Конструктивные требования при проектировании надстроек

Конструктивные требования при проектировании надстроек относятся к приведению существующей части здания в такое состояние, при котором оно сможет выдержать дополнительную нагрузку от надстройки. При этом конструкции надстройки необходимо запроектировать минимального веса с наиболее выгодной передачей нагрузки на существующую часть здания.

При проектировании надстройки иногда приходится производить частичное или сплошное усиление несущих конструкций. Следует помнить, что методы усиления несущих элементов существующего здания должны быть конструктивно-простыми и удобными для выполнения, так как надстраиваемое здание в ряде случаев находится в эксплуатации и заселено жильцами. Объем работ по усилению конструкций должен быть сведен к минимуму.

а) Усиление оснований надстраиваемых зданий

При надстройке зданий давление на основание существующих фундаментов возрастает, поэтому в заключении о возможности надстройки указывается существующее давление на грунт основания, а также давление на грунт и осадки здания после надстройки.

Давление на грунт под подошвой фундаментов при надстройках может быть повышено до 40% против расчетных сопротивлений, установленных по нормам для нового строительства, так как грунт в основании существующих фундаментов под действием веса сооружений уже уплотнился.

Если давление на грунт после надстройки не будет превышать расчетное сопротивление с учетом прессовки, то фундаменты не усиливают. Если же давление на грунт будет больше расчетного сопротивления с добавкой на опрессовку или дополнительные осадки будут превышать допустимые, то необходимо усилить основания, увеличить ширину фундамента или снизить вес надстройки.

Такое снижение может быть сделано за счет уменьшения числа надстраиваемых этажей, облегчения применяемых материалов или изменения конструктивной схемы надстройки.

Все работы по усилению оснований и фундаментов надстраиваемых зданий необходимо выполнять до начала работ по надстройке, чтобы дополнительные нагрузки от надстройки передались на усиленные фундаменты и основания, деление оснований при надстройках зданий может производить силикатизацией, электросиликатизацией, термическим способом и цементацией, а также уплотнением оснований сваями, устройством выносных свай или понижением уровня грунтовых вод.

Силикатизация применяется при мелкозернистых грунтах оснований, а также в лёссах и лёссовидных суглинках. Электросиликатизация применяется при укреплении суглинков и глинистых грунтов.

Лёссовидные просадочные грунты и пористые суглинки можно закреплять также термическим способом. Скальные, обломочные породы, гравийные, галечные, песчано-гравийные, крупнопесчаные пески закрепляются цементацией.

Силикатизация грунтов заключается в том, что в грунт посредством инъекторов поочередно нагнетают два химических раствора: сначала силикат натрия (жидкое стекло) Na20-nSi02, а затем хлористый кальций СаС12. Между этими двумя растворами происходит химическая реакция *, в результате которой грунт быстро и прочно закрепляется.

Для силикатизации оснований существующих зданий вдоль фундаментов отрывается траншея, через дно которой забиваются металлические трубки-инъекторы, имеющие в нижней части отверстия для нагнетания раствора в грунт. Если под зданием имеется подвал, то инъекторы погружаются с обеих сторон фундамента.

Электросиликатизация грунтов отличается от силикатизации тем, что через инъекторы и закрепляемый грунт пропускается электрический ток, который способствует проникновению раствора. Это особенно важно для глинистых грунтов, имеющих малый коэффициент фильтрации (меньше 0,2—0,1 м/сутки). Действие электрического тока позволяет увеличить радиус распространения закрепляющего раствора.

Для закрепления грунтов электросиликатизацией инъекторы забивают примерно через 1 м с одной или двух сторон фундамента. В инъекторы, служащие анодами, подается химический раствор и одновременно пропускается постоянный электрический ток напряжением 25—50 в. В процессе закрепления полюсы труб электродов меняются на обратные.

Для получения постоянного тока применяется сварочный агрегат типа САГ 30—60 в.

Пластификация заключается в закреплении мелкопесчаных грунтов путем нагнетания в них карбомидной смолы и 3%-ного раствора соляной кислоты.
Раствор нагнетается под давлением 10 атм «на глубину 5 м, при расстоянии между инъекторами 0,75 м. Предел прочности закрепленного грунта составлял 15—35 кг/см2.

Термическое укрепление заключается в обжиге лёссовидных и пористых суглинистых грунтов раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины. Скважины диаметром 10— 20 см бурят на глубину до 15 м на расстоянии друг от друга 2—3 м. Устье скважины заканчивается бетонным оголовком, в котором размещается форсунка для сжигания топлива. К форсунке двумя шлангами подводятся топливо и сжатый воздух. Топливо может применяться жидкое (соляровое масло, нефть и т. п.) и газообразное (природный, генераторный газ). Сжатый воздух подается под давлением 0,15— 0,50 атм.

Топливо сжигается в скважине. Избыточное давление распространяет пламя на всю ее глубину. Пламя проникает в поры грунта и прокаливает его.

Обжиг грунта продолжается от 5 до 10 дней, при этом вокруг скважины образуется керамическая,свая диаметром 2—3 м. Расход жидкого топлива за весь период обжига составляет около 100 кг на 1 пог. м скважины. Прочность грунта после обжига достигает 10—12 кг/см².

Термический способ разработан советскими специалистами (И. М. Литвинов и др.) в послевоенные годы и впервые был применен в Запорожье для укрепления фундаментов существующих промышленных зданий. Этот метод может быть применен для усиления оснований при надстройках жилых зданий только в том случае, когда работы проводятся при выселении жильцов из надстраиваемого здания и принимаются необходимые противопожарные меры.

При закреплении цементацией основании существующих зданий в грунт под подошву фундаментов забивают инъекторы таком же типа, как и при силикатизации, но большего диаметра (27—75 мм). Перед цементацией скважины промывают, нагнетая в них чистую воду. Для нагнетания обычно применяют раствор, состоящий из цемента и воды, а иногда в него добавляют песок. Состав пульпы для грунтов со средним удельным водопоглощением (от 1 до 5 л/мин.) принимается от 1:1 до 1:2 (цемент, вода). Цемент должен быть марки не ниже 400.

Давление при нагнетании цементного раствора составляет обычно 3—6 атм и уточняется на основании опытного нагнетания. Расход цемента — 20—40% от объема закрепленного грунта.

Прочность цементированного грунта вблизи инъектора на 28-й день достигает 20—35 кг/см². С изменением радиуса закрепления от 40 до 120 см прочность в крайних слоях цементированного песка меняется от 20 до 9 кг/см².

Уплотнение грунтов основания сваями заключается в том, что под подошвой существующих фундаментов поочередно отрываются отдельные шурфы, в дно которых вдавливаются короткие сваи, а пространство над ними заполняется новой кладкой.

Этот способ позволяет повысить расчетное сопротивление грунта основания до 40%. Для его выполнения длину усиляемого фундамента разбивают на отдельные участки по 1,5—2,5 м и через каждые 2 участка отрывают шурфы с подкопом под фундамент на глубину, равную половине проектной глубины укрепляемых грунтов. Затем на дно шурфа устанавливают деревянные или железобетолные сваи, которые залавливаются домкратами в землю.

По мере углубления свай, между домкратом и фундаментом устанавливаются распорные стойки высотой, равной длине выхода штока домкрата за 1 раз.

Сваи применяются конической формы с верхним диаметром 30 см, нижним 20 см, длиной 1 — 1,5 м, на расстоянии приблизительно 1 м друг от друга. После задавливания свай на данном участке выкладывают новую кладку до подошвы старого фундамента и оставшийся зазор между новой и старой кладкой плотно зачеканивают полусухим цементным раствором состава 1: 1 или 1:2 (цемент: песок).

Этот способ требует высокой квалификации рабочих и тщательного производства работ и, особенно, крепления стенок шурфов. Он дорог и трудоемок, но надежен и гарантирует полноценное усиление несущей способности оснований. Его следует применять в тех случаях, когда нельзя произвести уширение фундаментов или применить усиление оснований.

Передача нагрузок на нижележащие грунты выносимыми сваями заключается в том, что вдоль фундамента с обеих сторон его отрываются траншеи глубиной на 0,5 м выше подошвы. По траншеям располагаются бетонные набивные сваи, поверх которых устраиваются железобетонные обвязки. Для передачи давления с обеих сторон фундамента заделываются в кладку стальные рандбалки, под которые подводятся поперечные балки, передающие нагрузку от фундамента на ряды свай.

Передача нагрузки на сваи производится подклинкой зазора между низом поперечных балок и обвязкой. Заклинка производится" металлическими клиньями или обжатием свай гидравлическими домкратами, устанавливаемыми между низом поперечных балок и обвязкой. В этом случае обвязка делается в виде отдельных секций и сваи заделываются одновременно целой секцией. Давление обжатия должно превышать эксплуатационную нагрузку на 50%.

После заклинки оставшуюся часть зазора заделывают полусухим цементным раствором состава 1: 1 или 1:2 (цемент: песок).

Чтобы избежать сотрясений и повреждений существующего здания при забивке, применяются преимущественно набивные.сваи.

При производстве работ из подвала или первого этажа обсадные трубы для набивных свай наращивают короткими звеньями и через них опускают бетон. По мере наполнения обсадной трубы бетоном ее поднимают, а бетон трамбуют.Бетон вдавливается в стенки скважины, сваи приобретают расширенную форму и как бы срастаются с грунтом.

Методы передачи нагрузки от существующего здания на выносные сваи, как и метод уплотнения грунтов основания короткими сваями, описанный выше, применимы в самых разнообразных грунтах.

Усиление оснований за счет понижения уровня грунтовых вод может быть достигнуто устройством вокруг здания дренажа. При этом грунты основания, насыщенные водой, и имеющие незначительную несущую способность, существенно повышают ее после снижения уровня грунтовых вод.

Чтобы с водой не уносились частицы грунта, между фундаментом и дренажем должен быть забит шпунтовый ряд, который будет пропускать воду и препятствовать вымыванию грунтов оснований.

При надстройке на здании (на существующие конструкции) устраивают разгрузочные пояса жесткости. Их выполняют по всему периметру стен на уровне стыка старой стены и надстройки. В пояс за анкеровывают конструкции перекрытий, чем создают жесткую диафрагму. За счет этого нагрузку от надстройки равномерно передают на существующее здание. Пояс жесткости гасит деформации, препятствует появлению трещин.

Устраивают 2 вида поясов:

●жесткие;

●нежесткие.

Жесткие пояса устраивают при:

●плохом состоянии стен;

●слабом основании под фундаментами;

●большом количестве надстраиваемых этажей.

Их выполняют из железобетона с гибкой или жесткой арматурой в виде прокатной стали различного профиля.

Нежесткие пояса применяют при:

●количестве надстраиваемых этажей ≤n/2, где n – число этажей в существующем здании;

●прочном основании под фундаментами;

●удовлетворительном состоянии стен.

В надстройках применяют облегченные конструкции стен. Обычно это каркасные схемы из железобетона или стали с заполнителем.