При эксплуатации домов, возведенных на склонах или вблизи них, появляется опасность нарушения устойчивости и прочности конструкций из-за возможных оползневых подвижек грунта. При этом деформации фундаментов могут произойти как из-за воздействия давления неустойчивых масс грунта непосредственно на конструкции, так и вследствие разрыхления грунта в основании сооружения в результате смещения оползневых масс вниз по склону. Такое движение грунта по наклонной поверхности (проявление оползневого смещения) может начаться по самым различным причинам:

• превышение сдвигающих сил над удерживающими силами;
• обводнение склона и как результат - снижение прочностных характеристик слагающих его грунтов;
• абразия склона в нижней его части морскими или речными водами и как следствие - нарушение баланса грунтовых масс;
• ветровая эрозия поверхностных слоев;
• подрезка склона в какой-либо его части искусственными разработками грунта; сейсмическое воздействие и т.д.

За последние годы в нашей стране накоплен большой опыт по реконструкции промышленных предприятий и зданий гражданского назначения, о степени реконструкции или объему выполняемых строительно-монтажных работ здания и сооружения принято подразделять на полностью или частично реконструируемые. В первое понятие входит коренная перепланировка существующих площадей на основе изменения или усовершенствования технологического процесса, при которой предусматривается производство строительных работ по всему зданию или сооружению с усилением фундамента или заменой не менее 50% его основных несущих конструкций. Частичная реконструкция предусматривает такое производство строительно-монтажных работ, которое направлено на изменение архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных решений не всего, а какой-то отдельной части здания (например, одного этажа, одного пролета и др.). Сюда же следует отнести надстройку и пристройку зданий. Замена технологического оборудования в действующем цехе, осуществляемая в плане его технического переоснащения и обновления активной части основных фондов и не сопровождаемая производством строительно-монтажных работ, не может считаться реконструкцией.

Основной причиной переустройства фундаментов под машины с динамическими нагрузками является их повышенная вибрация. Поэтому применяемые способы усилений фундаментов машин и их оснований во многом аналогичны способам, используемым для снижения уровня колебаний. Эти способы являются в основном конструктивными и включают в себя:

• увеличение массы фундамента или отдельных его частей;
• повышение жесткости фундамента, отдельных элементов, а также грунтового основания;
• увеличение общей жесткости системы машина - фундамент вследствие более надежного крепления машины к фундаменту.

При изменении технологии производства, когда в реконструируемом цехе будут устраиваться новые фундаменты под машины с динамическими нагрузками, динамические свойства грунтового основания следует определять непосредственно на отметке подошвы фундамента с помощью специальных опытных фундаментов (штампов) различной конструкции. Наиболее приемлемыми для динамических исследований грунта в основании фундаментов машин с периодическими нагрузками можно считать инвентарные виброштампы.

Жесткостные и демпфирующие характеристики грунтового основания определяют по результатам испытаний опытного фундамента (виброштампа) при возбуждении специальным вибратором вынужденных колебаний его с различной частотой и регистрацией соответствующих значений амплитуды. Динамические свойства оснований фундаментов под машины с импульсными нагрузками определяют по записям свободных колебаний опытного фундамента возбуждаемых ударов.

При усилении и реконструкции фундаментов под машины, динамические нагрузки, передаваемые на фундамент, принимают согласно техническим данным машины. Однако расчет усиливаемого фундамента под машину желательно производить с учетом фактических динамических нагрузок, воспринимаемых фундаментом. Расчет их производится, как правило, путем специальных измерений с привлечением специализированных организаций. Для машин с номинально уравновешенными вращающимися частями, когда фактическая динамическая нагрузка на фундамент неизвестна, для ее расчета могут использоваться данные регулярно проводимых балансировок. При этом динамическая сила, передаваемая машиной фундаменту, может быть рассчитана как отношение амплитуд колебаний опор машины к значению динамической податливости фундамента на этом участке.

При сравнительно невысоких склонах устраивать сплошной контрбанкет иногда становится нецелесообразным. В таких случаях контрбанкет делают прерывистым по ширине склона, т.е. он фактически превращается в контрфорсы.

Контрфорс представляет собой поперечный вертикальный выступ, ребро или стенку, усиливающий основную несущую конструкцию (в данном случае склон) и принимающий на себя давление грунта. Для укрепления склона чаще всего применяют грунтовые контрфорсы, укрепленные камнем, или контрфорсы полностью из камня. При невысоком склоне с расположенным на нем зданием, которое требует усиления, могут применяться бетонные контрфорсы, укрепляющие одновременно склон и стену здания.

Для безростверковых фундаментов, свай-колонн и высоких свайных ростверков наиболее доступным является усиление части ствола сваи, находящейся над грунтом. В этом случае сваи с поперечными или продольными трещинами, с выколами бетона, раковинами, коррозионным разрушением и др. следует усиливать железобетонной обоймой, толщина стенок которой должна быть не менее 100 мм, площадь вертикальной арматуры не менее 1% площади сечения обоймы. Обойма устраивается на всю высоту свободной части сваи и заглубляется в грунт не менее чем на 1 м.

Примером успешного применения вертикального дренажа может служить его устройство для предотвращения дальнейшего подъема уровня грунтовых вод в основании административного здания в г. Мытищи, московской области. Здание было построено на ленточных фундаментах, на лессовидных грунтах с просадочностью II типа. В проекте были предусмотрены водозащитные мероприятия. Однако начавшийся подъем уровня грунтовых вод на всей прилегающей к зданию территории вызвал проявление просадки лессовидных грунтов и недопустимые деформации фундаментов и надземных конструкций. Все временные мероприятия (дополнительная водозащита, частичное отключение водопровода и канализации, ремонт разрушающихся конструкций и т.д.) не давали желаемого эффекта - деформации прогрессировали.

Основными причинами деформации и разрушения фундаментов являются: длительные простои разработанных котлованов, изменение влажностного режима грунтов (в том числе насыщение их химическими растворами), динамические воздействия и др.

Наибольшее количество воды в грунты оснований попадает из подземных коммуникаций. Так, поступление воды в грунт из нового водопровода может составлять 15-18%, а с увеличением срока его эксплуатации этот процент увеличивается. Большую опасность для оснований фундаментов представляют поверхностные воды, отводу которых часто не уделяется должного внимания. Между тем замачивание оснований из поверхностных источников, как правило, приводит к неравномерным деформациям зданий. Особенно опасно замачивание оснований, сложенных структурно неустойчивыми грунтами - просадочными, набухающими, засоленными, пылеватыми и песчаными.

Причиной разрушения фундаментов могут явиться неучтенные при проектировании нагрузки. В этом отношении поучительным является разрушение железобетонного фундамента неподвижной анкерной опоры транспортной галереи, которое произошло в результате воздействия неучтенной горизонтальной нагрузки, вызванной температурным изменением длины транспортной галереи в зимнее время при жесткой заделке конца галереи на фундаменте.

Опыт эксплуатации фундаментов и подземных сооружений электролизных цехов показывает, что чаще всего причиной их разрушения является электрохимическая коррозия арматуры в бетоне под действием блуждающих токов утечки. В этих цехах постоянный электрический ток, потребляемый в технологическом процессе, достигает тысяч и десятков тысяч ампер. Утечка тока происходит из-за смачивания и загрязнения изоляционных устройств. Скорость разрушения конструкций определяется плотностью тока стекания и зависит от конструктивных особенностей фундаментов.

В одном из электролизных цехов предприятия цветной металлургии через 5-6 лет после его реконструкции оказались в аварийном состоянии фундаменты, стены подвалов и подземные конструкции. Защитный слой бетона полностью разрушился, оголив прокорродированную арматуру. Железобетонные подземные колонны почти полностью потеряли несущую способность, и их пришлось заменить кирпичными столбами.

Фундаменты промышленных, жилых и гражданских зданий, построенных еще в XX веке, зачастую, выложены из бутового камня, бутобетонной кладки и сравнительно редко из пережженного красного кирпича - железняка. Под влиянием грунтовых вод, агрессивных сред, температурных и других воздействий материал фундаментов с течением времени теряет свою прочность и становится легко разрушаемым. Длительное увлажнение бутового камня, в особенности из слабых известняковых пород, приводит к образованию глубоких каверн, снижению несущей способности и интенсивному разрушению кладки. В бутовой кладке чаще всего разрушается материал швов. Под влиянием коррозии разрушаются также бетонные и железобетонные фундаменты.

Для того чтобы осуществить восстановление прочности фундамента из бутовых камней и его ремонт, используют цементацию. Цементация производится путем нагнетания в пустоты фундамента через инъекционные трубки цементного раствора консистенции от 1:1 до 1:2 и более под давлением 0,2-1 МПа. Иногда боковую поверхность фундамента перед цементацией покрывают цементной штукатуркой. Цементацию производят после засыпки и уплотнения грунта в предварительно разработанных (по условиям технологии установки инъекционных трубок) траншеях с противоположных сторон фундамента.

Для успешной защиты от грунтовых вод могут служить дренажные засыпки за подпорными стенами. Такой способ был применен в Московской области при выполнении защиты от подтопления территории складской площади магазина и завода химических реактивов. Площадка представляла собой застроенную территорию с двумя складскими зданиями, конторой и гаражом. Территория складской площадки была не заасфальтирована и местами заболочена, на территории имелись мелкие овраги и крутой склон, с которого дренировала вода, что создавало постоянную угрозу затопления площадки. Водовмещающими слоями являлись супесчано и галечно-гравийные грунты, перекрытые сверху насыпными и суглинистыми грунтами и подстилаемые снизу мергелистыми глинами. Источником питания потока грунтовых вод, ориентированного в соответствии с уклоном площадки, являлся оросительный канал с выпускными канавами. Затопление площадки привело к снижению несущей способности основания, к появлению трещин в складских и административных зданиях и к нарушению устойчивости естественного склона, ограничивающего рассматриваемую территорию с южной стороны.

Наблюдения за осадкой и деформациями являются специальным видом геодезических работ, входящих в состав инженерно-геодезических изысканий. При организации этих наблюдений решаются следующие задачи: сбор материала, необходимого для разработки проекта реконструкции или усиления зданий и сооружений (в частном случае для усиления и реконструкции фундаментов и их оснований); оценка надежности реализованных проектов с целью совершенствования опыта проектирования по усилению и реконструкции. Наблюдения выполняются по специально согласованной с проектной или научно-исследовательской организацией программе, в которой отражены состав, объем и сроки проведения работ. После завершения работ составляется отчет по установленной форме.

Наблюдения за оседанием фундаментов, осуществляемых с целью сбора материалов для разработки проекта реконструкции или усиления имеют следующие особенности.

Основные причины разрушения фундаментов в процессе эксплуатации: коррозия материала фундамента под воздействием агрессивной среды; нарушение режима эксплуатации технологического оборудования; динамические воздействия технологического и подъемно-транспортного оборудования; перегрузка фундаментов и некачественное исполнение их.

Под разрушением материала фундамента следует понимать различные коррозионные явления, трещины, сколы, изломы, оголение арматуры. При рассмотрении причин разрушения фундаментов замечено, что разрушение материала чаще всего происходит в результате попадания на конструкцию фундамента агрессивных технологических растворов. Наибольшему влиянию агрессивных воздействий подвержены фундаменты производственных зданий химической, алюминиевой и нефтехимической промышленности. Интенсивность разрушения материала фундамента зависит от степени агрессивности технологических растворов, которая, в свою очередь, зависит от вида раствора, концентрации, температуры и частоты проливов. Проливы агрессивных жидкостей происходят при выполнении технологических процессов в результате нарушения плотности и герметизации технологических аппаратов, насосов, трубопроводов, лотков и зумпфов.

После принятия решения о необходимости усиления фундаментов или укрепления оснований приступают к проработке возможных вариантов. Вначале делают эскизные наброски вариантов с учетом инженерно-геологических условий площадки, величин нагрузок, действующих после реконструкции здания или сооружения на усиливаемые фундаменты, габаритов существующих фундаментов и опирающихся на них конструкций, условий производства работ на действующем предприятии, возможностей строительной организации, которая намечается к производству работ по усилению фундаментов или укреплению оснований.

Оценка метода усиления фундаментов и укрепления оснований с точки зрения инженерно-геологических условий нередко имеет основное значение. Поэтому при проектировании рассматриваются лишь те способы усиления, которые возможны в конкретных инженерно-геологических условиях. Например, укрепление оснований в водонасыщенных грунтах с помощью обжига неосуществимо; забивные сваи сложно погружать в маловлажных лессовидных грунтах (требуется использование лидирующего бурения), в связи с чем целесообразнее в таких условиях буронабивные сваи и т.п.

Обследование фундаментов машин с динамическими нагрузками и их оснований выполняется по специальной программе в случае реконструкции таких фундаментов или необходимости их усиления. В отдельных случаях усиление фундаментов под машины осуществляется с целью снижения общего уровня колебаний для обеспечения нормального технологического процесса и требований санитарных норм. При обследовании фундаментов машин с динамическими нагрузками и их оснований выполняется как весь комплекс работ, предусмотренный для фундаментов несущих конструкций, так и дополнительные исследования. Последние обычно включают:

• измерение амплитуды колебаний фундамента и отдельных его частей, а также выявление основных частот собственных и форм вынужденных колебаний фундамента;
• изучение распространения колебаний от обследуемого фундамента, а также установление общего динамического фона производственного участка;
• определение в отдельных случаях фактической динамической нагрузки, передаваемой на фундамент от работающей машины;
• установление фактического состояния фундамента, условий размещения машины на фундаменте и ее крепления к нему;
• определение фактических упругих и демпфирующих характеристик грунтового основания;
• выявление возможности проявления дополнительной динамической осадки, вызванной действием вибраций от фундаментов машин;

Форма контрбанкета должна уточняться и из условий производства работ. На стадии проектирования контрбанкета уточняются схемы завозки грунта, определяется необходимая плотность укладки, устанавливаются схемы отвода поверхностных вод в процессе отсыпки и т.д. Для решения этих вопросов необходимо параллельно с проектированием контрбанкета разрабатывать проект производства работ по его отсыпке.

При укреплении склона оврага контрбанкет может одновременно служить засыпкой лога. В этом случае контрбанкет работает не только в виде пригруза, но и создает отпор оползневому давлению благодаря распору между двумя бортами оврага.

Наиболее эффективными мероприятиями по укреплению неустойчивого (оползневого) склона с расположенными на нем сооружениями является устройство контрбанкетов, контрфорсов и удерживающих конструкций.

Следует иметь в виду, что сооружения, построенные на склонах, могут деформироваться и независимо от степени устойчивости склона. Если склон или откос, на котором (или вблизи которого) возведено сооружение (например дом), устойчив, а деформации фундаментов происходят, то причины этих деформаций нужно искать в недостаточной несущей способности основания или прочности фундамента.

Для каждого конкретного случая выбор способа усиления фундамента сооружений башенного типа должен производиться на основании тщательного технико-экономического сравнения возможных вариантов. Ниже на примерах из практики рассмотрим способы усиления фундаментов башенных сооружений в условиях проявления недопустимого крена.

В селе Александровка Ставропольского края в результате замачивания верхних слоев лессовидных суглинков и супесей, находящихся в пределах сжимаемой толщи фундаментов здания элеватора, начались просадки основания, которые привели к крену зданий в верхней точке для различных корпусов от 20 до 80 см. Поскольку засыпка зерном отдельных отсеков элеватора производилась не одновременно, крен продолжал прогрессировать в течение пяти лет. Проявлению значительных осадок и кренов также способствовало повышение уровня грунтовых вод.

При эксплуатации башенных сооружений в результате неравномерной деформации основания возникает необходимость восстановления их первоначального положения. Указанное восстановление или выправление крена сооружения может сопровождаться одновременным усилением его фундамента или основания. Способы выправления сооружений и усиления их фундаментов и оснований различны и зависят как от конструктивных особенностей сооружения и его фундамента, так и от грунтовых условий.

В случаях, когда вскрытие ростверка для усиления представляет значительные трудности из-за большого притока воды или наличия оплывающих грунтов, усиление ростверка производят с применением способа "стена в грунте" (см. рис.). В этом случае вокруг ростверка (отступив от него на расстояние, необходимое для размещения конструкций усиления) разрабатывают траншею под защитой глинистого раствора одним из имеющихся механизмов (широкозахватный грейфер, штанговый экскаватор, барражная машина и т.д.). В траншею опускают арматурный каркас будущей железобетонной стены в грунте и бетонируют стену способом вертикально-перемещаемой трубы (ВПТ). Вокруг ростверка образуется железобетонное кольцо, между внутренней гранью которого и внешней гранью ростверка можно извлекать грунт. Огражденный ростверк усиливается любым из известных методов. Обычно внутри стены в грунте вокруг ростверка устраивается железобетонная рубашка, которая для повышения несущей способности может соединяться с конструкцией стены в грунте. Глубина траншеи для стены в грунте обычно принимается из условия безопасной выемки грунта из замкнутого контура траншеи и устойчивости ограждения без дополнительных креплений. По этим же соображениям выполняется расчет ограждения стены в грунте. При большой глубине заложения ростверка между ограждением и ростверком целесообразно устанавливать распорки, которые затем остаются в теле железобетонной рубашки. Ширина стены в грунте зависит от применяемого для разработки траншеи оборудования и обычно не превышает 600 мм.

При сквозных трещинах в ростверке, при недостаточной прочности бетона, при недостаточном армировании, а также для предотвращения дальнейшего развития опасных вертикальных трещин в ростверке наряду с цементацией можно устраивать железобетонные обоймы. При незначительных размерах ростверка обойма, как правило, выполняется сплошной по всей высоте ростверка. Такая обойма обычно изготовляется замкнутой по периметру ростверка. Если имеется разрушение бетона и в нижней грани ростверка, то необходимо выполнить цементацию грунта под ростверком. При большой высоте ростверков (опоры, подколонники и пр.) такие обоймы могут выполняться в виде отдельных железобетонных поясов высотой 1-1,5 м и толщиной 25- 40 см. Арматура пояса прикрепляется к телу ростверка специальными анкерами (штырями) или приваривается к оголяемой рабочей арматуре ростверка. При устройстве поясов одновременно с цементацией тела ростверка анкеры заделывают в скважинах, через которые нагнетают цементный раствор.

При серьезных повреждениях железобетонных ростверков любых видов (плит, подколонников, монолитных лент, насадок и т.д.) производят более крупные ремонтные работы. Глубокие трещины, пустоты в бетоне и т.д. исправляются путем нагнетания цементного раствора под давлением. Для этого в монолите ростверка перфораторами бурят вертикальные или наклонные скважины диаметром 36-75 мм, располагая их в шахматном порядке. Расстояние между скважинами принимают ориентировочно 0,9-1,3 м - при нагнетании раствора без добавок и 1,1-1,6 м - при нагнетании раствора с пластифицирующими добавками. Длина наклонных скважин не должна быть более 3/8 толщины монолита при бурении с обеих сторон и более 3/4 - при бурении с одной стороны. Общее число и расположение скважин устанавливают в зависимости от степени разрушения материала ростверка, а также от расположения рабочей арматуры ростверка, поскольку скважины должны буриться между стержнями арматуры (расчет их положения определяют по имеющимся чертежам устройства ростверка или пробным бурением).

При обследовании ростверков, выполняемом путем детального шурфования вблизи всех его граней, выявляют следующие их недостатки, уменьшающие несущую способность фундаментов:

• наличие отдельных трещин, каверн, раковин, выколов или пустот
• коррозия наружного слоя бетона (вследствие действия агрессивных грунтовых вод или электрокоррозии);
• сквозные трещины из-за неравномерных осадок свай в кусте
• недостаточная прочность монолита (из-за ошибок при строительстве или вследствие его старения);
• недостаточное армирование (например, из-за увеличения нагрузки на фундамент при реконструкции здания или сооружения);
• некачественное сопряжение со сваями;

Выбор метода усиления и реконструкции фундаментов мелкого заложения (как монолитных столбчатых, так и ленточных) зависит от причин, вызывающих необходимость такого усиления, конструктивных особенностей существующих фундаментов и инженерно-геологических условий строительной площадки.

Известно, что проектирование усиления фундаментов почти всегда сложнее расчета новых конструкций. Это объясняется тем, что в каждом случае усиления приходится считаться с условиями эксплуатации объекта, со стесненными условиями работы, с разнообразием проявления деформаций зданий и сооружений, их видами др.