Способ предотвращения деформаций фундаментов, возводимых на многолетнемерзлых грунтах

Способ предотвращения деформаций фундаментов, возводимых на многолетнемерзлых грунтах

Реферат

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), оттаивающих в период их эксплуатации.

Известен способ создания армированных подушек для фундаментов, когда для обеспечения их устойчивости и уменьшения осадок грунт армируется сетками и полосами из синтетических материалов (Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. - М.: Стройиздат, 1989. - 280 с., с.21). Ограниченность рассматриваемого способа применительно к сооружениям на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) заключается в недостаточной способности сеток и полос, ввиду их гибкости, распределить напряжения в грунте, вызванные нагрузкой от фундаментов, а также невозможности снизить деформации слоев грунта, вызванные оттайкой многолетнемерзлых грунтов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ увеличения несущей способности основания и снижения деформаций фундамента путем армирования оснований сетками из стальных стержней (см. "Влияние циклических нагрузок на развитие деформаций в армированном основании". Антонов В.М., Илясов Ю.А., Леденев В.В. Труды НГАСУ. Т.6, №5 (26).- Новосибирск, 2003. - 232 с., с.174-178).

В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующие:

- чрезмерно высокие величины осадок отдельных фундаментов;

- недопустимые величины неравномерности осадок фундаментов (согласно СНиП 2.02.01-83 - относительные разности осадок соседних фундаментов) вызванные различиями в глубинах оттаивания грунтов;

- значительные деформации армирующего элемента, вызванные его низкой изгибной жесткостью;

- невозможность исключения осадки ММГ вследствие отепляющего влияния здания и утечек из систем тепло-, водоснабжения и канализации.

Данный способ нельзя применять для строительства объектов на ММГ, особенно высокотемпературных, с допущением их оттаивания во время эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности защиты от деформаций фундаментов зданий за счет ликвидации развития неравномерных осадок грунтового основания, а также уменьшения глубины оттаивания грунтов.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах, включающем разработку котлована, засыпку его непучинистым материалом с введением в него армирующих элементов и установку фундаментов, армирующий элемент выполняют в виде жесткой железобетонной плиты, расположенной в слое уплотненного непучинистого материала, при этом расстояние от подошв фундаментов до верха плиты выбирают из условия равномерности передачи давления от фундаментов на плиту, при этом верхний слой плиты выполняют из теплоизоляционного материала с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирают в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве армирующего элемента, повышающего надежность и эффективность защиты деформаций фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, используют жесткую железобетонную плиту с теплоизолирующими слоем, имеющим уклоны, причем расстояние от подошв фундаментов до верха плиты назначают из условия равномерности передачи давлений на плиту, а жесткость плиты компенсирует изгибающие усилия, возникающие от неравномерных деформаций основания при его оттайке.

Способ строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах можно объяснить следующим образом. Согласно второму принципу устройства фундаментов на многолетнемерзлых грунтах в грунтах основания допускается полное или частичное оттаивание - предварительное или в период их строительства и эксплуатации. Оттаивание под зданием ММГ обычно происходит неравномерно - под краями оно запаздывает по сравнению с оттаиванием в середине. В основании формируется "чаша" оттаивания, и глубины зон оттаивания по площади, занимаемой зданием, будут неодинаковы. Форма и размеры "чаши" оттаивания на стадии проектирования определяются с помощью теплотехнических расчетов. При этом не учитываются изменения температурного режима многолетнемерзлых пород вследствие возможных утечек систем канализации, тепло- и водоснабжения. Инфильтрация воды техногенного происхождения в толщу многолетнемерзлых грунтов вызовет их неравномерную фильтрационную деградацию. Особенно это касается высокотемпературных ММГ, которые по сути образуют в основании сооружения термодинамически неустойчивый криогенный массив, чрезвычайно чувствительный к малейшему изменению естественного температурного режима. В этой связи, под отдельными фундаментами здания возникают значительные и неравномерные по величине дополнительные осадки, которые приводят к аварийным деформациям здания, препятствующим дальнейшей его эксплуатации. Для исключения таких деформаций между подошвами фундаментов здания и дном котлована вводится армирующий элемент в виде сплошной жесткой железобетонной плиты, которая обеспечивает комплексное решение следующих задач:

Перераспределение давлений, передаваемых фундаментами на основание. Это достигается путем подбора глубины заложения жесткого армирующего элемента - плиты, считая от подошв фундаментов с учетом расстояния между ними. Здесь основным условием является обеспечение равномерности передачи давлений от фундаментов на жесткую плиту с целью исключения или минимизации возможности возникновения изгибающих усилий. Другим положительным моментом введения в основание фундаментов жесткого армирующего элемента - плиты является повышение несущей способности грунтов основания и снижение осадок фундаментов, вызванных эксплуатационной нагрузкой от здания или сооружения.

Уменьшение до нормативных значений и менее осадок отдельных фундаментов, так и их неравномерности, вызванных оттаиванием слоев грунтового основания, расположенных ниже армирующего элемента. Это становится возможным за счет восприятия жестким армирующим элементом - плитой, деформаций, оттаивающих во время строительства и эксплуатации слоев ММГ, находящихся ниже армирующего элемента и обладающих разной сжимаемостью. Возможность восприятия изгибающих усилий, возникающих в армирующем элементе от неравномерных деформаций оттаявшего основания. Это происходит потому, что параметры жесткого армирующего элемента - плиты, например диаметр и характер расположения арматуры, подбираются заранее с учетом возможных неравномерных деформаций основания в период эксплуатации здания или сооружения.

Снижение теплового влияния здания на ММГ. Это обеспечивается за счет того, что верх плиты выполняют из теплоизоляционного материала с необходимыми по расчету параметрами теплопроводности и прочности на сжатие, например конструкционного пенобетона. Традиционно считается, что максимальные деформации плиты будут под средней частью здания, если сама возможность формирования "чаши" оттаивания полностью не исключена. Соответственно нижняя часть плиты при такой расчетной схеме будет работать на растяжение, а верхняя - на сжатие.

Исключение фильтрационной деградации ММГ вследствие возможных утечек из систем тепло- водоснабжения и канализации. С этой целью в процессе изготовления армирующего элемента - плиты ее верхняя часть устраивается с уклонами в противоположные стороны от середины. Такое конструктивное решение плиты позволяет удалять возможные утечки систем тепло- водоснабжения и канализации за пределы контура здания и тем самым устранять фильтрационную деградацию ММГ, находящихся непосредственно под зданием.

Таким образом, создание (введение) в слой уплотненного непучинистого материала армирующего элемента - плиты, обеспечивающей равномерную передачу давлений от фундаментов и восприятие изгибающих усилий от неравномерных деформаций оттаивающего основания, а также применение в верхней части плиты теплоизолирующего слоя и выполнение ее с уклонами является, с одной стороны, профилактическим средством минимизации теплового влияния здания на кровлю ММГ, а с другой стороны - способом исключения неравномерных осадок здания, вызванных возможным в процессе его эксплуатации оттаиванием ММГ. Реализация такого комплексного подхода позволит повысить надежность функционирования зданий и сооружений на ММГ. В отличие от прототипа, где допускается оттаивание ММГ в процессе эксплуатации здания и возникновение неравномерных деформаций основания, а также передача фундаментами этих деформаций на каркас здания, в заявленном способе такая возможность исключается или сведена к минимуму.

На чертеже показаны котлован 1, кровля ММГ 2, слой уплотненного непучинистого материала 3, жесткая плита 4, верхний теплоизолирующий слой плиты 5, песчано-гравийная подушка 6, фундаменты 7, отмостки 8. Способ осуществляется следующим образом:

- с целью минимизации отепляющего воздействия воздушной среды на кровлю ММГ 2 разработку котлована 1 начинают с началом периода промерзания грунтов;

- на дно котлована 1 укладывают с уплотнением слой непучинистого материала 3, играющего роль дренирующей прослойки при возможной фильтрации поровой воды из нижележащих водонасыщенных грунтов в процессе их уплотнения и оттаивания;

- определяют согласно расчету расстояние h от подошв фундаментов 7 до верха плиты 4, обеспечивающего равномерность передачи давлений на плиту 4 от фундаментов 7. Для этого используют справочные данные по углу α распределения давлений от фундаментов 7;

- на слое непучинистого материала 3 устанавливают опалубку, арматурный каркас и производят бетонирование жесткой плиты 4, при этом ее верхний слой 5 выполняют из теплоизолирующего материала с необходимыми для прочности механическими свойствами, например из конструктивного пенобетона, обеспечивая при этом необходимые уклоны i верха плиты;

- поверх плиты 4 до отметки подошв фундаментов 7 производят послойную укладку с уплотнением непучинистого материала, например песчано-гравийного, для устройства подушки 6;

- после формирования песчано-гравийной подушки 6 производят монтаж или изготовление на месте фундаментов 7, с необходимыми мероприятиями по их гидроизоляции;

- обратные пазухи фундаментов 7 заполняют с уплотнением непучинистым материалом, например песчано-гравийным;

- для исключения попадания в обратные пазухи фундаментов 7 атмосферных осадков по периметру здания устраивают отмостки 8 из асфальтобетона.

В период эксплуатации здания верхний теплоизолирующий слой 5 плиты 4, выполненный с уклонами от ее центра к краям, снижает до минимума отепляющее влияние здания на кровлю ММГ 2, в том числе и фильтрационную деградацию ММГ, вызванную неизбежными утечками из систем тепло-, водоснабжения и канализации. Неравномерные деформации ММГ в случае допущения их частичного оттаивания будут восприниматься жесткой железобетонной плитой 4.

В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:

- в возможности уменьшения абсолютных осадок отдельных фундаментов до величин, регламентированных нормами;

- в возможности выравнивания деформаций в области грунтового основания, расположенной ниже армирующего элемента;

- в возможности исключения недопустимой неравномерности осадок фундаментов здания, вызванных различиями в глубине самооттайки грунтов и их сжимаемости;

- имеется достаточная изгибная жесткость армирующего элемента в целом по отношению к возникающим в нем изгибающим моментам (усилиям) от неравномерных деформаций оттаявшего основания;

- имеется достаточная распределительная способность армирующего элемента по отношению к действующим в грунтовом основании напряжениям;

- в возможности уменьшить тепловое влияние здания на многолетнемерзлый грунт (ММГ);

- в возможности изоляции ММГ в пределах контура здания от утечек систем тепло-, водоснабжения и канализации.

Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах, включающий разработку котлована, засыпку его непучинистым материалом с введением в него армирующих элементов и установку фундаментов, отличающийся тем, что армирующий элемент выполняют в виде жесткой железобетонной плиты, расположенной в слое уплотненного непучинистого материала, при этом расстояние от подошв фундаментов до верха плиты выбирают из условия равномерности передачи давления от фундаментов на плиту, при этом верхний слой плиты выполняют из теплоизоляционного материла с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирают в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.