ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ Российский патент 2004 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 на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформаций материала выступов (SU 1539211, МКИ⁷ Е 02 D 27/01. Фундамент на естественном основании).

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

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 вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например из пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, рядом с фундаментом (RU 2135693, МКИ⁷ Е 02 D 27/01, 27/35, Теплоизолированный фундамент).

Недостаток фундамента-прототипа состоит в его недостаточной теплоизолирующей способности для целей защиты грунтов от промерзания.

Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания и снижения материалоемкости, в частности, за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя фундамента и сокращения объемов земляных работ.

Поставленная цель достигается тем, что в фундаменте на промерзающем грунте, включающем жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, рядом с фундаментом, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента.

Кроме того, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, причем относительная площадь β=A_пр.вк./А₀ прерывистых вкладышей принимается из соотношения

β≤1-σ_max/R,

где А_пр.вк. - площадь сечения прерывистых вкладышей, м²;

A₀ - площадь сечения фундамента брутто в месте установки вкладышей, м²;

σ_mах - максимально напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, кПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, кПа.

Толщина вкладыша в штрабах h_вк устанавливается по теплотехническому расчету из условия недопущения промораживания грунта через тело фундамента в пределах вкладышей. В результате в предлагаемом фундаменте промораживание становится возможным только через тело выступов. Из теплотехнических расчетов следует, что при установке крайних рядов штраб с вкладышами со стороны каждого наружного края фундамента тепловой поток из грунта существенно уменьшается по сравнению с фундаментом-прототипом.

Эффективность теплозащиты возрастает, если верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента.

Устойчивость фундамента при действии нормальных сил морозного пучения в промерзающем грунте обеспечивается тем, что передаваемое на грунт давление в пределах выступов p_вc принимается таким, чтобы оно было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта p_n,f. Известно, что при давлении по подошве фундамента, превышающем p_n,f деформации пучения не проявляются.

Очевидно, что давление на грунт в пределах вкладышей в штрабах p_вк не должно превышать расчетного сопротивления материала вкладышей R_сж, а осадка фундамента S_cp, вычисленная с учетом повышенной сжимаемости вкладышей, - величины нормируемой предельно допустимой осадки S_u.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - более эффективную по сравнению с фундаментом-прототипом защиту пучинистых грунтов от промерзания и снижение материалоемкости за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя за пределами фундамента, сокращение объемов земляных работ.

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 ленточный фундамент, нагруженный линейной нагрузкой n и заглубленный в грунт на глубину d; на фиг.2 - сечение 1-1; на фиг.3 - расчетная схема и эпюры распределения давлений по подошве фундамента.

Фундамент (фиг.1, 2) включает жесткое тело 1, выполненное из железобетона, с выступами 2 и штрабами 3 со стороны, обращенной к грунту, вкладышами 4 из пенополистирола, размещенными в штрабах 3, и дополнительный утеплитель 5, размещенный за пределами фундамента 1. Верхние участки дополнительного утеплителя 5, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущены в виде прерывистых вкладышей 6 через тело фундамента 1 и соединены с верхними участками дополнительного утеплителя 5, размещенными с противоположной стороны фундамента 1.

Для примера, иллюстрирующего существо изобретения, приняты следующие исходные данные:

- нагрузка на 1 м длины (1=1.0 м) фундамента 1: n=350 кН/м;

- ширина подошвы фундамента 1: b=2.0 м, верхней его части b₀=0.5 м;

- площадь подошвы фундамента 1: А =1b=1.0 м²/м;

- площадь фундамента 1 брутто в сечении, где установлены прерывистые вкладыши 6: A₀=1b₀=0.5 м²/м;

- длина прерывистых вкладышей 6: l₀=0.4 м, ширина b₀=0.5 м, расстояние между ними с=0.5 м;

- среднее давление по подошве фундамента 1: p_cp=n/A=175 кПа;

- глубина заложения фундамента 1: d=0.50 м;

- модуль деформации вкладышей 3 (пенополистирола): Е_вк=1.0 МПа;

- расчетная толщина вкладышей 3: H_вк=0.1 м;

- расчетное сопротивление пенополистирола вкладышей 3: R_сж= 150 кПа;

- расчетная глубина промерзания грунта: d_f=1.9 м;

- нормальное давление морозного пучения: p_n,f=200 кПа;

- расчетное сопротивление грунта: R_гp=220 кПа;

- осадка фундамента 1 без учета сжимаемости вкладышей: S_cp=4.5 см;

- коэффициент жесткости основания: К₀=p_cp/S_cp=3.89 МПа/м.

Для выбора рационального соотношения α=А_вс/А площадей выступов 2 к общей площади фундамента 1 выполнены вычисления давлений на грунт по нижней поверхности выступов 2 - р_вс и вкладышей 4 - р_вк, а также возникающих осадок фундамента 1 - S с учетом сжимаемости вкладышей 4. Вычисления выполнены по формулам:

p_вс=p_ср(Е_вк+К₀h_вк/(Е_вк+αК₀h_вк);

p_вк=p_срЕ_вк/(E_вк+αК₀h_вк);

S=S_срp_вс/p_ср.

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

Из таблицы следует, что оптимальным является соотношение α=0.5, отмеченное звездочкой. При этом наибольшее давление на грунт по нижней поверхности выступов 2 - р_вс=203 кПа не превышает расчетного сопротивления грунта R_гp=220 кПа, а также выполняются условия, определенные ограничительной частью формулы изобретения:

р_вс=203>р_n,f=200 кПа;

р_вк=147<R_сж=150 кПа;

S=5.23<S_u=10.0 см.

Проверка возможности устройства прерывистых вкладышей 6:

β≤1-σ_max/R: 0.44<1-1260/5200=1-0.24=0.76,

где β=А_пр.вк/А₀=0.2/0.45=0.44;

А_пр.вк.=l₀b₀=0.4-0.5=0.2 м² - площадь сечения прерывистых вкладышей 6;

A₀=(l₀+с)b₀=(0.4+0.5)0.5=0.45 м² - площадь сечения фундамента 1 брутто в месте установки прерывистых вкладышей 6;

σ_mах=n(l₀+с)/(сb₀)=350(0.4+0.5)/(0.5-0.5)=1260 кПа – максимальное напряжение в материале фундамента 1 от внешних нагрузок;

R=R_b=5.2 МПа=5200 кПа - расчетное сопротивление бетона.

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

На фиг.2 показано положение и размеры прерывистых вкладышей 6;

на фиг.3 - размеры фундамента и распределение давлений по подошве фундамента 1 при принятом значении α=0.5 в виде эпюр: поз. 7 - давление по поверхности вкладышей 4 (p_вк), поз. 8 - давление по поверхности выступов 2 (р_вс), поз. 9 - среднее давление по поверхности фундамента 1 в целом (р_ср).

Кроме того, из теплотехнического расчета, выполненного по программе “НЕАТ-ПТФ”, следует:

- при выполнении крайних рядов штраб 3 с вкладышами 4 со стороны каждого наружного края фундамента 1 ширина дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента 1 уменьшается с 0.8 до 0.4 м с каждой из сторон; соответственно на 40% уменьшается объем земляных работ;

- в случае, когда верхний край дополнительного утеплителя 5, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента 1 пропущен в виде прерывистых вкладышей 6 через жесткое тело фундамента 1 и соединен с дополнительным утеплителем 5 противоположного наружного края фундамента 1, ширина дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента уменьшается до 0.20 м, а объем земляных работ - на 55%.

Преимущества предлагаемого решения теплоизолированного фундамента на промерзающих пучинистых грунтах состоят:

- по сравнению с фундаментом-аналогом - в обеспечении возможности заложения фундамента 1 выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов;

- по сравнению с фундаментом-прототипом - в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания и снижения материалоемкости, в частности, за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента 1 и сокращения объемов земляных работ.

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах. Фундамент на промерзающем грунте включает жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, вкладышами в штрабах фундамента, выполненными из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие. Фундамент также содержит дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента. Новым является то, что крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента. 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. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента, отличающийся тем, что крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента.2. Фундамент по п.1, отличающийся тем, что верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, причем относительная площадь β=А_{пр. вк}/А₀ прерывистых вкладышей принимается из соотношения

β≤1-ς_max/R,

где А_пр.вк - площадь сечения прерывистых вкладышей, м²;

А₀ - площадь сечения фундамента брутто в месте установки вкладышей, м²;

ς_мах - максимальное напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, МПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, МПа.