А.Н. Асаул, Ю.Н. Казаков, В.И. Ипанов
Реконструкция и реставрация объектов недвижимости
Учебник Под редакцией д.э.н., профессора А.Н. Асаула. – СПб.: Гуманистика, 2005. – 288с.

Раздел 4. Реконструкция подземной части зданий

Глава 10. Инженерная зашита застройки от воды и слабых грунтов

10.1. Инженерная защита застройки от воды

Атмосферные и подземные воды оказывают существенное влияние на стабильность зданий, и долговечность застройки. Гидрогеологические процессы создают угрозу разрушения из-за активизации оползневых и карстово-суффозионных подвижек земной коры. Подтопление грунтовыми водами, особенно агрессивными, наносит урон, подземным, частям домов, создает условия, когда эксплуатация зданий становится невозможной.

Атмосферные осадки не только являются причиной преждевременного износа наземных частей зданий. За счет инфильтрации в гpyнты они еще и, подпитывают водоносные пласты пород, особенно верхние, поскольку формируют верховодку. Обильными осадками затапливаются территории города, если не организован или нарушен отвод поверхностных вод.

Защита от подтопления необходима, если первый от поверхности водоносный горизонт поднимается до глубины менее, чем на 3 м. При этом существует нормативная градация, в соответствии с которой под полом подвала неподтопленного здания вода должна находиться на глубине более 1 м от отметки пола. На участках зеленых насаждений норма не такая жесткая. Для корневой системы деревьев нужно 1–1,5 м сухой почвы и водоносный слой может быть расположен на этой глубине от поверхности земли.

К защите от подтопления прибегают, когда на территории имеет место стабильно высокий уровень грунтовых вод (УГВ). Его понижают при помощи дренажных систем. Они могут иметь дрены совершенного и несовершенного типа. Совершенные погружают до водоупора, то есть слоя, не пропускающего воду (Рис.10.1.).

1 – уровень грунтовых вод; 2 – кривая депрессии;

3 – водоносный слой; 4 – водоупор.

 

Рис.10.1 – Схема притока грунтовых вод в вертикальные дрены совершенного (а) и несовершенного (б) типов

Поскольку дно дрены лежит на этом слое, грунтовые воды поступают через боковые стенки. В дренах несовершенного типа дно расположено выше водоупора, воды поступают не только сбоку, но и через дно. При откачке воды из колодцев со скоростью, превышающей ее приток из грунта в прилегающем пространстве, УГВ понижается. Вокруг образуется видная на рисунке депрессионная воpoнкa. Грунт в ее пределах осушается.

    На Рис. 10.2. показаны вертикальные дрены, устанавливаемые на определенных расстояниях и объединенные общим трубопроводом. Шаг дрен назначают расчетом, в зависимости от глубины их погружения, коэффициента фильтрации и других характеристик пород. Обеспечивают, чтобы депрессионные воронки перекрывали друг друга и плоскости пересечения находились на высоте требуемого уровня понижения водоносного горизонта.

   Вертикальные дрены – одна из разновидностей водовсасывающих устройств. В практике часто применяют горизонтальные дренажные системы. Дрены совмещают с магистралью, транспортирующей откаченную воду. Их делают в виде лотков или перфорированных труб с обсыпкой крупнозернистым материалом.

Рис. 10. 2. – Конструкция дрен закрытого типа

 

 

   Дрены заглубляют в водоносный пласт и укладывают с уклоном, обеспечивающим самотечное движение воды к водоприемнику. Примером такого дренажа является система, показанная на Рис.10.3а.

   На этом рисунке дрена уложена параллельно водопроводящим инженерным системам. Она гарантирует от потенциального подтопления жидкостью из неисправных трубопроводов. Здесь дренаж уложен значительно ниже их, но иногда практикуют его размещение рядом с этими трубопроводами.

Рис. 10. 3. – Дренажные системы

 

    Таким же образом понижают УГВ и у зданий, подверженных подтоплению из-за подъема воды в открытом водоеме (Рис.10.3б) или создающих барражный эффект (Рис. 10.4в).

Рис. 10. 4. –  Механизм подтопления территорий

Аналогичные системы горизонтального и вертикального дренажа устраивают при подъеме УГВ, возникающего из-за засыпки болот и других техногенных действий, в результате которых замедляется эффект испарения влаги из грунтов (см. Рис.10.4 а). Описанные мероприятия носят радикальный характер. Их действие распространяется на большие площади застроенных территории. Однако существуют локальные дренажные системы. К ним прибегают, когда хотят обеспечить защиту от подтопления одного здания. Тогда устраивают горизонтальный ленточный или пластовый дренаж. 

Ленточные дренажи прокладывают по внешнему периметру стен подвала. На уровне подошвы фундамента размещают перфорированную трубу-дрену. Ее уклон назначают в сторону водосброса. Трубу обсыпают материалами, обладающими фильтрационными свойствами (Рис.10.5а). Они способствуют водосбору и предохраняют от засорения перфорационных отверстий частицами мелкого грунта. Такой дренаж перехватывает подземные воды, поступающие от места питания водоносного слоя, и зона действия системы невелика. Поэтому дрены  стараются проложить поперек движения воды.

   Пластовым дренажем отводят воды непосредственно из-под здания. Система состоит из дренажного слоя, укладываемого под полы подвала. Он сообщается с наружной водоотводящей дреной. В условиях старой застройки пластовые дренажи имеют специфические особенности. Здесь редко отсыпают сплошной дренирующий слой. Его подменяют системой параллельных дрен, объединенных поперечной (Рис10.5б).

   В устье этой дрены делают приямок для сбора воды. Ее потом сбрасывают в сети водоудаления с территории.

 

Рис. 10.5 – Водопонижающие устройства, применяемые при ремонте

 

Локальные дренажи – до определенного предела эффективный, хотя и дорогой способ защиты, от затопления подвалов. Однако при их устройстве возникает проблема сброса воды из дрен. Наиболее проста система самотечного, транспорта непосредственно в ливневую сеть. Это возможно, если уровень ее заложения позволяет применить такое решение. В противном случае приходится создавать станции перекачки и устанавливать постоянно действующие насосы. От их бесперебойной работы зависит функционирование всей дренажной системы, поэтому необходима организация службы технического обслуживания. Система оказывается не устойчивой, поскольку перебои в откачке воды немедленно приведут к затоплению подвалов.

Кроме того, откачка воды из слабых грунтов чревата вымыванием мелких частиц грунта, это может привести к ослаблению оснований и просадке фундаментов. Для уменьшения этого эффекта дрены иногда относят на значительное расстояние, до 50 м от стен, но не меньше двух глубин погружения  этих дрен. В этом случае дренируют уже не локальный пласт, а территорию значительной площади, превращая систему в регулярный дренаж.

В условиях старой застройки такой радикальный метод требует тщательного обследования оснований и фундаментов зданий, попадающих в зону водопонижения. В градостроительной практике нередки случаи, когда проведенное без должного обоснования понижение УГВ вызывает деформации несущих конструкций домов, например, связанные с быстрым загниванием оголовков ранее находившихся под защитой воды деревянных свай.

Мониторинг дренажных систем с систематическим их осмотром необходим и при эксплуатации. Особенно сложно техническое обслуживание закрытых горизонтальных систем. В этом заключается их отличие от вертикальных дрен, которые, легко втащить из колодца, промыть и даже заменить.

Горизонтальные дрены с фильтрационной обсыпкой обладают малой ремонтопригодностью. Для очистки заиленной обсыпки применяют воздушную прочистку. Пленку, обволакивающую фильтр или затянувший его ил, разрушают струей воздуха под большим давлением. Однако такая мера не всегда результативна. Часто приходится копать глубокие траншеи или вскрывать полы подвалов, оголяя обсыпку.

    Дефекты водопонижающих устройств не всегда связаны с уменьшением водозахватывающего эффекта дренажей. Разрушаются трубы и колодцы. Показателем этого явления служит беспрерывное поступление грунта в систему. Выходят из строя и насосы, отсасывающие воду из пород.   Требуется ремонт, а иногда и замена. Поэтому дренажные системы обслуживают в строгом соответствии с, правилами технической эксплуатации напорной канализации.

  Инженерная защита застройки на неустойчивых территориях. Мероприятия инженерной защиты осуществляют, когда застройка находится в неблагоприятных геологических условиях. Тогда возможно образование карстовых и суффозионных провалов, оползневых явлений, оседание поверхности территории из-за сжатия грунтов, откачки подземных вод. В свою очередь многие участки подвержены подтоплению и затоплению.

   Карстовые и суффозионные провалы часто появляются на многих территориях городов. Инженерную защиту застройки от провалов обосновывают исследованием этих процессов и длительным мониторингом мест образования карстово-диффузионных процессов. Изучают не только территории с активным карстом, но  и потенциально опасные зоны города.

Для предотвращения провалов осуществляют следующие мероприятия:

устанавливают регламент хозяйственной деятельности;

обеспечивают стабильность водных режимов;

ограничивают водозабор, что может вызвать понижение уровня водоносных горизонтов в карбонатных толщах;

на территориях не устраивают поверхностных водоемов;

следят за исправностью водопроводящих сетей инженерных коммуникаций;

не допускают повышения уровня грунтовых вод;

создают условия, исключающие гидродинамическое воздействие на массивы водорастворимых горных пород, чем предохраняют их от разрушения.

Выполняют и различные инженерные мероприятия для повышения стабильности особо опасных участков в кapстовыe полости инъектируют смеси различных материалов, растворы и бетоны.

Применяют ставшие традиционными методы, которые рассмотрены ниже как мероприятия, обеспечивающие повышение несущей способности оснований фундаментов.

Оползневые явления характерны для расположенных на реках городов России. Оползни подразделяют на две группы: стабильные и активные, находящиеся на стадии подготовки к основному смещению.

   К первой группе относятся оползни, подпертые пойменными террасами рек, которые играют роль контрфорсного упора, не дающего основной массе породы сдвигаться. Такие оползни не требуют сложных инженерных мероприятий. Достаточно спланировать и уположить склоны, исключить их подрезку в основании. Для укрепления грунтов рационально фитомелиорировать поверхности посадкой деревьев и травяного покрова. Не подгружать тело оползня дополнительной застройкой или отсыпкой грунта. Грунты поверхности скольжения предохранять от увлажнения, нарушающего свойства подстилающих пород.

   Вторая группа требует выполнения противооползневых инженерных сооружений, направленных на повышение стабильности опасных, участков. Поэтому здесь возводят подпорные стены, в том числе на глубоком свайном основании. Создают контрбанкеты, усиливающие эти стены, применяют удерживающие конструкции, показанные на Рис.10.6.

Рис. 10.6. – Подпорные стены и свайные сооружения,

удерживающие оползни мелкого ( а-з ) и глубоко заложения

Интересно решение, схема которого изображена на Рис.10.7. В этом проекте противооползневые инженерные сооружения совмещены с жилыми домами, располагаемыми по склонам действующего оврага.

Здесь водоотводной лоток для овражного ручья, взят в коллектор. По всей длине обеспечен прием в него поверхностных вод. В вершине оврага русло ручья оставляют открытым, поскольку оно разветвляется по отрогам и не мешает автомобильному путепроводу в центре и до устья оврага, проложенному в тоннеле.

Приведенное решение является оригинальным, но эксклюзивным. Его можно рекомендовать в исключительных случаях.

На подверженных оползням территориях особое внимание уделяют отводу поверхностных вод. Создают регулярные водостоки. В водонасыщенных грунтах сооружают открытые и закрытые дренажные системы, канавы, галереи и другие водоотводящие устройства.

Рис.  10.7. – Проект использования склонов оврага под жилую застройку (схема разреза)

Поскольку все эти мероприятия не полностью гарантируют возможность появления оползневых явлений, создают сопутствующие дренажи вдоль водопроводящих инженерных сетей и постоянно ведут наблюдение за подвижкой земляных масс.

Уплотнение гpyнтoв оснований под фундаментами вызывает вертикальные осадки не только зданий, но и прилегающего участка. Формируется воронка оседания, радиус которой может достигать 50-150 м. В застройке высокой плотности эти воронки накладываются друг на друга и образуют понижением межмагистральных территорий, а также обводнение поверхностными водами подземных частей зданий.

  Установлено, что осадки зданий, основанием которых служат песчаные грунты, невелики и быстро затухают. В глинистых грунтах этот процесс развивается медленно, но после завершения характеризуется значительными величинами просадок.

Здания, возведенные на культурном слое насыпных техногенных грунтов, претерпевают значительные осадки. Такое явление характерно для центральных районов города, где насыпной слой может достигать 15 м.Техногенные грунты, как правило, неоднородны, толщина их слоя может  колебаться в широких пределах. Возможно включение линз пород по плотности не соответствующих соседним участкам. Все это приводит к неравномерным осадкам зданий. .

В отличие от равномерных просадок, неравномерные могут нанести зданиям значительные повреждения. Так, уплотнение пластов мягких пород разной толщины вызывают процесс, показанный на рис. 10.8, а. Имеются случаи, когда выветривание материнских пород, из которых произошли грунты, протекают избирательно. Тогда под зданием оказываются основания с различной прочностью и возникают процессы, сходные со схемой 10.8а.

Не менее опасны линзы мягких грунтов, имеющих способность к усадочным деформациям. Неравномерное сжатие грунтов таких линз приводит к явлениям, показанным на Рис.10.8, б и в. Вкрапление в основание прочных пород, например крупных валунов, вызывает разлом здания по схеме г.

 

Рис. 10. 8. – Осадочные деформации зданий

 

Откачка подземных вод часто приводит к осадкам поверхности на обширных территориях городов. Извлечение воды из напорных горизонтов вызывает не только падение давления, но и снижение уровней водоносных пластов. Механизм уплотнения осушенного грунта – специфическая проблема, являющаяся предметом изучения гидрогеологов. Следует отметить, что за счет,        такого уплотнения случаются просадки дневной поверхности, исчисляемые в 1-150 мм, что приводит к частичному или полному разрушению зданий. Просадки от 10 до 30 мм в среднем влекут за собой деформацию в двух-трех зданиях, а при оседании поверхности больше, чем на 50 мм количество деформированных зданий увеличивается.

Просадки сооружений, сходные с описанными, возможны при взаимодействии воды с зелеными насаждениями. Некоторые породы деревьев потребляют большое количество влаги. В основном черпают ее из грунта верхнего слоя, увлажняемого атмосферными осадками. При нормальном их количестве система находится в равновесии. При засухах находящееся в песчаных грунтax дерево погибает, а в глинистых выживает. По мере осушения почвы корневая система развивается. Корни деревьев прорастают все дальше и всасывают магу из глубоких водоносных слоев.

Такое явление опасно для застройки на грунтах, обладающих способностью давать осадку при уменьшении влажности. В некоторых случаях это может привести к повреждениям здания по схеме, показанной на Рис. 10.8е. Подобные явления зафиксированы в ряде городов мира. Сходные процессы наблюдаются при возведении зданий рядом с существующими. Если разрывы между старым и новым объектами невелики, то возможны просадки по схеме 10.8д.

При равномерной просадке на больших территориях необходима кардинальная пере планировка квартала, микрорайона или его части. Это связано с тем, что улицы ремонтируют довольно регулярно и здесь не так наглядны процессы осадки грунта. А вот на меж уличных участках они выражены более ярко. Во время дождей атмосферные воды стекают к зданиям. Часть водных потоков с улиц и переулков попадает на жилые территории.

Основным средством ликвидации последствий осадок является изменение системы водоотвода с этих территорий, с подсыпкой наиболее низких мест.

Не менее важен отвод воды от зданий. Другое дело неравномерные просадки под  фундаментами зданий. Они создают условия, когда нельзя дальше использовать естественные грунты качестве оснований. Здесь нет гарантий, что здание в перспективе будет находиться в стабильном состоянии. Поэтому прежде чем восстанавливать фундаменты, проводят мероприятия по укреплению грунтов.

Искусственные основания устраивают различными способами. Коренные

породы с кавернами и трещинами укрепляют, нагнетая в них растворы, а в  крупные пустоты - бетоны. Осадочные грунты закрепляют путем электрохимичecкoгo упрочнения, обжига, смолизации и силикатизации.

Электрохимическое упрочнение (электроосмос) основано на физико-химических процессах, протекающих при пропускании через переувлажненный глинистый грунт электрического тока. Под его воздействием происходит необратимая коагуляция глинистых частиц и их закрепление. Кроме того, грунт осушается и, следовательно, уплотняется. Этот метод требует большого расхода электроэнергии.

Обжиг грунта превращает его в камневидную массу обожженной породы. Обжиг применяют для закрепления лессовидных и пористых глинистых грунтов. Породу подвергают тепловой обработке путем нагнетания в скважину под давлением нагретого до 600-800. С воздуха или сжигания газообразного и жидкого топлива. В этом случае грунт обжигается в радиусе 1-1,5 м. Обжиг – это энергоемкое мероприятие. Расход топлива составляет 100 кг на 1 м длины скважины.

Смолuзацuя грунта заключается в его обработке синтетическими смолами, образующими прочные и стойкие кристаллические связи. Метод применяют для закрепления мелкозернистых грунтов при высоком уровне грунтовых вод. Закрепляющие компоненты (смолу и отвердитель) нагнетают в скважины под давлением до 1 МПа.

Сuлuкатuзацuей упрочняют песчаные и пылевидные грунты. Метод заключается в нагнетании химических растворов, которые вступают в реакцию между собой или солями, содержащимися в породе. В результате такой реакции образуется гель кремниевой кислоты, закрепляющий частицы.

В грунты, содержащие соли кальция и магния менее 0,6 мг-экв, нагнетают два раствора – силикат натрия NaSiO2 и хлористого кальция СаСI2. Если же грунты содержат указанные соли более 0,6 мг-экв, то применяют однорастворную силикатизацию. Нагнетают жидкое стекло NаSiO2. Давление, при котором нагнетают растворы, зависит от фильтрующей способности грунта. Чем ниже коэффициент фильтрации Кф, тем должно быть выше давление. При Кф меньше 0,1 м/сут применяют электросиликатизацию. Она отличается тем, что в процессе выполнения работ через грунт пропускают постоянный электрический ток. Он стимулирует перемещение раствора в массе породы. Ток подключают по принципу, изложенному для электроосмоса.

Цементацию грунтов применяют при крупнозернистой их структуре. Сущность метода заключается в инъекциях цементной суспензии, которая закрепляет частицы породы и этим увеличивает его прочность.

Зона закрепления вокруг скважины-инъектора зависит от гранулометрического состава грунта. Радиус проникновения суспензии колеблется в пределах от 0,3 до 15 м. Чем мельче песок, тем меньше радиус укрепленного основания.

Прочность цементированного грунта вблизи скважины достигает 2-3,5 МПа. По мере удаления от инъектора прочность убывает и в крайних слоях – не превышает 0,8-1 МПа. Расход цемента составляет 20-40% от объема закрепляемой породы.

В последнее время стали применять установки для укрепления грунтов основанные на методе  подаче под очень большим давлением, от 25 до 60 МПа, воздуха и цементной жидкости или раствора, а иногда и воды, поэтому назван методом водовоздушной струи. Использование в процессе воздуха и воды способствует активному разрыхлению породы, что обеспечивает лучшее проникновение цементного геля в ее толщу.

Этот метод позволяет укреплять грунты, создавать жесткие столбы диаметром от 0,8 до 2 м. Для столбов диаметром до 0,6 м применяют однотрубные системы (Рис. 10.9а). Цементную жидкость или раствор смешивают с воздухом и выбрасывают в виде пульпы через сопло с большой скоростью. При этом струе придают вращательное движение.

Рис. 10.9. – Водовоздушный метод уплотнения грунтов оснований

Под действием такой струи наносные породы разрыхляются в такой степени, что цемент проникает в их толщу, смешиваясь с частицами грунта. Если порода имеет крупнозернистую структуру, то достаточно подать цементную жидкость, но в мелкозернистых грунтах необходимо добавление песка, то есть подача раствора.

Последовательность закрепления грунта по высоте обеспечивают обратно поступательным вертикальным движением трубы с соплом. При этом скоростью движения задаются в зависимости от строения пород.

Для закрепления грунтов и создания столбов диаметром до 2 м применяют трехтрубную систему (Рис. 10.96). В ней воздух, воду и раствор подают отдельно. Высокоскоростная струя раствора в окружении воздуха обеспечивает стабилизацию грунта на расстоянии до 1 м от сопла. Трехтрубные системы применяют и для устройства тонких стенок-диафрагм (Рис. 10.9в).

Во всех случаях возможно глубокое закрепление пород, порядка 15-20 м от поверхности земли.

Прочность укрепленных столбов зависит от природы и состава пород. Чем больше водопроницаемость, тем выше прочность столба. Она может достигать 6-7 МПа в крупнозернистых песках и падать до 0,15-0,25 МПа в илистых и глинистых грунтах.

Усиление фундаментов зданий, расположенных на претерпевших деформацию основаниях, необходимо для восстановления монолитности и первоначальной прочности конструкций. Действенным средством омоноличивания стен ленточных фундаментов является заключение их в железобетонные обоймы-рубашки (Рис. 10.10 а,6). Их важно включить в совместную работу со старыми фундаментами. Для этого противоположные стенки обойм крепят между собой анкерами из арматурной стали или швеллерных и двутавровых балок. Одновременно с устройством рубашек восстанавливают выветрившуюся кладку старых фундаментов. В трещины и пустоты инъектируют цементный раствор. При обнаружении повреждений в нижних банкетах при6егают к их усилению продольными железобетонными балками. При необходимости это позволяет увеличить и площадь опоры на основание для улучшения передачи нагрузки на эти балки часто устанавливают поперечные контрфорсы (Рис. 10.10в).

Рис. 10. 10.  –  Разгрузка фундаментов на выносные опоры

В местах значительных деформаций зданий столбчатые фундаменты часто превращают в ленточные. Между столбами возводят железобетонную стенку (как показано на Рис. 10.10г). Ее сопрягают с существующими столбами, хомутами или анкерами. Если в старых конструкциях обнаружены следы выветривания или трещины, то их одевают в железобетонные обоймы.

В тех случаях, когда грунты оснований не в состоянии в полной мере воспринимать нагрузки от фундаментов, устраивают выносные сваи. Их выполняют висячими или опирают на залегающие глубоко твердые геологические породы, но во всех случаях эти сваи не забивают. Во избежании разрушений зданий от вибрации применяют метод вдавливания или метод воздушной струи.

Оголовки свай объединяют ростверком. Обеспечивают надежное сопряжение с существующим фундаментом. Для этого в специальные штрабы устанавливают рандбалки или закладывают жесткие обвязочные пояса  (Рис.10.11).

В деформированных из-за неравномерных осадок зданиях важно восстановить пространственную жесткость несущей коробки. При потери устойчивости стен и их отклонении от вертикали прибегают к устройству обвязочных поясов. Эти пояса рассчитывают на растягивающие усилия. Пояса устанавливают вертикально или горизонтально. Первый тип состоит из вертикальных швеллеров и тяжей из круглой стали. Швеллера накладывают на стены или утапливают в штрабы. Тяжи прокладывают в толще перекрытий. Нижний ряд устанавливают на уровне перекрытия над подвалом или обреза стен у фундаментов. Для включения в работу эти тяжи напрягают. Затягивают резьбовые соединения.

Рис. 10.11. – Пояса, усиливающие стеновой остов здания

Пояса второго типа – горизонтальные – делают замкнутыми. Их располагают в плоскости перекрытий и последовательно напрягают снизу вверх специальными муфтами. Применяют и электротермическое натяжение. Оно основано на том, что при нагреве металл удлиняется и пояса в этом положении закрепляют. При остывании их длина сокращается и обвязка, как обруч, плотно обтягивает стены.