N4, 2001

Усиление основания башни Хуцю методом инъекции

Чжао Маоцай, А.Б. Фадеев. УДК624.138

Чжао Маоцай—доктор технических наук, доцент Харбинского промышленного университета и заведующий кафедрой геотехники строительного института  при Северо-восточном лесном университете КНР.

Основные направления научной деятельности—реконструкция зданий и автомобильных дорог в сложных инженерно-геологических условиях, экспериментально-теоретические и технологические исследования по усилению оснований и фундаментов, геотехнические расчеты. Автор 15 опубликованных работ, в том числе 1 изобретения.

Фадеев Александр Борисович— доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор Санкт-Петербургский государственного архитектурно-строительного университета, зам. председатель ГЭКК ОФиПС при Администрации Санкт-Петербурга.

Основные направления научной деятельности—фундаментостроение, подземные сооружения, численные методы в геотехнике.Автор свыше 150 опубликованных работ.

Введение

Проблема сохранения архитектурных памятников в последнее время приобрела в КНР особую актуальность в связи с тем, что большинство культовых сооружений древнекитайской архитектуры обветшали  из-за недостаточного к ним внимания в течение длительного времени. Разрушение памятников в большинстве случаев связано с деформациями грунтового основания, в том числе вызванными ошибочными методами реконструкции, поэтому большое внимание ныне уделяется изысканию методов усиления оснований и изучению влияния проводимых инженерных робот.

Рис.1. Башня Хуцю в городе  Шучжо

Башня Хуцю в городе  Шучжо (рис.1) была построена в 959-961 гг. В 1963 г. она включена в список  объектов, охраняемых государством. Башня представляет собой семиэтажное сооружение с 8 углами в плане диаметром 13,68м,  высотой 47,50м и весом 63000кН. Башня опирается на двенадцать кирпичных столбчатых фундаментов, расположенных по периметру двух  кольцевых стен башни (под внутренней стеной четыре фундамента, под внешней -  восемь).

В 1957 г. был обнаружен крен башни с отклонением ее верха от вертикали на 1,7м, но этому факту не было уделено необходимого внимания и был проведен капитальный ремонт  башни, при котором ее вес возрос примерно на  2000кН. Следствием увеличения веса явилось возрастание крена и к 1987г величина отклонения ее верха достигла 2,30м.

Центр тяжести башни при этом отклонился от оси на 0,924м. В столбах-фундаментах по северо-восточной стороне башни, куда направлен крен, появилось несколько трещин преимущественно субвертикального направления. Анализ показал, что часть  фундаментов  и их оснований вышли в предельное состояние.

Анализ причин крена башний

Геологическое строение основания башни по данным изысканий представлено на рис. 2. С поверхности повсеместно залегают насыпные песчаные грунты с включениями строительного мусора мощностью от 0,5м до 1,2м. Слой мощностью до 4,0м,  расположенный под насыпным грунтом, представлен рыхлым галечником с высокой пористостью (большими полостями). Ниже залегают суглинки с включениями щебня от мягкопластичной до тугопластичной консистенции мощностью от 1,0 м до 5,5 м. Суглинок подстилается плотным элювием мощностью от 0,0м до 7,0м. Ниже залегает гранит.

Рис.2. Геологическое строение основания башни

Очевидно, что главной причиной крена и развития трещин в фундаментах башни является неравномерная сжимаемость основания по периметру башни и увеличение нагрузки при реконструкции.

Способ усиления основания

Усиление основания было выполнено в два этапа: сначала была устроена кольцевая стенка в грунте, затем грунты основания закреплены методом инъекции.

Для полного исключения деформаций и бокового расползания башни во время  инъекции и для исключения вытекания инъекционного раствора было рассмотрено четыре варианта устройства  кольцевой защитной стенки в грунте вокруг башни.

1.Погружение шпунта.

2.Устройство железобетонной стены в траншее, откопанной грейфером под глинистым раствором.

3. Стена в грунте в виде секущихся свай, изготовленных по струйной технологии.

4. Стена в грунте в виде соприкасающихся столбов, изготовленных во вручную выкопанных шурфах.

Первый вариант в данных условиях неприемлем из-за наличия 1,0-5,5-метрового слоя галечника, сквозь который погружение шпунта проблематично. Выполнение работ по второму варианту может оказать отрицательное влияние на основание башни действием вибрации при откопке траншеи и размягчения грунта глинистым раствором. В третьем варианте струя может вызвать временное снижение прочности грунта. В итоге был реализован последний вариант по схеме, приведенной на рис.3. Всего было изготовлено 44 соприкасающихся столба диаметром 1,4 м, заглубленных в гранит на 0,5 м. По мере откопки каждого шурфа в нем через 0,8 м по глубине устраивалось железобетонное защитное кольцо (рис.4). После откопки каждого шурфа до проектной отметки он заполнялся бетоном. По головам столбов устроен армированный пояс высотой 0,45м.

Рис.3. Стенка из соприкасающихся столбов и инъекционные скважины

Рис.4. Конструкция столба

Усиление основания методом инъекции было выполнено после устройства кольцевой стены в грунте. Сухим бурением в зоне защитного кольца была пройдена 161 скважина диаметром 0,11м и длиной внутри породы 0,5м, в том числе 145 вертикальных и 16 наклонных под фундаментами башни. Количество скважин в зоне крена на 25 штук больше, чем с противоположной стороны (табл.1).

После бурения в скважину вводилась трубка-инъектор, верхняя часть которой была герметизирована в грунте быстротвердеющим  цементным раствором. Давление инъекции составляло не выше 150 кПа под башней и 300 кПа вокруг башни. Инъекционный раствор (табл.2) принимался состава 2 или 3 для более пористых грунтов, а для более плотных - состава 1.

Табл.1. Последовательность инъецирования скважин

Табл.2. Состав инъекционных растворов

Все работы были выполнены в течение 1987-1988 гг. Наблюдения свидетельствуют об отсутствии деформаций башни во время ведения работ и в последующие годы.

Выводы

1. При реконструкции архитектурных памятников необходима геотехническая диагностика причин повреждений.

2. Защитная кольцевая стенка надежно страхует объект при инъецировании его основания.

3. Опыт устройства стенки в виде вручную изготовленных соприкасающихся столбов свидетельствует об эффективности такой конструкции в условиях, когда применение других методов (погружение шпунта, откопка  траншеи землеройными механизмами, использование высоконапорной струи) по каким-либо причинам ограничено.