Способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами

Изобретение относится к строительству и предназначено для возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов различных конструкций для зданий любого назначения, линий электропередачи и наружных инженерных коммуникаций при несливающейся и сливающейся мерзлоте на всех типах талых грунтов, кроме водонасыщенных, слоя сезонного оттаивания и промерзания глубиной 3-9 м, подстилаемого вечномерзлыми или скальными грунтами. Способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами, включает вытрамбовывание котлована в слое сезонного оттаивания и промерзания с образованием в талых грунтах вокруг котлована и под ним уплотненной зоны и сооружение в вытрамбованном котловане фундаментного блока. Новым является то, что вытрамбовывание котлована производят до начала промерзания в талых грунтах слоя сезонного оттаивания и промерзания, причем при вытрамбовывании котлована уплотненную зону вокруг него и под ним создают в виде уплотненного грунтового столба, опирающегося на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, при этом вытрамбовывание котлована производят до выпора грунта вверх, свидетельствующего об опоре уплотненного грунтового столба, образованного под котлованом, на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, после чего трамбование талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания прекращают и в вытрамбованном котловане сооружают фундаментный блок, опирающийся на созданный уплотненный грунтовый столб. Технический результат изобретения состоит в создании надежного основания для малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами, с наименьшими энерго- и трудозатратами, повышение несущей способности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, исключение осадок при оттаивании и пучения при промерзании оснований названных фундаментов. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для возведения малозаглубленных и поверхностных, сборных и монолитных железобетонных, металлических и деревянных, столбчатых, ленточных и плитных фундаментов жилых, общественных, промышленных, вспомогательных зданий и зданий сельскохозяйственного назначения, а также линейных сооружений: линий электропередачи и наружных инженерных коммуникаций, при несливающейся и сливающейся мерзлоте на всех типах талых грунтов, кроме водонасыщенных, слоя сезонного оттаивания и промерзания глубиной до 9 м, подстилаемого вечномерзлыми или скальными грунтами.

В зависимости от геокриологических и грунтовых условий, а также от назначения сооружений фундаменты, опирающиеся на протаивающее основание, выполняют различной конструкции. При плотных нижних подстилающих грунтах, в том числе и скальных, в зависимости от мощности верхних слоев грунта и прочности основания применяют фундаменты столбчатые с башмаками и опорными плитами, сваи-стойки, каркасные рамные, перекрестные железобетонные ленты и сплошные железобетонные плиты. При надлежащей прочности грунтов основания, если они залегают на небольшой глубине (до 4 м), допустимы одиночные столбчатые фундаменты, в этом случае поверху они должны быть связаны рандбалками, являющимися частью надземной рамной конструкции здания. При глубоком залегании грунтов, принятых за основание, следует использовать сваи-стойки. В тех случаях, когда грунты основания залегают на небольшой глубине, имеют недостаточную несущую способность и одиночные фундаменты не могут быть применены, используют фундаменты из перекрестных железобетонных лент или рамные фундаменты. При ограниченных очертаниях сооружения в плане, а также при сооружении фундаментов под оборудование могут быть использованы сплошные железобетонные плиты [1, стр.139].

При возведении вышеперечисленных фундаментов для подготовки котлованов под них используют различные достаточно трудоемкие и неэкономичные способы разработки мерзлых грунтов, для которых необходимо к тому же наличие специальных машин и оборудования [2], или способы производства свайных работ на вечномерзлых грунтах, которые также являются весьма трудоемкими и дорогостоящими [3].

Наименее трудоемкими и наиболее экономичными являются способы возведения фундаментов в вытрамбованных котлованах [4], которые практически не используются в условиях талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа по технической сущности и достигаемому результату является способ возведения фундаментов в зимних условиях, который может быть использован для возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми и скальными грунтами [5].

Данный известный способ включает вытрамбовывание котлована в слое сезонного оттаивания и промерзания с образованием в талых грунтах вокруг котлована и под ним уплотненной зоны и сооружение в вытрамбованном котловане фундаментного блока.

Недостатки этого известного способа заключаются в том, что его осуществляют в зимних условиях и при этом дробят верхний мерзлый грунт и перемещают его в раздробленном виде в нижний талый грунт, что является трудоемкой операцией, приводит к излишним энергозатратам на создание уплотненной зоны и к тому же снижает качество уплотнения грунта из-за последующего оттаивания частиц раздробленного мерзлого грунта, внедренных в уплотняемый талый грунт.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности создания надежного основания для малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми и скальными грунтами, с наименьшими энерго- и трудозатратами, повышение несущей способности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, исключение осадок при оттаивании и пучения при промерзании оснований названных фундаментов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами, включающем вытрамбовывание котлована в слое сезонного оттаивания и промерзания с образованием в талых грунтах вокруг котлована и под ним уплотненной зоны и сооружение в вытрамбованном котловане фундаментного блока, согласно изобретению вытрамбовывание котлована производят до начала промерзания в талых грунтах слоя сезонного оттаивания и промерзания, причем при вытрамбовывании котлована уплотненную зону вокруг него и под ним создают в виде уплотненного грунтового столба, опирающегося на подстилающиеся вечномерзлые или скальные грунты, при этом вытрамбовывание котлована производят до выпора грунта вверх, свидетельствующего об опоре уплотненного грунтового столба, образованного под котлованом, на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, после чего трамбование талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания прекращают и в вытрамбованном котловане сооружают фундаментный блок, опирающийся на созданный уплотненный грунтовый столб.

В частных случаях реализации предлагаемого способа:

- в процессе образования вокруг котлована и под ним уплотненной зоны в рыхлых талых грунтах слоя сезонного оттаивания и промерзания, например пылеватых и мелких песках, супесях и суглинках, для дополнительного повышения их несущей способности создают уширенное основание фундаментного блока втрамбовыванием в названные рыхлые талые грунты, окружающие котлован, непучинистого жесткого грунтового материала, например крупного песка, или гравия, или щебня;

- необходимый объем V втрамбовываемого в рыхлые талые грунты слоя сезонного оттаивания и промерзания непучинистого жесткого грунтового материала определяют по зависимости:

где Δ S - осадка уплотнения, м;

ρ _d - плотность грунта в природном залегании в сухом состоянии, т/м³;

ρ _ds - плотность грунта после уплотнения в сухом состоянии, т/м³

- уширенное основание фундаментного блока создают путем втрамбовывания в нижнюю часть вытрамбованного котлована отдельными порциями непучинистого жесткого грунтового материала;

- вокруг сооруженного в вытрамбованном котловане фундаментного блока на уровне естественной поверхности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания над уплотненной зоной укладывают поверхностный теплозащитный экран;

- площадь А_тэ поверхностного теплозащитного экрана определяют по эмпирической зависимости:

где H_о - глубина сезонного оттаивания, м;

Н_th - допустимая глубина оттаивания под фундаментным блоком из условия, чтобы его осадка не превышала предельно допустимой, м;

R_тэ - сопротивление теплопередачи поверхностного теплозащитного экрана, м²°С/Вт;

K₁ и К₂ - эмпирические коэффициенты:

K₁=0,015, 1/м²;

K₂=0,17,Вт/м²°С;

причем указанная зависимость распространяется на поверхностные теплозащитные экраны, имеющие следующие параметры:

4м²<А_тэ<20 м² и 1 м²°С/Вт<R_тэ<5 м²°С/Вт;

- при возведении малозаглубленных фундаментов перед сооружением фундаментного блока в вытрамбованном котловане на всю поверхность дна последнего укладывают заглубленный теплозащитный экран, после чего сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране сооружают в котловане фундаментный блок;

- при возведении малозаглубленных фундаментов оставшуюся после сооружения фундаментного блока полость котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением до уровня естественной поверхности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной;

- при возведении поверхностных фундаментов перед сооружением фундаментного блока полость вытрамбованного котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной и сверху на заполняющем котлован уплотненном непучинистом жестком грунтовом материале сооружают фундаментный блок;

- при возведении поверхностных фундаментов перед сооружением фундаментного блока нижнюю и среднюю по высоте части полости вытрамбованного котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением и производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной, после чего в оставленной с необходимой глубиной верхней части полости вытрамбованного котлована на всю поверхность уплотненного непучинистого жесткого грунтового материала укладывают заглубленный теплозащитный экран, верхнюю поверхность которого располагают вровень с естественной поверхностью талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, а сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране сооружают фундаментный блок.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан малозаглубленный фундамент в вытрамбованном в слое талых грунтов котловане; на фиг.2 - то же с поверхностным и заглубленным теплозащитными экранами; на фиг.3 - то же с уширенным основанием фундаментного блока из втрамбованного непучинистого жесткого грунтового материала; на фиг.4 - поверхностный фундамент с поверхностным теплозащитным экраном, на фиг.5 - поверхностный фундамент с поверхностным и заглубленным теплозащитными экранами; на фиг.6 - вид сверху на поверхностные фундаменты, показанные на фиг.4 и 5.

Предлагаемый способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами, осуществляют следующим образом.

Основными операциями предлагаемого способа являются вытрамбовывание котлована 1 в слое 2 сезонного оттаивания и промерзания с образованием в талых грунтах вокруг котлована 1 и под ним уплотненной зоны 3 и сооружение в вытрамбованном котловане 1 фундаментного блока 4. Вытрамбовывание котлована 1 производят до начала промерзания в талых грунтах слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания, причем при вытрамбовывании котлована 1 уплотненную зону 3 вокруг него и под ним создают в виде уплотненного грунтового столба, опирающегося на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты 5 (см. фиг.1).

В процессе вытрамбовывания котлованов в песчаных грунтах обычно наблюдается выпор грунта, а после вытрамбовывания котлована на глубину около 2 м происходит отказ в проходке [4, с.25].

Исследования показали особенность уплотнения талых грунтов слоя 2 конечной толщины, ниже которого расположены подстилающие малосжимаемые грунты: вечномерзлые или скальные грунты 5, состоящую в том, что количество ударов трамбовки, ее вес и высота сбрасывания определяются сопротивлением вечномерзлых или скальных грунтов 5 действию ударных нагрузок. Опытное трамбование показало, что уплотнение талых грунтов слоя 2 конечной толщины до отказа не происходит, критерием уплотнения следует считать начало выпора грунта вверх, т.к. при большем количестве ударов происходит хрупкое разрушение подстилающего малосжимаемого грунта, т.е. вечномерзлого или скального грунта 5.

Поэтому в предлагаемом способе вытрамбовывание котлована 1 производят до выпора грунта вверх, свидетельствующего об опоре уплотненного грунтового столба, образованного под котлованом 1, на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты 5, после чего трамбование талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания прекращают и в вытрамбованном котловане 1 сооружают фундаментный блок 4, опирающийся на созданный уплотненный грунтовый столб.

В процессе образования вокруг котлована 1 и под ним уплотненной зоны 3 в рыхлых талых грунтах слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания, например пылеватых и мелких песках, супесях и суглинках, для дополнительного повышения их несущей способности создают уширенное основание 6 фундаментного блока 4 втрамбовыванием в названные рыхлые талые грунты, окружающие котлован 1, непучинистого жесткого грунтового материала 7, например крупного песка, или гравия, или щебня (см. фиг.3).

Необходимый объем V втрамбовываемого в рыхлые талые грунты слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания непучинистого жесткого грунтового материала 7 определяют по зависимости:

где Δ S - осадка уплотнения, м;

ρ _d - плотность грунта в природном залегании в сухом состоянии, т/м³;

ρ _ds - плотность грунта после уплотнения в сухом состоянии, т/м³.

Уширенное основание 6 фундаментного блока 4 создают путем втрамбовывания в нижнюю часть вытрамбованного котлована 1 отдельными порциями непучинистого жесткого грунтового материала 7.

Вокруг сооруженного в вытрамбованном котловане 1 фундаментного блока 4 на уровне естественной поверхности талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания над уплотненной зоной 3 укладывают поверхностный теплозащитный экран 8 (см. фиг.2-6).

Площадь А_тэ поверхностного теплозащитного экрана 8 определяют по эмпирической зависимости:

где H₀ - глубина сезонного оттаивания, м;

Н _th- допустимая глубина оттаивания под фундаментным блоком из условия, чтобы его осадка не превышала предельно допустимой, м;

R_тэ - сопротивление теплопередачи поверхностного теплозащитного экрана, м²°С/Вт;

К₁ и K₂- эмпирические коэффициенты:

К₁=0,015, 1/м²;

K₂=0,17, Вт/м2° С;

причем указанная зависимость распространяется на поверхностные теплозащитные экраны, имеющие следующие параметры:

4м²<A_тэ<20м² и 1м²°C/Bт<R_тэ<5м²°C/Bт.

В некоторых случаях при возведении малозаглубленных фундаментов перед сооружением фундаментного блока 4 в вытрамбованном котловане 1 на всю поверхность дна последнего укладывают заглубленный теплозащитный экран 9, после чего сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране 9 сооружают в котловане 1 фундаментный блок 4 (см. фиг.2 и 3).

При возведении малозаглубленных фундаментов оставшуюся после сооружения фундаментного блока 4 полость котлована 1 заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом 7, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением до уровня естественной поверхности талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована 1 над уплотненной зоной 3 (см. фиг.1 и 2).

При возведении поверхностных фундаментов перед сооружением фундаментного блока 4 полость вытрамбованного котлована 1 заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом 7, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована 1 над уплотненной зоной 3 и сверху на заполняющем котлован 1 уплотненном непучинистом жестком грунтовом материале 7 сооружают фундаментный блок 4 (см. фиг.4).

При возведении поверхностных фундаментов в некоторых случаях перед сооружением фундаментного блока 4 нижнюю и среднюю по высоте части полости вытрамбованного котлована 1 заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом 7, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением и производят доуплотнение талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована 1 над уплотненной зоной 3, после чего в оставленной с необходимой глубиной верхней части полости вытрамбованного котлована на всю поверхность уплотненного непучинистого жесткого грунтового материала 7 укладывают заглубленный теплозащитный экран 9, верхнюю поверхность которого располагают вровень с естественной поверхностью талых грунтов слоя 2 сезонного оттаивания и промерзания, а сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране 9 сооружают фундаментный блок 4 (см. фиг.5).

Создаваемые данным способом уплотненные зоны в виде уплотненных грунтовых столбов, опирающихся на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, являются надежным основанием для малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, которое воспринимает нагрузки в первые годы эксплуатации сооружения до момента полного промерзания талой зоны под действием охлаждающих устройств (вентилируемого подполья, сезонно действующих устройств и т.п.). При этом заглубленные теплозащитные экраны препятствуют проникновению тепла через конструкцию фундамента в эти уплотненные зоны, а поверхностные теплозащитные экраны предотвращают оттаивание уплотненных зон и подстилающих вечномерзлых грунтов зимой от действия положительных температур отапливаемого здания и летом от положительных температур наружного воздуха.

Использованная литература

1. Бондарев П.Д., Ушкалов В.П. Особенности проектирования и устройства фундаментов в условиях мерзлых грунтов. М..: Стройиздат, 1964.

2. Черкашин В.А. Разработка мерзлых грунтов. Л.: Стройиздат, 1977.

3. Гончаров Ю.М., Ким М.В., Таргулян Ю.О., Вартанов С.Х. Производство свайных работ на вечномерзлых грунтах. М.: Стройиздат, 1971.

4. Кругов В.И., Багдасаров Ю.А., Рабинович И.Г. Фундаменты в вытрамбованных котлованах. М.: Стройиздат, 1985.

5. Патент №2043461, МПК E 02 D 7/26, 27/35, опубликован 10.09.1995.

6. Кругов В.И., Авазов P.P., Рафальзук В.Л. Возведение фундаментов в вытрамбованных котлованах в песчаных грунтах. Журнал “Строительство и архитектура Узбекистана”, 1981, №2, с.5-9.

1. Способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в слое талых грунтов, подстилаемом вечномерзлыми или скальными грунтами, включающий вытрамбовывание котлована в слое сезонного оттаивания и промерзания с образованием в талых грунтах вокруг котлована и под ним уплотненной зоны и сооружение в вытрамбованном котловане фундаментного блока, отличающийся тем, что вытрамбовывание котлована производят до начала промерзания в талых грунтах слоя сезонного оттаивания и промерзания, причем при вытрамбовывании котлована уплотненную зону вокруг него и под ним создают в виде уплотненного грунтового столба, опирающегося на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, при этом вытрамбовывание котлована производят до выпора грунта вверх, свидетельствующего об опоре уплотненного грунтового столба, образованного под котлованом, на подстилающие вечномерзлые или скальные грунты, после чего трамбование талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания прекращают и в вытрамбованном котловане сооружают фундаментный блок, опирающийся на созданный уплотненный грунтовый столб.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе образования вокруг котлована и под ним уплотненной зоны в рыхлых талых грунтах слоя сезонного оттаивания и промерзания, например пылеватых и мелких песках, супесях и суглинках, для дополнительного повышения их несущей способности создают уширенное основание фундаментного блока втрамбовыванием в названные рыхлые талые грунты, окружающие котлован, непучинистого жесткого грунтового материала, например крупного песка, или гравия, или щебня.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что необходимый объем V втрамбовываемого в рыхлые талые грунты слоя сезонного оттаивания и промерзания непучинистого жесткого грунтового материала определяют по зависимости

где ΔS - осадка уплотнения, м;

ρ_d - плотность грунта в природном залегании в сухом состоянии, т/м³;

ρ_ds - плотность грунта после уплотнения в сухом состоянии, т/м³.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что уширенное основание фундаментного блока создают путем втрамбовывания в нижнюю часть вытрамбованного котлована отдельными порциями непучинистого жесткого грунтового материала.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что вокруг сооруженного в вытрамбованном котловане фундаментного блока на уровне естественной поверхности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания над уплотненной зоной укладывают поверхностный теплозащитный экран.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что площадь А_тэ поверхностного теплозащитного экрана определяют по эмпирической зависимости

где Н₀ - глубина сезонного оттаивания, м;

Н_th - допустимая глубина оттаивания под фундаментным блоком из условия, чтобы его осадка не превышала предельно допустимой, м;

R_тэ - сопротивление теплопередачи поверхностного теплозащитного экрана, м² °С/Вт;

K₁ и К₂ - эмпирические коэффициенты:

К₁=0,015,1/м²;

К₂=0,17 Вт/м² °С;

причем указанная зависимость распространяется на поверхностные теплозащитные экраны, имеющие следующие параметры:

4 м² < А_тэ < 20 м² и 1 м² °С/Вт < R_тэ < 5 м² °С/Вт.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при возведении малозаглубленных фундаментов перед сооружением фундаментного блока в вытрамбованном котловане на всю поверхность дна последнего укладывают заглубленный теплозащитный экран, после чего сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране сооружают в котловане фундаментный блок.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что при возведении малозаглубленных фундаментов оставшуюся после сооружения фундаментного блока полость котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением до уровня естественной поверхности талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной.

9. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при возведении поверхностных фундаментов перед сооружением фундаментного блока полость вытрамбованного котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением, после чего производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной и сверху на заполняющем котлован уплотненном непучинистом жестком грунтовом материале сооружают фундаментный блок.

10. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при возведении поверхностных фундаментов перед сооружением фундаментного блока нижнюю и среднюю по высоте части полости вытрамбованного котлована заполняют непучинистым жестким грунтовым материалом, например крупным песком, или гравием, или щебнем, с послойным его уплотнением и производят доуплотнение талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания вокруг котлована над уплотненной зоной, после чего в оставленной с необходимой глубиной верхней части полости вытрамбованного котлована на всю поверхность уплотненного непучинистого жесткого грунтового материала укладывают заглубленный теплозащитный экран, верхнюю поверхность которого располагают вровень с естественной поверхностью талых грунтов слоя сезонного оттаивания и промерзания, а сверху на уложенном заглубленном теплозащитном экране сооружают фундаментный блок.