ОТАПЛИВАЕМОЕ МАЛОЭТАЖНОЕ ЗДАНИЕ С ПОЛОМ ПО УТЕПЛЕННОМУ ЦОКОЛЬНОМУ ПЕРЕКРЫТИЮ, ВОЗВОДИМОЕ НА ПУЧИНИСТОМ ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2008 года по МПК E02D27/35 

Изобретение относится к строительству, в частности к строительству отапливаемых малоэтажных (до двух этажей) зданий на пучинистых грунтовых основаниях.

Известны устройства малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах в зарубежных странах, приведенные в работе [1]. Там в пределах обратных засыпок применяются дренируемые непучинистые грунты с отводом грунтовых вод дренажными трубами, а основания фундаментов для исключения промерзания пучинистых грунтов утепляются экструдированным пенополистиролом. Такое решение требует применения большого количества непучинистых материалов для обратных засыпок, наличие системы дренажной канализации и высококачественного экструдированного утеплителя, выдерживающего давления до 300-400 кН/м² с более высокой ценой по сравнению с другими утеплителями. Из-за дороговизны такие фундаменты не получили большого распространения в суровых природно-климатических условиях России.

Наиболее близкими по своей сущности (без утепления) и достигаемому техническому результату является малоэтажное отапливаемое здание, размещаемое на пучинистых грунтах в соответствии с рекомендациями [2]. Согласно [2] малоэтажное отапливаемое здание с полом по утепленному цокольному перекрытию состоит: из малозаглубленных фундаментов под наружные и внутренние стены, армированные продольной и поперечной арматурой от изгибающего момента, возникающего при неравномерном морозном пучении грунта основания в продольном направлении под фундаментами, при этом боковые поверхности последних для обеспечения их неподвижности от касательных сил морозного пучения обмазаны противопучинистыми составами, из наружных и внутренних стен, имеющие железобетонные пояса для восприятия неравномерных деформаций основания, цокольное перекрытие, перекрытие над первым этажом, покрытие и кровлю. Основными недостатками такого отапливаемого малоэтажного здания на малозаглубленных фундаментах, расположенных на пучинистых грунтовых основаниях является: невозможность обеспечения допустимого крена перекрытия между наружной и внутренней стенами [3] из-за опирания наружных фундаментов со стенами на пучинистый грунт, а внутренних стен на непучинистый сжимаемый грунт; допустимого прогиба внутренней стены, связанного по торцам с наружными стенами, подвергающимися морозному выпучиванию; необходимость защиты боковых поверхностей наружных стен от воздействия касательных сил морозного пучения; из-за невозможности определения величины выпучивания фундаментов от касательных сил морозного пучения, что противоречит самой идее расчета малозаглубленных фундаментов на морозное выпучивание, принятой [2]; неучет дополнительного увеличения продольной и поперечной арматуры в наружных фундаментах от совместного воздействия изгибающих и крутящих моментов и конструктивное решение поперечного армирования в соответствии с указаниями [5] и, наконец, ограниченность применения отапливаемого здания с полом по утепленному цокольному перекрытию для климатических зон с глубиной сезонного промерзания не более 1,7 м, исходя только из наличия данных натурных исследований деформации малоэтажных зданий для этих климатических условий, отсутствием оборудования для определения относительной деформации морозного пучения от давления, отсутствием исследований по распределению давления от фундамента по глубине промерзания.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении допустимых значений крена пола и прогиба внутренней стены согласно требований [3], обеспечения прочности и трещиностойкости наружных фундаментов на изгиб с кручением согласно указаний [5] и снижение стоимости и трудоемкости строительства по сравнению с фундаментами на естественном основании согласно указаний [3] при неограниченной глубине сезонного промерзания грунтов, т.е. для любой глубины промерзания не только на территории России, но и на территории других стран, где имеются сезоннопромерзающие пучинистые грунты.

Указанный технический результат достигается за счет того, что наружные фундаменты устанавливаются непосредственно на поверхности пучинистого грунта, а внутренние стены размещаются в поперечном направлении к наружным продольным стенам шагом, по крайней мере не более 7,2 м и опираются на наружные фундаменты по балкам. Для уменьшения изгибающих моментов в балках максимальная длина поперечных внутренних стен принимается по крайней мере, не более 9 м (см. Фиг.1 и 2), исключается боковая защита наружных фундаментов противопучинистыми конструкциями, т.е. допускается морозное выпучивание фундаментов от сил морозного пучения по боковой поверхности, так как касательные силы морозного пучения, действующие по боковым поверхностям фундаментов, заменяются на идентичные (по силе) нормальные силы морозного пучения, согласно [6], что позволяет определить величину выпучивания фундаментов от пучинистых грунтов обратной засыпки, согласно [7], а величина пучения определяется расчетом [7]; продольное и поперечное армирование наружных фундаментов, работающих на изгиб с кручением выполняется в соответствии с указаниями [5] по ПК Лира 9.2, а значение крутящего момента определяется согласно Фиг.3 и [4] с учетом формы изолинии нулевой температуры под наружными фундаментами, получаемой при расчете по программе TEMP/W [1]; изгибающий момент, соответственно, площадь сечения растянутой арматуры в наружных фундаментах и поясах определяется по известным формулам [8]; наружные стены и простенки рассчитываются на внецентренное сжатие от крутящего момента в плоскости опирания стены на фундамент (см. Фиг.3), определяемого по формуле:

где M_kf - крутящий момент на 1 п.м. фундамента между поперечными стенами;

F_fh - равнодействующая сила морозного пучения на 1 п.м. фундамента, равная нагрузке на 1 п.м. фундамента от здания;

e_f - эксцентриситет, равный расстоянию от равнодействующей силы (F_fh) до плоскости поворота фундамента (АБ) (см. Фиг.3). Эпюра распределения напряжений от стены на поверхности фундамента принимается по треугольной форме (см. поз.12 Фиг.3). Для исключения трещин в стыках примыкания внутренних стен к наружным при осадке здания после оттаивания грунта основания, последние соединяются между собой железобетонными поясами на уровне низа плит покрытия, а площадь сечения растянутых стержней в поясе над внутренней стеной определяется по формуле:

где М_k - крутящий момент при осадке здания после оттаивания грунта основания равна (см. Фиг.3); кН·м на 1 п.м. длины фундамента между поперечными стенами:

где F - вес здания на 1 п.м. подошвы фундамента, кН;

е - расстояние от центра тяжести равнодействующей силы под подошвой фундамента до плоскости поворота последнего (АБ) (см. Фиг.3), м;

l - расстояние между поперечными стенами, м;

Rs - расчетное сопротивление металлических стержней в поясе кН/м²;

А_n - поперечное сечение стержней, м²;

Н - расстояние от низа подошвы фундамента до центра растянутого пояса, м.

Изобретение поясняется графически, где

- на фиг.1 показан схематический план наружных фундаментов и поперечных балок под внутренние стены;

- на фиг.2 показаны: 1 - наружный фундамент; 2 - балка под внутреннею стену; 3 - наружная стена; 4 - внутренняя стена; 5 - цокольное перекрытие; 6 - покрытие; 7 - железобетонные пояса; 8 - кровля; 9 - граница котлована под подпольем; 10 - граница сезонного промерзания грунтов в период эксплуатации здания; 11 - песчаная подушка;

- на фиг.3 показана расчетная схема взаимодействия малоэтажного отапливаемого здания с пучинистым грунтовым основанием: 1 - наружный фундамент; 2 - балка под внутреннею стену; 3 - наружная стена; 9 - граница грунта в подполье; 10 - граница промерзания грунта; 11 - песчаная подушка; 12 - эпюра от внецентренного сжатия наружной стены при повороте фундамента; 13 - граница твердомерзлого слоя грунта; 14 - обобщенная эпюра давления морозного пучения на фундамент; 15 - граница сдвига.

Предлагаемая конструкция отапливаемого малоэтажного здания с малозаглубленным фундаментом на пучинистом грунтовом основании работает следующим образом.

По мере промерзания пучинистого грунта происходит его смерзание с боковой поверхностью фундамента и образование твердомерзлого слоя грунта (ТСГ), который оказывает сопротивление морозному пучению ниже расположенного пластичномерзлого слоя грунта (ПСГ). В результате этого происходит сдвиг (ТСГ) под некоторым углом у края фундамента. По мере промерзания грунта под фундаментом образуются новые слои ТСГ и их разрушение давлением морозного пучения, конечная граница сдвига ТСГ (см. поз.15, фиг.3). Равнодействующая сила давления морозного пучения (F_fh), увеличивается по мере увеличения толщины ТСГ и его горизонтальной площади на 1 п.м фундамента и достигает своего максимального значения, равного весу здания на уровне подошвы фундамента и веса ТСГ, после чего начинается неравномерное перемещение фундамента вверх по длине и его поворот [4]. При этом на участке наружного фундамента между внутренними стенами происходит его кручение с изгибом, которому сопротивляется конструкция фундамента с соответствующей продольной и поперечной арматурой, принимаемой с учетом [8] и формулы (1). На верхней поверхности фундамента происходит внецентренное сжатие стены от поворота фундамента (см. эпюру поз.12, фиг.3), которое воспринимается конструкцией стены по расчету. Поворот наружной стены во внутрь здания на участке между внутренними стенами ограничивают цокольное, междуэтажное перекрытие и покрытие (см. Фиг.2).

Ввиду того, что площадь ТСГ увеличивается в сторону от наружной грани фундамента в процессе морозного пучения, происходит дополнительное уплотнение талого слоя грунта и его осадка в направлении от центра фундамента в сторону границы сдвига. В процессе оттаивания грунта фундамент поворачивается в сторону наружной грани и оседает, получая небольшой крен против первоначального положения (до промерзания грунта) за счет уплотнения талого грунта в процессе его промерзания. При этом происходит внецентренное сжатие стены на поверхности фундамента с максимальным значением напряжения сжатия по границе внутренней поверхности стены, которое воспринимает конструкция стены по расчету. При повороте фундамента наружная стена стремится оторваться от внутренней стены за счет крутящего момента, определяемого по формуле (2), которой препятствует монолитный железобетонный пояс, размещенный на поверхности внутренней стены под покрытием и связанный с монолитным поясом наружной стены на одном уровне (см. Фиг.2). Площадь сечения растянутой арматуры в поясе определяется по формуле (2).

Максимальная допустимая величина выпучивания наружных фундаментов ограничивается указаниями [3] и регулируется глубиной заложения фундамента или толщиной песчаной подушки под него.

Исключается устройство конструкции защиты боковой поверхности фундамента от выпучивания касательными силами морозного пучения.

Литература

1. Невзоров А.П. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М., Издательство Ассоциации строительных вузов, 2000 - 152 с.

2. Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. М.: НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, 1985. - 60 с.

3. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. М.: ГП ЦДЛ, 1995. - 50 с.

4. Абжалимов Р.Ш. Практические приложения гипотезы о распределении нормальных сил морозного пучения по подошве твердомерзлого грунта под фундаментами.//Промышленное и гражданское строительство. 2006, №2, с.38-40.

5. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М.: ГП ЦПП, 1996, 77 с.

6. Р.Ш.Абжалимов. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с боковой поверхностью малозаглубленного ленточного фундамента.//Промышленное и гражданское строительство. 2003, №3 - с.43-45.

7. Р.Ш.Абжалимов. К расчету свай и свайных ростверков на пучинистых грунтах.//Основания, фундаменты и механика грунтов. 2006, №2, - с.25-30.

8. Патент на изобретение №2206686, МПК Е04Н 5/100. Одноэтажный холодильник с камерами, возводимый на пучинистом грунтовом основании./Р.Ш.Абжалимов. Приоритет от 29.11.2001. // Опубл. 20.06.2003, Бюл., №17.

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству малоэтажных (не более 2-х этажей) отапливаемых зданий с малозаглубленными фундаментами на пучинистых грунтовых основаниях. Отапливаемое малоэтажное здание с полом по утепленному цокольному перекрытию, возводимое на пучинистом грунтовом основании, включает малозаглубленные фундаменты под наружные и внутренние стены, расположенные на песчаной подушке, площадь сечения продольной и поперечной арматуры, в которых определены с учетом изгибающего момента при неравномерном морозном пучении основания, железобетонные пояса. Фундаменты под внутренние стены, размещенные поперек наружных стен, выполнены в виде балок, опертых на наружные фундаменты, шагом не более 7,2 м и длиной не более 9,0 м, площадь продольной и поперечной арматуры в наружных фундаментах стен определяют с учетом крутящего момента по указанным зависимостям. При этом анкеровка наружных стен фундамента от поворота при оттаивании грунта основания осуществляется железобетонными поясами, уложенными на поверхность внутренних стен на уровне низа плит покрытия и соединенных с железобетонными поясами по наружным стенам на одном уровне, площадь сечения металлических анкерных стержней определяется по указанным зависимостям. Технический результат состоит в обеспечении допустимых значений крена пола и прогиба внутренней стены, прочности и трещиностойкости наружных фундаментов на изгиб с кручением и снижении материалоемкости и трудоемкости. 3 ил.

Отапливаемое малоэтажное здание с полом по утепленному цокольному перекрытию, возводимое на пучинистом грунтовом основании, включающее малозаглубленные фундаменты под наружные и внутренние стены, расположенные на песчаной подушке, площадь сечения продольной и поперечной арматуры в которых определены с учетом изгибающего момента при неравномерном морозном пучении основания, железобетонные пояса, отличающееся тем, что фундаменты под внутренние стены, размещенные поперек наружных стен, выполнены в виде балок, опертых на наружные фундаменты, с шагом не более 7,2 м и длиной не более 9,0 м, площадь продольной и поперечной арматуры в наружных фундаментах стен определяют с учетом крутящего момента по формуле:

M_kf=F_fh·e_f;

где M_kf - крутящий момент на 1 п.м фундамента между поперечными стенами кН·м/м;

F_fh - равнодействующая сила морозного пучения, кН, равная нагрузке на 1 п.м под подошвой фундамента от здания;

e_f - расстояние от равнодействующей силы до плоскости поверхности фундамента, м,

анкеровка наружных стен фундамента от поворота при оттаивании грунта основания осуществляется железобетонными поясами, уложенными на поверхность внутренних стен на уровне низа плит покрытия и уровне, площадь сечения металлических анкерных стержней определяется по формуле:

;

где А_n - суммарная площадь анкерующих стержней в поясе, м²;

М_k - крутящий момент на 1 п.м фундамента при осадке здания после оттаивания грунта основания (кН·м/м), определяемый по формуле:

M_k=F·e;

где F - вес здания на 1 п.м подошвы фундамента, кН;

е - расстояние от центра тяжести равнодействующей силы под подошвой фундамента до плоскости внутренней поверхности фундамента, м;

l - расстояние между поперечными стенами, м;

R_S - расчетное сопротивление металлического стержня на растяжение, кН/м²;

Н - расстояние от низа подошвы фундамента до центра растянутого пояса, м.