Теплоизолированный фундамент

Изобретение относится к возведению сооружений на 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, с соотношением площадей выступов и штраб фундамента 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. Верхний край дополнительного утеплителя пропущен со стороны наружного края фундамента в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента. Относительная площадь прерывистых вкладышей (β=А_{пр. вк}/А₀) 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_max - максимальное напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, МПа, R - расчетное сопротивление материала фундамента, МПа. Штрабы и выступы фундамента со стороны, обращенной к грунту, выполнены чередующимися по длине фундамента. Центры штраб со стороны, обращенной к грунту, размещены под центрами прерывистых вкладышей дополнительного утеплителя, пропущенных со стороны каждого наружного края фундамента. Технический результат состоит в обеспечении возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов. 4 ил., 1 табл.

 

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

Известен фундамент на промерзающем грунте (фундамент-аналог), включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладышами в штрабах фундамента и дополнительного утеплителя рядом с фундаментом 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 (RU №2135693, МКИ⁶ Е02D 27/01, 27/35 «Теплоизолированный фундамент» [1].

Недостаток фундамента-аналога состоит в малой теплоизолирующей способности для целей защиты грунтов от промерзания.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является фундамент на промерзающем грунте (фундамент-прототип), включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, вкладышами в штрабах фундамента, выполненными из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, с соотношением площадей выступов и штраб фундамента 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, причем верхний край дополнительного утеплителя пропущен со стороны наружного края фундамента в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, а относительная площадь прерывистых вкладышей (β=А_{пр. вк}/A₀) принимается из соотношения

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

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

σ_max - максимально напряжение в материале фундамента от нагрузок, МПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, МПа (Патент RU №2237780, МКИ⁶ E02D 27/01, 27/35 «Теплоизолированный фундамент» [2].

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

Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания, в частности за счет более рационального размещения штраб со вкладышами и выступов фундамента со стороны, обращенной к грунту.

Поставленная цель достигается тем, что в фундаменте на промерзающем грунте по патенту RU №2237780 в предлагаемом теплоизолированном фундаменте штрабы и выступы фундамента со стороны, обращенной к грунту, выполнены чередующимися по длине фундамента, при этом центры штраб со стороны, обращенной к грунту, размещены под центрами прерывистых вкладышей дополнительного утеплителя, пропущенных со стороны каждого наружного края фундамента.

Толщина вкладышей в штрабах (h_вк) и толщина вкладышей дополнительного утеплителя, пропущенных со стороны каждого наружного края фундамента (h₀), устанавливается по теплотехническому расчету из условия уменьшения теплового потока из грунта Q. Из расчетов следует, что эффективность теплозащиты по сравнению с фундаментом-прототипом существенно возрастает при размещении центров штраб со стороны подошвы фундамента, обращенной к грунту, непосредственно под центрами прерывистых вкладышей дополнительного утеплителя.

Устойчивость фундамента при действии нормальных сил морозного пучения в промерзающем грунте обеспечивается тем, что передаваемое на грунт давление в пределах выступов р_вс 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. Второй возможный вариант повышения устойчивости фундамента против сил морозного пучения, который вытекает из п.2 формулы изобретения патента RU №2135693 [1], - размещение утеплителя непосредственно под выступами фундамента.

В предлагаемом теплоизолированном фундаменте сохраняются требования, предъявляемые к фундаменту: давление на грунт в пределах вкладышей в штрабах р_вк не должно превышать расчетного сопротивления материала вкладышей Р_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 - обеспечение более эффективной по сравнению с фундаментом-прототипом защиты пучинистых грунтов от промерзания за счет более рационального размещения штраб со вкладышами и выступов фундамента со стороны, обращенной к грунту.

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.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 изображен теплоизолированный ленточный фундамент, нагруженный линейной нагрузкой n и заглубленный в грунт на глубину d; на фиг.2 и 3 - сечения 1-1 и 2-2; на фиг.4 - расчетная схема и эпюры распределения давлений по подошве фундамента.

Фундамент (фиг.1-3) включает жесткое тело 1, выполненное из железобетона, с выступами 2 и штрабами 3 со стороны, обращенной к грунту, вкладышами 4 и 5 из пенополистирола, размещенного соответственно под выступами 2 и в штрабах 3, а также дополнительного утеплителя 6, размещенного на некотором удалении за пределами фундамента 1. Выступы 2 и штрабы 3 фундамента 1 выполнены чередующимися по длине фундамента 1. Верхние участки дополнительного утеплителя 6, размещенного за пределами фундамента, пропущены в виде прерывистых вкладышей 7 через тело фундамента 1 и соединены с верхними участками дополнительного утеплителя 6, размещенными с противоположной стороны фундамента 1.

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

- нагрузка на 1 м длины (l=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=l b=1.0·2.0=2.0 м²/м;

- площадь брутто фундамента 1 в сечении, где установлены прерывистые вкладыши 7: А₀=lb₀=1.0·0.5=0.5 м²/м;

- размеры выступов 2: ширина, равная ширине фундамента 1: b=2.0 м; длина вдоль фундамента 1: l₁=0.5 м; расстояние между краями выступов 2, равное длине штраб 3 вдоль фундамента 1: l₂=0.5 м;

- размеры прерывистых вкладышей 7: длина вдоль фундамента 1: c₁=0.5 м; ширина, равная ширине верхней части фундамента 1: b₀=0.5 м; расстояние между прерывистыми вкладышами 7 по длине фундамента 1: c₂=0.5 м;

- среднее давление по подошве фундамента 1: р_ср=n/А=175 кПа;

- глубина заложения фундамента 1: d=0.50 м;

- модуль деформации вкладышей 4, 5 (пенополистирола): Е_вк=1.0 МПа;

- расчетная толщина вкладышей 4: Н_вк,4=0.02 м; вкладышей 5: Н_вк,5=0.1 М;

- расчетное сопротивление пенополистирола вкладышей 4, 5: R_сж=150 кПа;

- расчетное сопротивление бетона фундамента 1: R_b=5.2 МПа = 5200 кПа;

- расчетная глубина промерзания грунта: d_f=1.9 м;

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

- расчетное сопротивление грунта: R_гр=220 кПа;

- осадка фундамента 1 без учета сжимаемости вкладышей 4, 5: S_cp=4.5 см;

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

Для выбора рационального соотношения α=A_вс/А площадей выступов 2 к общей площади фундамента 1 А(А=А_вс+А_вк) выполнены вычисления давлений на грунт по нижней поверхности выступов 2 - p_вс и вкладышей 5 - р_вк, а также возникающих осадок фундамента 1 (S) с учетом сжимаемости вкладышей 4, 5. Вычисления выполнены по формулам:

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

Относительная площадь выступов α=Авс/А	Давление на грунт, кПа, по нижней поверхности	Осадка фундамента S, см
выступов рвс	вкладышей рвк
0.0	-	175	6.60
0.2	226	162	6.45
0.3	218	157	6.04
0.4	210	151	5.83
0.5*	203	147	5.64
0.6	197	141	5.46
0.8	185	133	5.14
1.0	175	-	4.85

Из таблицы следует, что оптимальным является соотношение α=0.5, отмеченное в таблице звездочкой. При этом наибольшее давление на грунт по нижней поверхности выступов 2 - р_вс=203 кПа не превышает расчетного сопротивления грунта R_гр=220 кПа, а также выполняются условия (2)...(4):

(2): р_вс=203>p_n,f=200 кПа;

(3): р_вк=147<R_сж=150 кПа;

(4):S=5.64<S_u=10.0 см.

Проверка возможности устройства прерывистых вкладышей 7:

0.50<1-1400/5200=1-0.27=0.73,

где β=А_{пр вк.}/А₀=0.25/0.50=0.50;

А_пр.вк.=с₁b₀=0.5·0.5=0.25 м² - площадь сечения прерывистых вкладышей 7;

А₀=(с₁+с₂)b₀=(0.5+0.5)0.5=0.50 м² - площадь сечения фундамента 1 брутто в месте установки прерывистых вкладышей 7;

σ_max=n(c₁+с₂)/(c₂b₀)=350(0.5+0.5)/(0.5·0.5)=1400 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 7; на фиг.4 - размеры фундамента и распределение давлений по подошве фундамента 1 при принятом значении α=0.5 в виде эпюр: поз.9 - давление по поверхности вкладышей 5 (р_вк), поз.10 - давление по поверхности выступов 2 (р_вс), поз.11 - среднее давление по поверхности фундамента 1 в целом (р_ср).

Из теплотехнического расчета, выполненного по программе «НЕАТ-ПТФ/3» (трехмерная), следует:

- при выполнении штраб 2 и выступов 3 фундамента 1 со стороны, обращенной к грунту, чередующимися по длине фундамента, тепловой поток из грунта Q уменьшается на 20% по сравнению с фундаментом-прототипом;

- при размещении штраб 2 фундамента 1 непосредственно под центрами прерывистых вкладышей 7, пропущенных со стороны каждого наружного края фундамента 1, тепловой поток Q уменьшается на 30% по сравнению с фундаментом-прототипом, что обусловлено удлинением пути теплового потока Q (поз.8 на фиг.1) по сравнению со строго вертикальным направлением в фундаменте-прототипе;

- при размещении вкладышей 4 из пенополистирола под выступами 2 фундамента 1 достигается более эффективная защита грунта от промерзания, что обеспечивает возможность полного исключения промораживания грунта в зимний период.

Преимущества предлагаемого решения теплоизолированного фундамента на промерзающих пучинистых грунтах о сравнению с фундаментом-прототипом состоят в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания.

Список использованных материалов

1. Патент RU №2135693, МКИ⁶ Е02D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент. /В.В.Лушников и Ю.Р.Оржеховский. - Опубл. 27.08.1999, Бюл. №24. - 12 с.

2. Патент RU №2135693, МКИ⁶ E02D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент. /В.В.Лушников, Ю.Р.Оржеховский и В.В.Веселов. - Опубл. 27.01.2004, RU БИПМ №3. - 8 с.

Фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, вкладышами в штрабах фундамента, выполненными из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, с соотношением площадей выступов и штраб фундамента 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, причем верхний край дополнительного утеплителя пропущен со стороны наружного края фундамента в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, а относительная площадь прерывистых вкладышей (β=А_пр.вк./А₀) 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_max - максимально напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, МПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, МПа, отличающийся тем, что штрабы и выступы фундамента со стороны, обращенной к грунту, выполнены чередующимися по длине фундамента, при этом центры штраб со стороны, обращенной к грунту, размещены под центрами прерывистых вкладышей дополнительного утеплителя, пропущенных со стороны каждого наружного края фундамента.