устройство для усиления фундаментов зданий и сооружений и способ возведения устройства для усиления фундаментов зданий и сооружений

Формула изобретения

1. Устройство для усиления фундаментов зданий и сооружений, включающее свайную опору, расположенную вблизи одной из сторон усиливаемого фундамента, закрепленный на свайной опоре двухконсольный ригель, один конец которого связан с усиливаемым фундаментом или размещенной на нем конструкцией, а другой заанкерен, отличающееся тем, что ригель закреплен на свайной опоре шарнирно и его конец заанкерен посредством предварительно напряженной тяги, прикрепленной к нижней части свайной опоры, причем устройство снабжено дополнительным фундаментом, а свайная опора в верхней части соединена с дополнительным фундаментом с возможностями совместного и независимого вертикального перемещения относительно него.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что свайная опора пропущена через отверстие в дополнительном фундаменте и снабжена упором, взаимодействующим с дополнительным фундаментом через сменные подкладки.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что дополнительный фундамент выполнен в виде свайного фундамента.

4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что свайный фундамент выполнен из забивных свай, соединенных ростверком, а свайная опора выполнена в виде буронабивной сваи и пропущена через отверстие в ростверке.

5. Устройство по пп. 1-2, отличающееся тем, что дополнительный фундамент выполнен в виде фундамента мелкого заложения.

6. Устройство по пп. 1, 2 и 5, отличающееся тем, что дополнительный фундамент имеет Т-образное поперечное сечение, его вертикальное ребро выклинивается книзу и расположено перпендикулярно оси ригеля, причем по торцам фундамента имеются выпуски арматуры.

7. Способ возведения устройства для усиления фундаментов зданий и сооружений, включающий изготовление, предварительное напряжение и фиксацию положения конструкции усиления, содержащей свайную опору, отличающийся тем, что выполняют вблизи одной из сторон усиливаемого фундамента дополнительный фундамент и соединяют его со свайной опорой, а предварительное нагружение осуществляют последовательно трижды, причем первое и третье нагружения выполняют при обеспечении совместного перемещения свайной опоры и дополнительного фундамента, а второе при обеспечении независимого перемещения свайной опоры относительно дополнительного фундамента.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что первое и третье предварительные нагружения производят при максимальном значении усилия натяжения тяги, второе нагружение при значении усилия, соответствующего вдавливающей силе, в 1,8-2,0 раза превосходящей расчетную нагрузку на свайную опору, причем максимальное усилие предварительного натяжения тяги не превосходит значения, соответствующего эксплуатационной нагрузке, приходящейся на устройство от веса здания или сооружения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к фундаментостроению, и предназначено для применения при ремонте зданий и сооружений, получивших неравномерные деформации, при реконструкции с увеличением нагрузок на фундаменты.

Известны устройства для усиления фундаментов, включающие выносные опоры в виде буронабивных свай, расположенных симметрично относительно старого фундамента, и поперечных ригелей, подведенных под усиливаемую конструкцию и опирающихся концами на свайные опоры (см. Н.Г. Смоленская и др. "Методика обследования и проектирования оснований и фундаментов при капитальном ремонте, реконструкции и надстройке зданий", М. Стройиздат, 1972, с. 52 53).

Недостатком таких устройств является их высокая трудоемкость и стоимость, которые связаны с необходимостью применения ручного труда при возведении опор внутри стесненных помещений, а также остановки производственных процессов либо выселения жильцов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для усиления фундаментов, включающее выносную опору в виде буронабивной сваи, двухконсольный ригель, закрепленный на опоре, анкерную сваю, грунтовый анкер, причем один конец ригеля подведен под фундамент усиливаемого сооружения, а другой прикреплен к верхнему концу анкерной сваи (см. П. А. Коновалов "Основания и фундаменты реконструируемых зданий М. Стройиздат, 1988 г. с. 178, рис. 55).

Недостатки прототипа состоят в высокой материалоемкости, трудоемкости, неэффективности статической работы, недостаточной надежности.

Высокая материалоемкость и трудоемкость связаны с необходимостью изготовления грунтового анкера и анкерной сваи.

Высокая материалоемкость связана также с неэффективностью статической работы устройства, заключающейся в том, что несущая способность свайной опоры должна быть больше, чем расчетная нагрузка от здания, на величину усилия, приложенного к анкеру. Это следует из расчетной схемы рычага 1 рода, в котором точка опоры рычага находится между точками приложения сил. Одна из сил - нагрузка на конец рычага от веса здания, вторая, уравновешивающая первую, - нагрузка на другой конец рычага от анкера. Обе силы направлены вниз. Нагрузка на свайную опору равна сумме этих сил.

Известны способы возведения устройств для усиления фундаментов, состоящих из новых дополнительных фундаментов и опорных элементов, заключающиеся в изготовлении устройств, предварительном нагружении новых фундаментов домкратным усилием, не превосходящим нагрузку от соответствующей части здания, выдерживании домкратного усилия до условной стабилизации осадки фундамента, фиксации положения нового фундамента относительно усиливаемой конструкции здания (см. П.А. Коновалов "Основания и фундаменты реконструируемых зданий", М. Стройиздат, 1988, с. 164, 191).

Недостатком этих способов является кратковременность выдерживания усилия предварительного нагружения новых фундаментов, из-за чего грунт основания доуплотняется под воздействием веса здания после фиксации положения новых фундаментов и включения их в совместную работу со зданием. При этом здание получает дополнительные осадки, недопустимые для его деформированных ранее конструкций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ возведения дополнительного фундамента из составных свай, включающий погружение элементов сваи домкратным усилием, их стыковку, предварительное нагружение изготовленной сваи усилием, превосходящим нагрузку от соответствующей части здания в 1,8 раза, фиксацию положения сваи относительно усиливаемой конструкции здания (см. П.А. Коновалов "Основания и фундаменты реконструируемых зданий", М. Стройиздат, 1988 г. с. 185).

Недостаток этого способа состоит в опасности деформирования и нарушения прочности конструкций здания в результате их неравномерного подъема от воздействия домкратного усилия, превышающего в 1,8 раза нагрузку от соответствующей части здания.

Технические задачи, решаемые предлагаемым изобретением, состоят в упрощении конструкции устройства, повышении его несущей способности, уменьшении или исключении дополнительных осадок здания или сооружения при эксплуатации устройства.

Эффективность изобретения заключается в снижении трудоемкости и материалоемкости, повышении надежности и безопасности предварительного нагружения.

Решение поставленных задач достигается тем, что в устройстве для усиления фундаментов, включающем свайную опору, расположенную вблизи одной из сторон усиливаемого фундамента, закрепленный на свайной опоре двухконсольный ригель, один конец которого связан с усиливаемым фундаментом или размещенной на нем конструкцией, а другой заанкерен, ригель закреплен на свайной опоре шарнирно и его конец заанкерен посредством предварительно напряженной тяги, прикрепленной к нижней части свайной опоры, причем устройство снабжено дополнительным фундаментом, а свайная опора в верхней части соединена с дополнительным фундаментом с возможностями совместного и независимого вертикального перемещения относительно него.

Свайная опора может быть пропущена через отверстие в дополнительном фундаменте и снабжена упором, взаимодействующим с дополнительным фундаментом через сменные подкладки. Дополнительный фундамент может быть выполнен в виде свайного фундамента. Свайный фундамент может быть выполнен из забивных свой, соединенных ростверком, а свайная опора выполнена в виде буронабивной сваи и пропущена через отверстие в ростверке. Кроме того, дополнительный фундамент может быть выполнен в виде фундамента мелкого заложения. При этом дополнительный фундамент может иметь Т-образное поперечное сечение, его вертикальное ребро может выклиниваться книзу и должно быть расположено перпендикулярно к оси ригеля, причем по торцам фундамента могут быть выпуски арматуры.

В способе возведения устройства, включающем изготовление, предварительное нагружение и фиксацию положения конструкции усиления, содержащей свайную опору, выполняют вблизи одной из сторон усиливаемого фундамента дополнительный фундамент и соединяют его со свайной опорой, а предварительное нагружение осуществляют последовательно трижды, причем первое и третье нагружения выполняют при обеспечении совместного перемещения свайной опоры и дополнительного фундамента, а второе при обеспечении независимого перемещения свайной опоры относительно дополнительного фундамента.

При этом первое и третье предварительные нагружения производят при максимальном значении усилия натяжения тяги, второе нагружение при значении усилия, соответствующего вдавливающей силе, в 1,8-2 раза превосходящей расчетную нагрузку на свайную опору, причем максимальное усилие предварительного натяжения тяги не превосходит значения, соответствующего эксплуатационной нагрузке, приходящейся на устройство от веса здания или сооружения.

Существенные признаки изобретения, отличающие его от известного устройства, состоят в следующем. Конец ригеля заанкерен предварительно напряженной тягой, прикрепленной к нижней части свайной опоры. Такое решение существенно упрощает конструкцию и технологию изготовлению устройства, поскольку позволяет отказаться от анкерной сваи и грунтового анкера. Кроме того, возрастает надежность работы устройства, т.к. поведение тяги под нагрузкой не зависит от свойств грунтов и изменения этих свойств в результате, например, замачивания основания.

Помимо этого существенно изменяется статическая работа устройства. В изобретении, как и в прототипе, на опору сверху действует вдавливающая сила, равная сумме вертикальных усилий, приложенных к концам ригеля. К одному концу ригеля приложена нагрузка от здания, а к другому вертикальная проекция усилия предварительного напряжения тяги. В отличие от прототипа на нижнюю часть свайной опоры действует выдерживающая сила, равная вертикальной проекции усилия предварительного напряжения тяги. Следовательно, сумма сил, действующих сверху и снизу на свайную опору, равна нагрузке от веса здания.

Таким образом, в изобретении на свайную опору (вместе с дополнительным фундаментом) действует вертикальная вдавливающая сила, меньшая, чем в прототипе, на величину выдергивающего усилия.

Эффект от применения дополнительного фундамента состоит не в том, что его несущая способность суммируется с несущей способностью свайной опоры, а в том, что при их предварительном напряжении и взаимодействии определенным способом повышается несущая способность дополнительного фундамента и свайной опоры и исключаются дополнительные осадки здания. Этот эффект достигается путем предварительного нагружения устройства, которое осуществляют последовательно трижды.

Задача последовательного предварительного нагружения состоит в предварительном уплотнении грунтов оснований свайной опоры и дополнительного фундамента нагрузками, превосходящими значения соответствующих расчетных, т.е. тех, которые будут передаваться на свайную опору и дополнительный фундамент при вводе устройства в эксплуатацию. Первое и третье нагружения выполняют при установленных под упором свайной опоры подкладках, т.е. при совместном перемещении свайной опоры и дополнительного фундамента. При этом создают максимальное напряжение тяги и соответствующее вдавливающее усилие.

Второе нагружение выполняют при отсутствии сменных подкладок, т.е. при воздействии вдавливающей силы только на свайную опору. При этом вдавливающая сила превышает в 1,8-2 раза значение расчетной нагрузки на свайную опору.

Сущность первого нагружения состоит в следующем. Свайная опора возводится в буровой скважине, поскольку динамические методы погружения свай вблизи здания недопустимы. Вследствие этого под пятой сваи неизбежно остается буровой шлам и нарушенный грунт пониженной прочности в зоне забоя скважины. При первом предварительном нагружении свайная опора погружается в массив, встречая сопротивление дополнительного фундамента и слабого грунта под своей пятой. В результате грунты оснований дополнительного фундамента и свайной опоры уплотняются.

При втором нагружении устройства производят повторное уплотнение грунта основания свайной опоры, но уже нагрузкой, которая больше соответствующей расчетной в 1,8-2,0 раза.

Задача третьего нагружения состоит в создании напряженно-деформированного состояния устройства и его основания, соответствующего эксплуатационным, после чего производят ввод устройства в эксплуатацию, фиксируя положение устройства относительно здания или сооружения.

При принятой в изобретении последовательности предварительного нагружения грунт основания свайной опоры и дополнительного фундамента уплотняется нагрузками, большими, чем эксплуатационные. Для грунта основания свайной опоры это очевидно. Для грунта основания дополнительного фундамента это вытекает из следующего простого заключения.

Несущая способность свайной опоры при первом нагружении меньше, чем при третьем. Следовательно, на дополнительный фундамент при первом нагружении передается нагрузка большая, чем при третьем.

Из вышеизложенного следует, что, поскольку грунт основания устройства предварительно уплотнен нагрузками на свайную опору и дополнительный фундамент большими, чем соответствующие эксплуатационные нагрузки, доуплотнение грунта в процессе эксплуатации невозможно, и здание не получит дополнительную осадку.

В изобретении в отличие от прототипа на свайную опору, кроме вертикальной, действуют две горизонтальные, равные, но противоположно направленные силы. Одна из них приложена к точке крепления шарнира, другая к точке крепления нижнего конца тяги. Эти силы равны горизонтальной проекции усилия предварительного натяжения тяги.

Горизонтальная сила, приложенная к верхней части свайной опоры, частично передается на дополнительный фундамент. Поэтому дополнительный фундамент, имеющий мелкое заложение, должен обладать соответствующей несущей способностью на воздействие горизонтальной нагрузки. Для этого он имеет Т-образное поперечное сечение, его ребро погружено в грунт и выклинивается книзу и расположено перпендикулярно оси ригеля, причем по торцам фундамента имеются выпуски арматуры.

Вертикальное ребро при первом предварительном нагружении вдавливается в грунт, чем обеспечивается передача горизонтального усилия на основание и уплотнение грунта. Выпуски арматуры предназначены для соединения фундамента с такими же соседними, расположенными вдоль усиливаемой стены здания (не показаны).

На фиг. 1 показан общий вид устройства, в котором дополнительный фундамент выполнен в виде свайного фундамента; на фиг. 2 вид А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вид В-В на фиг. 2; на фиг. 4 узел Г на фиг. 1; на фиг. 5 общий вид устройства, в котором дополнительный фундамент имеет Т-образное поперечное сечение; на фиг. 6 вид Е-Е на фиг. 5; на фиг. 7 вид Ж-Ж на фиг. 2; на фиг. 8 вид З-З на фиг. 5; на фиг. 9 вид И-И на фиг. 2.

Устройство на фиг. 1-3 предназначено для применения в инженерно-геологических условиях, характеризующихся отсутствием в верхней части грунтового массива прочных грунтов.

Устройство на фиг. 5-9 предназначено для применения в условиях, характеризующихся наличием прочих грунтов в верхней части массива и слабых грунтов в нижней части, у пяты свайной опоры.

Устройство на фиг. 1-3 включает двухконсольный ригель 1, свайную опору в виде буронабивной сваи 2, предварительно напряженную тягу 3.

Ригель 1 закреплен на торце свайной опоры 2 цилиндрическим шарниром 4. Шарнир 4 должен обеспечивать передачу на свайную опору 2 вертикального и горизонтального усилия. Поэтому его элементы должны быть жестко заделаны в ригеле 1 и на торце свайной опоры 2.

Тяга 3 соединяет нижнюю часть свайной опоры 2 с концом ригеля 1; может быть выполнена из стержневой арматуры и из высокопрочной проволоки; должна иметь антикоррозионное покрытие. Верхний конец тяги 3 зафиксирован в замке (фиг. 4), который обеспечивает возможность предварительного ее напряжения Замок включает упорную шайбу 5, распределительную шайбу 6 и натяжную гайку 7. Замок закрыт колпаком 8.

Ригель 1 взаимодействует с усиливаемой конструкцией здания, например, со стеной 9 через резинометаллическую подушку 10, широко применяемую в практике строительства железобетонных мостов. Подушка 10 воспринимает деформации сдвига и неравномерного сжатия, которые возникают при взаимодействии ригеля 1 со стеной 9. Для более равномерного распределения напряжений стена 9 усилена распределительной балкой 11, состоящей, например, из двух швеллеров, соединенных между собой болтами 12.

Окно 13 для подводки под стену 9 ригеля 1 прорублено в стене существующего фундамента 14.

Дополнительный фундамент состоит из ростверка 15 и забивных свай 16. Свайная опора 2 пропущена без зазоров через отверстие 17 в ростверке 15 и снабжена упором 18 в виде уширенного оголовка, консольные выступы которого взаимодействуют с ростверком 15 через сменные подкладки 19. Последние могут быть выполнены из листовой стали разной толщины и снабжены строповочными петлями 20.

Устройство на фиг. 5- 9 включает: ригель 1, свайную опору 2, например, в виде буронабивной сваи, тягу 3, цилиндрический шарнир 4, элементы замка 5-8 (фиг. 4), а также: 9 стена усиливаемого здания, 10 резинометаллическая подушка, 11 распределительная балка, 12 стяжные болты, 13 окно в стене старого фундамента 14. Устройство на фиг. 5-9, кроме того, включает дополнительный фундамент 15 в виде фундамента мелкого заложения, который имеет Т-образное поперечное сечение. Вертикальное ребро фундамента выклинивается книзу и расположено перпендикулярно к продольной оси ригеля 1.

Для улучшения статической работы фундамента 15 по его торцам имеются выпуски арматуры 16, которые служат для соединения фундамента 15 с такими же соседними, расположенными вдоль усиливаемой стены 9 (соседние фундаменты не показаны).

Устройство на фиг. 1-4 возводят следующим образом. Отрывают котлован до уровня подошвы ростверка 15. Пробуривают скважину для свайной опоры 2 и опускают в нее арматурный каркас (не показан), к нижней части которого прикреплен нижний конец тяги 3. При этом тяга 3 прижата к каркасу и расположена вертикально. Затем прорезают щель в грунтовом массиве, например, при помощи высоконапорной струи воды и в нее наклонно вводят тягу 3. После этого производят бетонирование ствола свайной опоры 2. Верхнюю часть свайной опоры 2 бетонируют в опалубке. На верхнем торце свайной опоры 2 закрепляют опорную часть шарнира 4. Затем пробуривают лидерные скважины (не показаны) и погружают в них забивные сваи 16. После этого бетонируют ростверк 15. При этом ствол свайной опоры 2 в пределах высоты ростверка 15 обвязывают тонкой прокладкой, например, из рубероида, предотвращающей сцепление бетона ростверка 15 с опорой 2. В стене фундамента 14 прорубают окно 13, устанавливают над ним распределительную балку 11.

После набора бетоном свайной опоры 2 и ростверка 15 проектной прочности монтируют ригель 1. Устанавливают резинометаллическую подушку 10 на одном конце ригеля 1, а на другом конце натяжной домкрат (не показан). Затем с помощью натяжного домкрата производят предварительное нагружение устройства. Предварительное нагружение производят последовательно три раза. При этом измеряют вертикальные и горизонтальные перемещения оголовка свайной опоры 2.

Перед первым нагружением под консольные выступы упора 18 устанавливают сменные подкладки 19. Производят натяжение тяги 3, ступенчато увеличивая усилие натяжения вплоть до максимального, соответствующего эксплуатационной нагрузке, приходящейся на устройство от веса здания. Каждую ступень нагружения выдерживают до условной стабилизации перемещений свайной опоры 2. Критерий условной стабилизации принимают в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий. Затем производят разгрузку устройства, снижая до нулевого значения усилие натяжения тяги 3.

Перед вторым нагружением сменные подкладки 19 удаляют, выдергивая их за петли 20.

Второе нагружение осуществляют также ступенчато, выдерживая каждую ступень нагружения до условной стабилизации перемещений свайной опоры 2. При этом максимальное усилие натяжения тяги 3 должно создавать нагрузку, в 1,8-2,0 раза превышающую расчетную нагрузку на свайную опору 2, но не превосходить максимального значения, принятого при первом нагружении. Затем производят разгрузку и снова устанавливают, уже окончательно, под консольные выступы упора 18 сменные подкладки 19.

После этого производят последнее третье нагружение устройства. Усилие натяжения тяги 3 сразу увеличивают до максимального, соответствующего эксплуатационной нагрузке, приходящейся на устройство от веса здания. Максимальное усилие натяжения тяги 3 выдерживают до стабилизации перемещений свайной опоры 2.

Затем окончательно закрепляют конец тяги 3 в замке, фиксируя положение устройства относительно усиливаемой стены 9. Удаляют натяжной домкрат, консервируют замок и закрывают его колпаком 8 (фиг. 4).

Устройство на фиг. 5-9 возводят следующим образом. Отрывают котлован до уровня подошвы плиты фундамента 15. Пробуривают скважину для свайной опоры 2 и опускают в нее арматурный каркас (не показан), к нижней части которого прикреплен нижний конец тяги 3. При этом тяга 3 прижата к каркасу и расположена вертикально. Затем прорезают щель в грунтовом массиве, например, при помощи высоконапорной струи воды, и в щель наклонно вводят тягу 3.

Укладывают бетонную смесь в скважину. Верхнюю часть свайной опоры 2 бетонируют в опалубке.

Затем отрывают траншею с наклонными стенками для формования вертикального ребра фундамента 15, устанавливают опалубку для формования его плиты, монтируют арматуру и производят бетонирование фундамента 15. Перед этим обматывают ствол свайной опоры 2 тонкой прокладкой, например из рубероида, предотвращающей сцепление бетона фундамента 15 со свайной опорой 2.

Прорубают окно 13 в стене фундамента 14 и устанавливают над ним распределительную балку 11.

После набора бетоном свайной опоры 2 и дополнительного фундамента 15 проектной прочности монтируют ригель 1. На одном его конце устанавливают натяжной домкрат (не показан) и закрепляют в нем конец тяги 3. На противоположном конце ригеля 1 укладывают резинометаллическую подушку 10. Затем с помощью натяжного домкрата производят предварительное нагружение устройства.

Предварительное нагружение и фиксацию положения устройства относительно усиливаемого здания осуществляют точно так же, как описано выше для устройства, показанного на фиг. 1-3.

В обоих описанных вариантах устройства при предварительном его нагружении в соответствии с предложенным способом грунты основания свайной опоры и дополнительного фундамента уплотняются нагрузками, превосходящими значения соответствующих расчетных нагрузок, действующих на свайную опору и дополнительный фундамент при эксплуатации устройства. В связи с этим дополнительные осадки усиливаемого здания или сооружения после ввода устройства в эксплуатацию, т. е. в совместную работу со старыми фундаментами, возможны лишь при случайных неучтенных воздействиях на здание или его основание, например, динамических или при замачивании грунтов. В этих случаях неравномерные деформации могут быть исправлены путем изменения усилия натяжения тяги 3.

Удаленность натяжного домкрата от здания обеспечивает безопасность производства работ.

Устройство предназначено преимущественно для усиления фундаментов наружных стен зданий и сооружений, для усиления фундаментов башен, дымовых труб и других сооружений, имеющих массивные сплошные фундаменты под всем сооружением или кольцевые фундаменты.

Применение предлагаемого изобретения позволяет механизировать работы, ускорить сроки реконструкции фундаментов, уменьшить материалоемкость и трудоемкость, повысить надежность работы новых фундаментов, а также обеспечивает возможность исправления неравномерных осадок и кренов зданий и сооружений как в процессе реконструкции, так и в течение всего срока эксплуатации. Кроме того, использование изобретения обеспечивает безопасность проведения работ по ремонту деформированных и поврежденных зданий и сооружений. 1 2 3 4 5 6