ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК E02D27/01 E02D27/35 

Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах.

Известен фундамент, включающий размещенную на грунте плиту с вкладышем на безопорном участке ее площади, обращенной к грунту, причем вкладыш выполнен из теплоизоляционного материала и размещается также за пределами площади фундамента, а нагрузка от фундамента на грунт передается через несущие элементы, например, сваи ("Стальные сваи ТТ40, ТТ50, ТТ60 и ТТ70". Проспект RTG (16)-32615 Фирмы "Суомен Теряспаалутус", 1991)
Недостаток фундамента состоит в том, что вкладыш выполняет только функции теплоизоляции грунта под фундаментом и не используется для передачи нагрузки на грунт, что увеличивает материалоемкость фундамента.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформаций материала выступов (SU 1539211, МКИ 4 E 02 D 27/01 "Фундамент на естественном основании").

Недостаток фундамента - прототипа состоит в невозможности устройства его на промерзающих пучинистых грунтах выше расчетной глубины промерзания.

Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов и передачи нагрузки по всей поверхности фундамента, чем обеспечивается сокращение объемов земляных работ и материалоемкости фундамента.

Поставленная цель достигается тем, что в фундаменте на промерзающем грунте, включающем жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформации материала выступов, согласно изобретению, вкладыши в штрабах выполнены из теплоизоляционного материала, например, пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб принимается из условий:
- давление на грунт по нижней поверхности выступов P_вс должно быть не менее величины нормального давления морозного пучения грунта P_норм
P_вс ≥ P_норм (1)
- давление на грунт по нижней поверхности вкладышей P_вк должно быть не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие R_сж.

P_вк ≤ R_сж (2)
- осадка фундамента, вычисляемая с учетом сжимаемости вкладышей в штрабах S, не должна превышать нормируемой предельной допустимой для фундамента осадки S_пред.

S ≤ S_пред (3)
Кроме того, согласно изобретению, площадь штраб со вкладышами A_вк может быть принята равной общей площади фундамента A
A_вк = A (4)
Толщина вкладыша в штрабах H_вк устанавливается по теплотехническому расчету из условия недопущения промораживания грунта через тело фундамента в пределах вкладышей. При этом начальная толщина вкладыша H_вк должна быть увеличена на величину сжатия вкладыша при последующем приложении нагрузки.

В предлагаемом фундаменте промораживание становится возможным только через тело выступов. Устойчивость фундамента при действии нормальных сил морозного пучения в промерзающем грунте обеспечивается тем, что передаваемое на грунт давление в пределах выступов P_вс принимается таким, чтобы оно было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта P_норм. Это требование отражает условие (1). Известно, что при давлении по подошве фундамента, превышающем P_норм, деформации пучения не проявляются.

Одновременно давление на грунт в пределах вкладышей в штрабах P_вк не должно превышать расчетного сопротивления материала вкладышей R_сж, чем в соответствии с условием (2) обеспечивается требование прочности материала вкладышей.

Наличие вкладышей в штрабах фундамента, выполняемых, как правило, из более сжимаемого, чем у фундамента, материала, предопределяет образование осадки фундамента, превышающей среднюю осадку сплошного фундамента без учета сжимаемости вкладышей, вычисленную в предположении опирания его непосредственно на грунт S_ср. Поэтому условие (3) определяет S_ср. Поэтому условие (3) определяет требование проверки возможной осадки фундамента с учетом сжимаемости материала вкладышей.

В предельном случае возможна ситуация, когда при выполнении условий (2) и (3) суммарная площадь штраб со вкладышами A_вк может быть согласно условию (4) принята равной общей площади фундамента A. При этом фундамент превращается в жесткое тело с плоской подошвой и со сплошной теплоизолирующей прокладкой между грунтом и подошвой фундамента, через которую нагрузка, действующая на фундамент, передается на грунт.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - сокращения объемов земляных работ и материалоемкости фундамента за счет обеспечения возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов и передачи нагрузки по всей поверхности фундамента - как через тело выступов, так и через тело вкладышей.

При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны.

Не выявлены также признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.

Существо изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен теплоизолированный фундамент, нагруженный нагрузкой N и заглубленный в грунт на глубину D, на фиг. 2 изображены эпюры распределения давлений на грунт по его подошве.

Фундамент (фиг. 1) включает жесткое тело 1, выполненное из железобетона, с выступами 2 и штрабами 3 со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами 4 из пенополистирола, размещенного в штрабах 3 и на некотором удалении за пределы фундамента 5. Вкладыши 4 имеют модуль деформации E_вк, отличный от модуля деформации материала выступов 2 - железобетона, и защищаются от воздействия подземных вод, например, путем обмазки горячим битумом.

Для примера, иллюстрирующего существо изобретения, приняты следующие исходные данные:
- нагрузка на фундамент (с учетом его веса) N = 1100 кН;
- площадь подошвы фундамента (длиной L = 2,5 м и шириной B = 2,0 м) A = 5,0 м²;
- среднее давление на грунт по нижней поверхности фундамента в целом P_ср = 0,22 МПа;
- глубина заложения фундамента D = 0,50 м;
- модуль деформации материала вкладышей 3 в штрабах 2 (пенополистирола) E_вк = 1 МПа;
- расчетная толщина вкладышей 3 H_вк = 0,1 м;
- расчетное сопротивление пенополистирола R_сж = 0,2 МПа;
- расчетная глубина промерзания грунта D_f = 1,9 м;
- нормальное давление морозного пучения P_норм = 0,3 МПа;
- расчетное сопротивление грунта R_гр = 0,32 МПа;
- средняя осадка сплошного фундамента без учета сжимаемости вкладышей S_ср = 2,89 см;
- коэффициент жесткости грунтового основания (отношение P_ср/S_ср) K_о = 7,61 МПа/м
Для выбора рационального соотношения α = A_вс/A площадей выступов 2-A_вс к общей площади фундамента A выполнены вычисления давлений на грунт по нижней поверхности выступов 2-P_вс и вкладышей 4-P_вк, а также возникающих осадок фундамента с учетом сжимаемости вкладышей 4 S. Вычисления выполнены по формулам:



Результаты вычислений при различных значениях относительной площади выступов (α) представлены в таблице.

Из таблицы следует, что оптимальным является соотношение α = A_вс/A, равное 0,3 и отмеченное звездочкой ^*). При этом наибольшее давление на грунт по нижней поверхности выступов P_вс = 316 кПа не превышает расчетного сопротивления грунта R_гр = 320 кПа, а также выполняются условия, определенные формулами:
(1): P_вс = 316 > P_норм = 300 кПа;
(2): P_вк = 179 < P_сж = 200 кПа;
(3): S = 4,14 < S_пред = 10 см
Размеры фундамента, приведенные на фиг. 1, обеспечивают указанное соотношение α = A_вс/A = 0,3..

Распределение давлений по подошве фундамента при принятом значении α = 0,3 показано на фиг. 2 в виде эпюр, 6 - давление по поверхности вкладышей P_вк, 7 - давление по поверхности выступов P_вс, 8 - среднее давление по поверхности фундамента в целом P_ср.

Таким образом, предъявляемые требования к проектированию фундаментов в рассмотренном примере удовлетворяются.

Преимущества предлагаемого решения фундамента на промерзающих пучинистых грунтах состоят:
- по сравнению с фундаментом - аналогом (1) - в обеспечении возможности передачи нагрузки на грунт не только через несущие элементы, но также непосредственно через вкладыши, материалоемкость фундамента в рассмотренном примере уменьшается, в частности, за счет отказа от применения несущих элементов (например, свай);
- по сравнению с фундаментом - прототипом (2) - в обеспечении возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов; в рассмотренном примере уменьшение глубины заложения с 1,9 м до 0,5 м приводит к сокращению объемов земляных работ в 7 раз (с 50 до 7 м³) и объема бетона в 1,8 раза (с 3,96 м³ до 2,16 м³). Кроме того, в рассматриваемом примере отношение суммарной ширины штраб к полной ширине фундамента составило 1,6/2,0 = 0,8 (см. фиг. 2), что выходит за пределы диапазона 0,5...0,7, указанного в фундаменте-прототипе (2). В соответствии с предлагаемым изобретением это отношение в пределе может быть увеличено до 1.

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах. Технический результат заключается в обеспечении возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов и передачи нагрузки по всей поверхности фундамента, чем обеспечивается сокращение объемов земляных работ и материалоемкости фундамента. Теплоизолированный фундамент на промерзающем грунте включает жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформации материала выступов, причем вкладыши в штрабах выполнены из теплоизоляционного материала, например пенополистирола. Соотношение площадей выступов и штраб принимают таким, чтобы давление, передаваемое на грунт по нижней поверхности выступов, было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта. Одновременно должна быть обеспечена прочность теплоизолирующего материала, а осадки фундамента должны определяться с учетом повышенной сжимаемости теплоизолирующего материала. В частном случае, когда давление на грунт не превышает прочности теплоизолирующего материала, площадь штраб со вкладышами принимается равной общей площади фундамента. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформации материала выступов, отличающийся тем, что вкладыши в штрабах выполнены из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб принимается из условий: давление на грунт по нижней поверхности выступов P_вc должно быть не менее величины нормального давления морозного пучения грунта P_норм
P_вс≥P_норм;
давление на грунт по нижней повeрхности вкладышей P_вк должно быть не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие R_сж,
P_вк≤R_сж;
осадка фундамента, вычисляемая с учетом сжимаемости вкладышей в штрабах S, не должна превышать нормируемой предельно допустимой для фундамента осадки S_пред,
S≤S_пред. 2. Фундамент по п.1, отличающийся тем, что площадь штраб со вкладышами A_вк принимается равной общей площади фундамента А,
A_вк = А.