Ремонт и усиление подземной части зданий

1. Оценка дефектов и повреждений фундаментов, несущих конструкций

Для определения степени повреждений и износа при обследовании фундаментов и заглубленных в грунт конструкций используют различные методы: визуальный, механический, лабораторного испытания, физический, натурного испытания, комплексный. Оценка степени износа конструкций выполняется на основании «Правил оценки физического износа жилых зданий».

Физический износ фундамента, конструкции, элемента или системы ( ФK , %), имеющих различную степень износа отдельных участков, рекомендуется определять по формуле

физический износ участка конструкции, элемента, фундамента, %, определенный по табл. 1; P_i — размеры (площадь или длина) поврежденного участка, м² или м; P_K — размеры всей конструкции, м² или м; n — число поврежденных участков.

Таблица 1. Физический износ столбчатых каменных фундаментов с кирпичным цоколем

Рис. 1. Виды физического износа строительных конструкций сооружений

Таблица 2. Оценка физического износа

Рис. 2. Виды импульсных проводных перенапряжений в сетях здания

Рис. 3. Зависимость комфортного климата в помещении от температуры и относительной влажности

Рис. 4. Внешние воздействия на здания

Рис. 5. Основные параметры оценки эксплуатационных качеств зданий, сооружений

Состояние строительных конструкций определяется на основе технической диагностики зданий, которая включает визуальную и инструментальную оценку износа конструкций по специальным методикам. При этом замеряются следующие параметры основных эксплуатационных качеств зданий сооружений:

• геометрические размеры, толщина защитного слоя в ж/б конструкции;
• прочность конструкции;
• деформации, отклонения, дефекты;
• сопротивление теплопередаче конструкции;
• герметичность стыков панелей, кровли и др.;
• звукоизоляция ограждения: от воздушного шума, от ударов, вибрации;
• освещенность помещений, рабочих мест;
• температурно-влажностный режим в помещениях;
• влажность материала конструкции;
• химический состав воздуха.

Для целей технической диагностики применяют следующие методы неразрушающего контроля и приборы замера основных параметров (рис. 6—8).

Рис. 6. Неразрушающие методы контроля эксплуатационных свойств строительных конструкций

Рис. 7. Приборы для замера основных параметров эксплуатационных свойств строительных конструкций зданий, сооружений

Рис. 8. Приборы для технологического контроля, обследования и мониторинга строительных объектов

Контроль бетона и материалов:

• ПУЛЬСАР-1.0/1.1 — ультразвуковые измерители прочности, сквозное и поверхностное прозвучивание, измерение глубины;
• ПУЛЬСАР-1.2 — ультразвуковой дефектоскоп, измерение T, V, R, ρ, h, А-сигнал, АРУ, режим осциллографа;
• ПАБ-1.0 — электромагнитный измеритель плотности асфальтобетона;
• ОНИКС-2.5 — двухпараметрические измерители прочности бетона, в том числе легкого, методами ударного импульса и отскока (0,5—100 МПа);
• ОНИКС-2.6 — ударно-импульсный дефектоскоп-измеритель прочности изделий с визуализацией и многофакторным анализом сигналов;
• ОНИКС-ОС — измеритель прочности бетона отрывом со скалыванием. Исключено проскальзывание анкера. Диапазон: 5—100 МПа, 1—50 кН; масса: 4 кг;
• ОНИКС-АП — измеритель адгезии методом стальных дисков. Диапазон: 0,1—35 МПа, 1—10 кН; масса: 4 кг;
• БЕТОН-Frost — дилатометрический измеритель морозостойкости бетона;
• ИПС-МГ4.01 / ИПС-МГ4.03 — измерители прочности бетона методом ударного импульса по ГОСТ 22690. Оснащены функциями ввода коэффициента совпадения К_с, типа контролируемого изделия, вычисления класса бетона В. Диапазон: 3—100 МПа;
• ПОС-30(50)МГ4 «Отрыв» — измерители прочности бетона методом отрыва со скалыванием по ГОСТ 22690. Диапазон: 5— 100 МПа;
• ПСО-МГ4 — измеритель прочности сцепления (адгезии) защитных и облицовочных покрытий с основанием по ГОСТ 28089, 28574. Максимальное усилие отрыва: 2,45/4,9/98 кН.

Контроль армирования и толщины:

• ИПА-МГ4.01 — измеритель защитного слоя бетона, расположения и диаметра арматуры в ж/б конструкциях по ГОСТ 22904.Диапазон измерения защитного слоя 3—140 мм при диаметре стержней 3—50 мм;
• ДО-40(60)МГ4 — измерители силы натяжения высокопрочной арматуры классов Вр-II (В-II), К-7 методом поперечной оттяжки по ГОСТ 22362. Диаметр контролируемой арматуры: 3—5 (6—9) мм;
• ПОИСК-2.51—52 — измерители толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры. H = 5—130 мм, ∅ = 3—50 мм;
• ИНК-2.41—42 — измерители напряжений в арматуре. Диапазон: 100—2000 МПа, L = 3—28 м;
• МТП-1 — измеритель толщины теплоизоляционных покрытий стальных труб и величины межосевого смещения.

Виброакустические приборы:

• ВИБРАН-2.0/3.0 — однои четырехканальные виброанализаторы. 0,5—1000 Гц, 200—2000 линий спектра, активный анализ.
• ВИСТ-2,41—43 — универсальные виброметры;
• СПЕКТР-1.0/2.0 — однои двухканальные сейсмостанции для диагностики свай, определения их длины и сейсмоспектрального профиля;
• ИЧСК-1 — измеритель частот собственных колебаний для акустического контроля прочности, твердости и выбраковки изделий.

Влагометры материалов:

• МГ4Д — измеритель влажности древесины (13 видов) по ГОСТ 16588;
• МГ4Б — измеритель влажности бетона, кирпича (13 видов), древесины (13 видов) по ГОСТ 21718, 16588;
• МГ43онд — измеритель влажности сыпучих материалов;
• МГ4У — универсальная версия с настройками на древесину, бетон и сыпучие материалы. Диапазон измерения влажности: 1—60%;
• ТГЦ-МГ4.01 — измеритель влажности и температуры воздуха с режимом самописца (до 24 часов). Диапазон измерения влажности 0—99%, температуры от –20 до 85 °С;
• ТЦ3-МГ4.01 — термометр цифровой зондовый однои двухканальный с режимом самописца (до 15 суток). Диапазон от –30 до 250 °С;
• ВИМС-2.21—23 — универсальные влагометры: песок, бетон, кирпич, древесина (более 30 материалов). Датчики: объемный, планарный, зондовый;
• ВИМС-2.10—12 — влагометры древесины (16 пород), бетона, кирпича. Встроенный датчик.

Контроль теплофизических свойств:

• ТЕПЛОГРАФ — прибор для определения сопротивления теплопередаче и мониторинга ограждающих конструкций, оконных и дверных блоков: 8—256 датчиков теплового потока и температуры;
• МИТ-1 — зондовый измеритель теплопроводности материалов. Диапазон: 0,03—3 Вт/м⋅К, время измерений: 7 мин. Малогабаритный, автономный. Аккумуляторное и сетевое питание;
• ИТС-1— измеритель теплопроводности материалов методом стационарного теплового потока и теплового зонда. Диапазон: 0,02—1,5 Вт/м⋅К. Размеры образца: 150×150 мм;
• ИТП-МГ4 «100/250» — измерители теплопроводности и термического сопротивления материалов при стационарном режиме по ГОСТ 7076 и методом теплового зонда по ГОСТ 30256. Диапазон: 0,02—1,5 Вт/м⋅К.

Регистраторы, регуляторы:

• ТЕРЕМ-4 — многопараметрический регистратор для мониторинга раскрытия трещин и деформаций, тензоизмерений, контроля перемещений, вибраций, температуры, влажности и т. д. 8—256 каналов;
• ТЕРЕМ-3 — восьмиканальный регистратор температуры для монолитного бетонирования;
• РТМ-5 — система управления ТВО бетона: 8 каналов, индивидуальные режимы по каждому каналу, журнал пропарки, связь с ПК (RS-485);
• ТЕМП-3 — семейство 1—4-канальных приборов для измерения и регистрации температуры сред и поверхностей, тепловых потоков, влажности воздуха и скорости воздушных потоков;
• ВДЛ-5.2 — вихретоковый дефектоскоп металлов.

Геомембраны — листовые полимерные изолирующие материалы, используемые в геотехнике при защите окружающей среды. Геомембраны изготавливаются на основе полиэтилена высокой плотности.

Таблица 3. Технические характеристики геомембран

2. Усиление оснований и фундаментов

Различают следующие методы закрепления грунтов: цементация, силикатизация, смолизация, электромеханический, термический (рис. 9—13).

Рис. 9. Цементация грунта: 1 — растворомешалка; 2 — насос для подачи цемента; 3 — обратный трубопровод; 4 — напорный трубопровод; 5 — инъекторы

Цементный раствор (В/Ц = 12:1–6:1) нагнетают в грунт через инъекторы под давлением 0,3—0,6 МПа/м² .

Рис. 10. Силикатизация грунтов: 1 — насос для откачки воды из катода; 2 — наголовник; 3 — ниппель; 4 — генератор постоянного тока; 5 — бак с раствором; 6 — баллон со сжатым воздухом; 7 — перфорированная часть инъектора; 8 — наконечник инъектора; 9 — дополнительный инъектор

Инъекторы (электроды) забивают с двух сторон вдоль фундамента через 0,6—0,8 м. Напряжение: 100—120 В. Расход электроэнергии: 60—100 кВт/м² грунта.

Рис. 11. Смолизация грунтов: 1 — инъектор; 2 — рабочий шланг; 3 — манометр; 4 — рабочий бачок; 5 — пробковый кран; 6 — компрессор или баллон со сжатым воздухом

В грунт через инъекторы нагнетают водный раствор синтетической карбамидной смолы (закрепитель М), смешанной с отвердителем. Расход раствора — по расчету.

Рис. 12. Электрохимическое закрепление грунтов: 1 — фундамент; 2 — катод; 3 — анод; 4 — бак для раствора; 5 — генератор постоянного тока; 6 — насос для откачки воды из катода

В грунт по обе стороны от фундамента погружают трубчатые электроды через 0,8—1,0 м. В аноды самотеком поступают растворы солей, из катодов откачивают поступающую в них грунтовую воду. Рабочее напряжение: 100—120 В. Расход электроэнергии: 60—100 кВт/м² грунта.

Рис. 13. Термическое закрепление грунтов: 1 — компрессор; 2 — бак для жидкого топлива; 3 — топливный насос; 4 — форсунки; 5 — скважина; 6 — непросадочный грунт; 7 — просадочный грунт

Сжигание топлива в скважинах ведется при температуре 600— 650 °С. Способы и схемы усиления фундаментов представлены в табл. 4 и на рис. 14—21.

Таблица 4. Способы укрепления фундаментов

Рис. 14. Усиление фундамента стальной балкой: 1 — часть колонны, удовлетворяющая требованиям; 2 — поверхность старой колонны; 3 — старая колонна после удаления защитного слоя бетона; 4 — усиливающая обкладка (обмуровка) старой, поврежденной, ослабленной колонны; 5 — перекрытие; 6 — старый, слабый фундамент, требующий усиления; 7 — железобетон, усиливающий фундамент; 8 — стальные балки, передающие усилия от колонн на обкладку фундамента; 9 — уровень пола подвала

Рис. 15. Устройство железобетонной рубашки: 1 — продольная арматура; 2 — хомуты; 3 — накладные стержни; 4 — горизонтальные стержни; 5 — усиливаемый фундамент; 6 — обработанная поверхность; 7 — существующая подготовка; 8 — подготовка под рубашку; 9 — железобетонная рубашка; 10 — короткая обойма на колонне

Рис. 16. Устранение трещин в плите фундамента и усиление основания: а — дефектный фундамент; б — схема усиления фундамента (1 — инъецирование раствора; 2 — инъектор; 3 — зона закрепленного грунта; 4 — уширенный фундамент; 5 — металлические стержни между старым и новым фундаментом)

Рис. 17. Усиление фундамента корневидными сваями: а — общий вид фундамента (1 — усиливаемый фундамент; 2 — стена; 3 — корневидная свая); б — схема изготовления буроинъекционной сваи (I — бурение скважин; II — установка арматурного каркаса; III — бетонирование скважины; IV — готовая свая; 1 — буровой снаряд; 2 — обсадная труба; 3 — арматурный каркас; 4 — цементно-песчаный раствор)

Рис. 18. Увеличение опорной площади фундамента: а — ленточного с подведением стальных балок; б — ленточного с устройством штраб и анкеров; в — отдельно стоящего сборного; 1 — стена; 2 — продольная балка; 3 — болт; 4 — поперечная балка; 5 — продольная арматура; 6 — забивные анкеры; 7 — бетонная обойма; 8 — бутовая кладка; 9 — анкер; 10 — железобетонная обойма; 11 — колонна; 12 — фундаментная подушка

Рис. 19. Усиление фундамента

с помощью монолитной железобетонной плиты с опрессовкой грунта: 1 — фундамент; 2 — железобетонная плита; 3 — инъектор; 4 — расширяющийся цементный раствор

Рис. 20. Усиление фундаментов путем устройства монолитных плит в подвале (а) и выносных консолей (б)

Рис. 21. Усиление фундамента дополнительными сваями: а — усиление микросваями; б, в — применение винтовых свай; 1 — фундаментная стена (кирпичная или бетонная); 2 — старый фундамент; 3 — микросваи; 4 — винтовые сваи; 5 — «штопорная» свая (с проходкой скважины); 6 — инъецированный бетон; 7 — стальная балка, распределяющая нагрузку; 8 — железобетонная распределительная головка; 9 — первоначальные сваи

Рис. 22. Теплоизоляция полов холодильных складов, ледовых арен (при распределенной нагрузке свыше 10 т/м² ): 1 — монолитное бетонное покрытие; 2 — армобетонная стяжка; 3 — гидроизоляция; 4 — стяжка из цементно-песчаного раствора; 5 — теплоизоляция; 6 — уплотненный песок; 5— бетонная стяжка с электронагревателями;6 — стяжка из бетона; 9 — песчаная подушка; 10 — грунт основания

Рис. 23. Теплоизоляция фундаментов: 1 — наружная стена; 2 — гидроизоляционный слой; 3 — облицовка цоколя; 4 — конструкция отмостки; 5 — стена фундамента; 6 — теплоизоляционные плиты; 7 — пластичный герметик; 8 — напольная плитка; 9 — цементно-песчаная стяжка; 10 — бетонное основание; 11 — технологический слой (полиэтилен); 12 — гравийное основание; 13 — грунт; 14 — песчаногравийная засыпка; 15 — дренажная труба (при необходимости)

Рис. 24. Теплоизоляция фундаментов малоэтажных зданий: 1 — теплоизоляция подошвы фундамента; 2 — теплоизоляция наружной стены; 3 — теплоизоляция цокольной стены; 4 — теплоизоляция пола

Рис. 25. Подведение фундаментной плиты: 1 — бетон; 2 — арматура; 3 — балка

Рис. 26. Схема обработки скважины по разрядно-импульсной технологии: 1 — ствол сваи после обработки; 2 — излучатель энергии; 3 — разрядная станция; 4 — растворонасос; 5 — зона цементного грунта; 6 — зона уплотнения грунта

Сущность разрядно-импульсной технологии заключается в том, что скважина, заполненная мелкозернистым бетоном или цементным раствором, обрабатывается серией высоковольтных электрических

разрядов. При этом возникает электрогидравлический эффект, в результате которого формируется тело сваи, цементируется, уплотняется окружающий грунт.

Рис. 27. Усиление основания фундамента инъекцией в него цементного раствора: 1 — отбойный молоток; 2 — компрессор; 3 — генератор постоянного тока; 4 — растворонасос; 5 — блок для бетона или раствора; 6 — инъектор

Рис. 28. Комплекс изготовления буроинъекционной сваи: 1 — емкость для цементного раствора; 2 — глиномешалка; 3 — мерный бак; 4— растворный насос; 5 — промывочный насос; 6 — нагнетательный трубопровод; 7 — емкость для глиняного раствора; 8 — шламоотделитель; 9 — буровой станок; 10 — кондуктор; 11 — буровой инструмент; 12 — бурильная труба

Рис. 29. Усиление фундаментов с использованием свай: а — многосекционные сваи вдавливания двухсторонней балкой-упором; б — вдавливание свай под стену или подошву фундамента; в — буроинъекционные сваи с контактным слоем

Рис. 30. Устройство свайных фундаментов в стесненных условиях Санкт-Петербурга (ЗАО «Строительный трест 28»)

Рис. 31. Гидроизоляция плиты основания: 1 — полиуретановая мастика, праймер, ж/б плита фундамента; 2 — армирование мастики полимерной сеткой или стеклотканью; 3 — обязательное примыкание слоев вертикальной и горизонтальной гидроизоляций; 4 — ж/б плита фундамента, защитная стяжка, полиуретановая мастика, праймер, цементно-песчаная стяжка, щебеночная подготовка

Рис. 32. Примеры гидроизоляции подвалов: 1 — горизонтальная гидроизоляция; 2 — бетонный пол; 3 — Sikadur Combiflex; 4 — штукатурная гидроизоляция на основе Sika-1; 5 — отделочная штукатурка (при необходимости); 6 — стена фундамента; 7 — деревянный плинтус, приклеенный Sikaflex 11 FC; 8 — декоративное покрытие на цементно-песчаной стяжке толщиной 40 мм, изготовленной с использованием Sika-1; 9 — кирпичная стена; 10 — керамическая плитка, уложенная на Sikadur 31; 11 — шов кирпичной кладки, расшитый на глубину 12 мм и заполненный раствором на базе Sika-1; 12 — плитка для пола, уложенная на цементно-песчаную стяжку толщиной 40 мм, изготовленную с использованием Sika-1

Рис. 33. Принципиальная схема укрепления Пизанской башни: 1 — стальные тросы; 2 — свинцовый груз; 3 — с помощью буров убрали землю

В 1990 г. наклон Пизанской башни в г. Пизе (Италия) стал угрожающе опасным (5,5°), ее верхняя точка смещалась на 1 мм в год. Тогда Пизанскую башню закрыли для туристов. Совет экспертов изучил полтысячи проектов по спасению башни, среди которых были и весьма оригинальные. Например, китайцы предлагали построить рядом с ней такую же падающую башню, с тем чтобы их вершины уперлись друг в друга и компенсировали силу падения. Другой план состоял в том, чтобы просверлить в мраморном теле колокольни 10 000 больших дырок и заполнить их легким веществом, облегчив таким образом всю конструкцию. А вот еще вариант: заморозить плывуны в подножии башни с помощью жидкого азота.

В результате при выпрямлении колокольни были использованы идеи и технологии сразу нескольких проектов. Во-первых, было вынуто некоторое количество грунта из-под фундамента сооружения с его «высокой», северной стороны. Во-вторых, весь грунт в районе фундамента укрепили, откачав из водоносных слоев под основанием мягкие породы и закачав под землю десятки тысяч тонн бетонного раствора. Тем временем башню сверху удерживали от дальнейшего отклонения стометровые стальные тросы, а снизу — 870 т свинцовых противовесов. Главная сложность заключалась в том, чтобы не перестараться и не выровнять колокольню полностью — ведь это лишило бы ее большей части привлекательности для туристов. Наклон был уменьшен на 10%. Таким образом, башня высотой 56 м, весом 14 500 т частично выпрямилась и угол ее наклона безопасен. Отклонение от вертикали составляет 4,55 м. Такое положение башня занимала в начале XIX века. Она снова открыта для туристов. Теперь, по утверждению специалистов, башня будет находиться в безопасном положении как минимум 300 лет, пока мягкие породы под южной стороной фундамента не просядут снова.

На рис. 33 показано, как укрепили основание падающей Пизанской башни, устранив угрозу падения в результате большого наклона.

Рис. 34. Изготовление буронабивных свай Ø350 и Ø460 мм по технологии АОЗТ «Геострой»: 1 — погружение шнековой колонны; 2 — размещение в колонне арматурного каркаса; 3 — бетонирование ствола сваи; 4 — бетонирование с одновременным подъемом шнековой колонны; Б — оставляемый башмак.

При реконструкции применяют следующие системы и технологии работ «нулевого цикла»: устройство фундаментов без выемки грунта способом «стена в грунте», устройство буронабивных свай по технологии INC FUNDEX Equipment, технология вдавливания свай и шпунта («Строительный трест 28»), разрядно-импульсная технология устройства буронабивных свай, грунтовых анкеров, укрепления фундаментов с использованием электрогидравлического эффекта, технологии глубинного уплотнения и перемешивания грунтов (система «Турбоджет», сухой и мокрый способ «Мультимикс»), усиление фундаментов путем устройства буроинъекционных свай и струйного цементирования — система «Сойлмек» и др.

На кафедре ТСП СПбГАСУ предложена новая эффективная технологическая система устройства фундаментов без выемки грунта вибрационным способом следующим комплектом оборудования: кран, вибропогружатель, профилировочный элемент с открывающимся башмаком, бетононагнетатель, виброгрейфер (грунтозаборник), которая позволяет уменьшить стоимость работ нулевого цикла на 28% и сократить трудоемкость на 40%.

Метод «Jet grouting» — высоконапорных инъекций твердеющего раствора в грунт под давлением до 100 МПа. Этот метод, известный также под названием «струйная технология», разработан в Японии.

Рис. 35. Схема устройства стенки из свай с использованием струйной технологии «Jet grouting»: 1 — буровая скважина для плотных грунтов; 2 — инъектор; 3 — формируемая свая; 4 — компрессор; 5 — насос; 6, 8 — емкости цемента и песка; 7 — растворонасос

Рис. 36. Изготовление свай по технологии «Турбоджет»: 1 — бурение; 2 — глубинное перемешивание и струйное цементирование; 3 — армирование и окончательное формование сваи

Рис. 37. Технологическая схема устройства стены в грунте: 1 — устройство форшахты (укрепление верха траншеи); 2 — рытье траншеи на длину захватки; 3 — установка ограничителей (перемычек между захватками); 4 — монтаж арматурных каркасов; 5 — бетонирование на захватке методом вертикально перемещаемой трубы

3. Усиление каменных и бетонных конструкций

Рис. 38. Конструктивно-технологические варианты усиления кирпичных стен: а — схема усиления кирпичных стен здания металлическими тяжами; б, в, г — узлы размещения металлических тяжей; д — схема размещения железобетонного пояса; е — то же тяжами с центрирующими элементами; 1 — металлический тяж; 2 — натяжная муфта; 3 — монолитный железобетонный пояс; 4 — плита перекрытий; 5 — анкер; 6 — центрирующая рама; 7 — опорная пластинка с шарниром

Рис. 39. Усиление столбов: а — усиление стальной обоймой; б — армокаркасами; в, г — сетками и железобетонными обоймами; 1 — усиливаемая конструкция; 2 — элементы усиления; 3 — защитный слой; 4 — щитовая опалубка с хомутами; 5 — инъектор; 6 — материальный шланг