 г.);

43. Углубление и гидроизоляция помещений подвала. (СПб, Большой пр., 27, 2008 г.);

Приведенный список объектов различного назначения, где с успехом был использован метод усиления выштампованными микросваями, может свидетельствовать об эффективности предложенной методики расчета. Она, в свою очередь, позволяет существенно улучшить свойства основания, приспосабливая к восприятию новых нагрузок. В практике реконструкции зданий нередко возникают ситуации, когда при расчетной проверке по первому предельному состоянию выявляется так называемый «дефицит несущей способности основания». Компенсировать это можно за счет устройства либо шпунтовой обоймы, либо выштампованных микросвай. Кроме того, выполнение вдоль подошвы фундамента шпунтового ряда создает повышенную несущую способность основания, которая может быть определена в соответствии с представленной методикой расчета.

Для расчета существующего фундамента при углублении пола подвала с учетом возможной нелинейной работы основания в результате дополнительного нагружения имеет смысл воспользоваться авторской программой http://www.buildcalc. ru/Calculations/Brnl/Default.aspx. Все расчетные операции на данном сайте, в том числе и с помощью данного ПО, можно осуществлять в onlineрежиме через Интернет, причем бесплатно.

Приведенный метод с использованием программы в системе Matcad по определению длины устойчивого шпунта или необходимого числа микросвай, позволяет в зависимости от проектных нагрузок, грунтовых условий, размеров фундаментов и геометрических размеров конструкций выполнять вычисления с заданным коэффициентом надежности, обеспечивая устойчивое состояние усиливаемых оснований.

Список литературы

Алексеев С. И., Осадки фундаментов при реконструкции зданий, ООФ «ЦКС» СПб., 2009, 82 с. http://www.buildcalc.ru/Books/2009062801/ Default.aspx [1]

Алексеев С. И., Применение выштампованных микросвай усиления основания реконструируемых зданий, ООФ «ЦКС» СПб., 2010, 55 с. http://www. buildcalc.ru/Books/2011041301/Default.aspx [2]

Алексеев С. И.,. Конструктивное усиление оснований при реконструкции зданий, ООФ «ЦКС» СПб., 2011, 87 с. [3]

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.d-c.spb.ru/

Дата добавления: 09.11.2011