Здание или сооружение, возводимое на пучинистых грунтах

 

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям легких зданий и сооружений для районов с глубоким сезонным промерзанием и интенсивным пучением грунтов. Технический результат - снижение воздействия сил морозного пучения на здание или сооружение с обсыпкой по периметру местным грунтом высотой не менее активной зоны пучения и шириной поверху не менее глубины промерзания. В нижней части плоскости контакта обсыпки с фундаментом устроен воздухонепроницаемый экран, а в основании здания имеется искусственная подушка, выполненная из дренирующего материала. Последняя расположена подошвой на спланированной поверхности строительной площадки и посредством объемного фильтра соединена с водоотводным каналом. Причем толщина подушки определена из соотношения, приведенного в тексте описания. 1 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям легких зданий и сооружений, возводимых на пучинистых грунтах.

Известен способ защиты фундаментов от воздействия касательных сил морозного пучения грунтов путем создания под отмосткой искусственной подушки, например, из шлака [1] Данное мероприятие имеет низкую надежность и долговечность, поскольку в нем не предусмотрены технические решения по осушению подушки и предотвращению ее кольматажа глинистыми частицами, поступающими с поверхностными (ливневыми, талыми и др.) водами. Эти недостатки обусловливают развитие касательных сил морозного пучения у боковой поверхности фундамента при промерзании подушки и в итоге приводят к разрушению здания или сооружения.

Известно также здание, возводимое на пучинистых грунтах, включающее подушку из щебня и водоотводную канаву.

Главный его недостаток заключается в отсутствии противокольматационной защиты подушки, что в конечном счете приводит к вышеуказанным последствиям.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является фундамент сооружения для устройства в пучинистых грунтах, включающий обсыпку его грунтом основания высотой не менее активной зоны пучения и шириной поверху не менее глубины промерзания [2] В данном изобретении в основу доказательства устойчивости такого фундамента положена концепция, заключающаяся в том, что вследствие искривления фронта промерзания в обсыпку (вогнутостью к фундаменту) горизонтальные силы морозного пучения, передаваемые на фундамент, очень малы, в связи с чем прочность смерзания грунта обсыпки с фундаментом незначительна. Таким образом, предполагается практически полное исключение воздействия сил морозного пучения грунта обсыпки на фундамент.

Основным недостатком этого технического решения является низкая его эффективность при формировании достаточного мощного и устойчивого снежного покрова вокруг сооружения в начале (в первой половине) зимы или при близком залегании относительно подошвы фундамента грунтовых вод. Эффективность мероприятия еще более снижается при сочетании этих условий.

В первом случае снег, являясь хорошим теплоизолятором, будет способствовать выравниванию глубины промерзания по ширине обсыпки. И тогда согласно вышеизложенной концепции такое развитие процесса приведет к формированию значительных горизонтальных и, как следствие, касательных сил морозного пучения у боковой поверхности фундамента. Последние при определенных условиях могут принимать значения, достаточные для выпучивания всего сооружения. Поверочные расчеты, произведенные по существующим методикам (см. Руководство по проектированию оснований зданий и сооружений (НИИОСП им. Н.П.Герсеванова. М. Стройиздат. 1977 376 с. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений) к СНиП 2.02.01 -83. М. Стройиздат. 1986 415 с.), показали, что при промерзании на глубину 1,3 м обсыпки из слабопучинистого грунта, выполненной вокруг здания с подвалом, образованным вследствие устройства обсыпки, касательная сила, действующая на 1 пог. м. длины фундамента, может составить 78 кН. Это в 4-5 раз больше предельных значений для типовых конструкций одноэтажных деревянных домов и почти в 1,5 раза для одноэтажных кирпичных зданий при толщине стены 0,64 м.

Таким образом, даже тогда, когда грунт, из которого выполнена обсыпка, характеризуется слабопучинистым состоянием, устройство обсыпки без дополнительных противопучинных мероприятий не является надежным гарантом устойчивости легких зданий и сооружений.

Надежность вышеуказанных конструкций еще более снижается при близком расположении относительно подошвы фундамента грунтовых или почвенно-грунтовых ("верховодки") вод. В этом случае резко увеличивается миграция воды в жидкой фазе к фронту промерзания, что приводит к значительному увеличению интенсивности пучения промерзания грунта обсыпки и, по меньшей мере, на ступень повышает степень пучнистости нижележащих слоев, находящихся пока еще в талом состоянии. Вследствие отмеченного характера протекания процесса повышается интенсивность поступления воды в парообразном состоянии в плоскость контакта твердомерзлого слоя грунта обсыпки с фундаментом. Здесь она конденсируется на бетоне и замерзает, вызывая вторичное смерзание твердомерзлого грунта с фундаментом. Это в итоге приводит к общему увеличению касательных сил морозного пучения, развивающихся на боковой поверхности фундаментной конструкции.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности здания или сооружения путем снижения действующих на него сил морозного пучения грунта обсыпки.

Это достигается тем, что в здании или сооружении, включающем надфундаментную конструкцию и фундамент с обсыпкой по периметру местным грунтом высотой не менее активной зоны пучения и шириной поверху не менее глубины промерзания, в нижней части плоскости контакта обсыпки с фундаментом устроен воздухонепроницаемый экран, а в основании обсыпки имеется искусственная подушка, выполненная из дренирующего материала и расположенная подошвой на уровне спланированной поверхности строительной площадки, причем подушка посредством объемного фильтра соединена с водоотводным каналом, устроенным вокруг здания или сооружения, а толщина ее определена из соотношения t_п≥h_к+l δ l где t_п толщина подушки из дренирующего материала; h_к высота капиллярного поднятия воды в материале подушки от водонасыщенного грунта естественного основания; l δ l абсолютная величина суммы точностей вертикальных планировок поверхностей строительной площадки и подушки, взятых с одноименными знаками.

Отличительными от "прототипа" признаками являются воздухонепроницаемый экран в плоскости контакта обсыпки с фундаментом; экран устроен в нижней плоскости контакта обсыпки с фундаментом; искусственная подушка из дренирующего материала в основании обсыпки; подушка расположена подошвой на уровне спланированной поверхности строительной площадки;
водоотводный канал;
канал устроен вокруг здания или сооружения;
подушка соединена с водоотводным каналом;
подушка соединена с водоотводным каналом посредством объемного фильтра;
толщина подушки больше или равна сумме высоте капиллярного поднятия воды в материале подушки с абсолютной величиной суммы точностей вертикальной планировки поверхностей строительной площадки и подушки, взятых с одноименными знаками.

Изложенное выше свидетельствует о том, что изобретение соответствует критерию "новизна".

Заявляемая совокупность отличительных признаков позволяет уменьшить воздействие сил морозного пучения грунта обсыпки на здание или сооружение. Это достигается в результате выполнения вышеуказанными признаками следующих функций.

Воздухонепроницаемый экран в теплый период года предотвращает кольматацию искусственной подушки в основании обсыпки глинистыми частицами, поступающими с поверхностными (талыми, ливневыми и т.п.) водами в плоскость контакта обсыпки с фундаментом. В зимнее время экран, расположенный в нижней части этой плоскости, предохраняет ее от проникновения воды в парообразном состоянии со стороны грунтовых вод и уменьшает тем самым возможность повторного смерзания твердомерзлого слоя грунта обсыпки с фундаментом.

Искусственная подушка из дренирующего материала при толщине ее больше или равной сумме высоты капиллярного поднятия воды в материале, из которого она состоит, с абсолютной величиной суммы точностей вертикальной планировки поверхностей строительной площадки и подушки, взятых с одноименными знаками, предотвращает миграцию грунтовых вод в жидкой фазе к фронту промерзания. В результате этого процесс морозного пучения грунта обсыпки приобретает затухающий характер, т.е. пучение протекает в условиях, близких к закрытой морозоопасной системе.

Расположение подошвы подушки на уровне спланированной поверхности строительной площадки исключает возможность ее кольматации глинистыми частицами, поступающими с поверхностными водами в водоотводной канал, и обеспечивает надежное осушение обсыпки, а также интенсивный отвод грунтовых и бытовых вод.

Объемный фильтр в узле соединения подушки с водоотводным каналом предохраняет ее от гидравлического выноса (суффозии) частиц грунта, из которого она сложена. Тем самым обеспечивается надежная и долговечная работа подушки в качестве прерывателя миграции воды в жидкой фазе к фронту промерзания со стороны грунтовых вод.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "положительный эффект".

Поиск, проведенный по патентной документации и литературным источникам, в которых рассматриваются конструкции зданий и сооружений на пучинистых грунтах, позволяет установить отсутствие следующих отличительных признаков:
воздухонепроницаемый экран в плоскости контакта обсыпки с фундаментом;
экран устроен в нижней части плоскости контакта обсыпки с фундаментом;
искусственная подушка из дренирующего материала, расположенная подошвой на уровне спланированной поверхности строительной площадки;
подушка соединена с водоотводным каналом посредством объемного фильтра;
толщина подушки t_п, определена из соотношения
t_п≥h_к+l δ l, где h_к высота капиллярного поднятия воды в материале подушки от водонасыщенного грунта естественного основания;
lδ l абсолютная величина суммы точностей вертикальный планировок поверхностей строительной площадки и подушки, взятых с одним и тем же знаком.

Устройство подушки с учетом вышеприведенного соотношения придает ей дополнительно к известным ранее новое свойство прерывателя миграции воды в жидкой фазе со стороны грунтовых вод к фронту промерзания грунта в обсыпке.

Изложенное выше позволяет заключить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже схематично изображен фрагмент здания, поперечный разрез.

Здание включает жилое 1 и производственное 2 помещения (этажи), обсыпку 3 из местного грунта с креплением поверху (например, залужением), выполненную по периметру здания, водоотводной канал 4, устроенный вокруг здания, фундамент 5, воздухонепроницаемый экран 6 (предпочтительно из гидрофобного эластичного материала полиэтиленовой пленки, резины и т.п.), искусственную подушку 7 из дренирующего материала, объемный фильтр 8.

Обсыпка 3 здания производится местным, т.е. пучинистым грунтом, взятым из резервов, образовавшихся в результате строительства водоотводного канала 4, а также объектов производственного (водоемы, погреба и т.п.) и культурнооздоровительного (например, плавательные бассейны) назначения.

Здание функционирует следующим образом.

В теплый период года поверхностные воды стекают по закрепленной (например, залужением) поверхности обсыпки 3 в водоотводной канал 4 и удаляются за пределы здания. Часть из них, поступающая в плоскость контакта обсыпки 3 с фундаментом 5, задерживается экраном 6, не имея возможности прямого проникновения в подушку 7. Грунтовые, бытовые и другие воды, поступающие в подушку 7, дренируются по ней и через объемный фильтр 8 отводятся в канал 4, не подтапливаясь со стороны последнего.

В зимнее время подушка 7, выполненная при соблюдении заявленного соотношения, предотвращает миграцию грунтовых вод в жидкой фазе к фронту промерзания. Процесс морозного пучения грунта обсыпки 3 приобретает затухающий характер с формированием активной зоны и, следовательно, протекает в условиях, близких к закрытой морозоопасной системе. Воздухонепроницаемый экран 6 предотвращает возможность проникновения воды в парообразном состоянии со стороны грунтовых вод в плоскость контакта обсыпки 3 с фундаментом 5, уменьшая тем самым прочность смерзания последнего с твердомерзлым слоем грунта обсыпки 3.

Практическое использование изобретения позволяет повысить надежность (устойчивость) здания или сооружения на пучинистых грунтах, а в отдельных случаях удачно совместить две функции жилищную и производственную.

Формула изобретения

ЗДАНИЕ ИЛИ СООРУЖЕНИЕ, ВОЗВОДИМОЕ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ, включающее надфундаментную конструкцию и фундамент с обсыпкой по периметру местным грунтом высотой не менее активной зоны пучения и шириной поверху не менее глубины промерзания, отличающееся тем, что в нижней части плоскости контакта обсыпки с фундаментом устроен воздухонепроницаемый экран, а в основании здания искусственная подушка из дренирующего материала, которая размещена на спланированной поверхности строительной площадки и соединена посредством объемного фильтра с водоотводным каналом, размещенным вокруг здания или сооружения, причем толщина подушки определена из соотношения

где t_n толщина из дренирующего материала;
h_к высота капиллярного поднятия воды в материале подушки;
абсолютная величина суммы точностей вертикальных планировок поверхностей строительной площадки и подушки, взятых с одноименными знаками.

РИСУНКИ

Рисунок 1