УСТРОЙСТВО ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ ДЛЯ ЗДАНИЯ ИЛИ СООРУЖЕНИЯ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Полезная модель относится к строительству в Северных районах, а именно к устройству грунтового основания здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, и может быть использована при строительстве зданий и сооружений общего назначения в районах с использованием вечномерзлых грунтов, используемых в качестве основания в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения.
Фундаменты сооружений жилого и промышленного строительства, находящиеся в зоне распространения вечномерзлых грунтов, часто закладываются с сохранением состояния вечномерзлого грунта (1 принцип), т.е. грунта, используемого в качестве основания зданий и сооружений, возводимых в районах вечной мерзлоты [1]. Для повышения несущей способности мерзлых грунтов осуществляется искусственное понижение их отрицательной температуры при использовании установки охлаждающих устройств в пробуренные скважины. Однако такие мероприятия трудоемки и несут повышенные затраты.
Вследствие локального протаивания оснований, значительная часть зданий и сооружений претерпевает большие деформации (вплоть до аварийных), в связи с чем, актуальной является проблема сохранения грунта под всей площадью здания в замороженном состоянии, а также увеличения несущей способности грунтового основания.
Известен способ повышения несущей способности мерзлых грунтов под фундаментом сооружения, включающий приготовление закрепляющего раствора в виде цементно-песчаной смеси с водой, нагнетание его в приконтактную зону грунта и фундамента, схватывание цемента и замораживание раствора [2]. Этот способ имеет небольшой эффект повышения прочности смерзания фундамента с грунтами, всего до 1,5-1,8 раза.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является известный способ повышения несущей способности мерзлых грунтов [3], используемых в качестве оснований зданий и сооружений, включающий подготовку приконтактной зоны грунта и фундамента здания и сооружения путем рыхления или протаивания для повышения его проницаемости, или включающий только приготовление закрепляющего раствора и нагнетание его в приконтактную зону грунта и фундамента здания и сооружения для внедрения раствора в окружающие грунты, замораживание раствора со стороны фундамента и основания, при котором закрепляющий раствор готовят на основе водного раствора поливинилового спирта и дисперсного грунта. В результате осуществления известного способа получают устройство грунтового основания для здания или сооружения, включающее естественный (материнский) грунт, грунт основания здания или сооружения, обработанный закрепляющим полимерным раствором на основе водного раствора поливинилового спирта и дисперсного грунта, и фундамент Применение раствора поливинилового спирта (ПВС) для обработки грунтов основания позволяет увеличить сопротивляемость грунтов основания нормальному давлению и сдвигу по поверхности смерзания до 4-6 раз, при этом температура замерзания-оттаивания обработанных ПВС грунтов не понижается.
К недостаткам известного технического решения следует отнести низкую несущую способность грунтового основания под зданием или сооружением на вечномерзлых грунтах, особенно на период проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования устройства грунтового основания здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, в котором за счет иной конструкции всего грунтового основания и наличия дополнительного армирующего изотропного элемента, обеспечивается повышение несущей способности грунтового основания под зданием или сооружением на вечномерзлых грунтах, за счет повышения несущей способности талого грунта основания под фундаментной монолитной плитой на период проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии, и на весь срок эксплуатации здания или сооружения, после заморозки грунта, что приводит к обеспечению надежности усиления и к предотвращению деформаций основания и фундамента здания или сооружения, обеспечивая повышение долговечности здания или сооружения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве грунтового основания здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, преимущественно во время проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии, содержащем снизу материнский грунт, грунт основания здания или сооружения, обработанный закрепляющим воднорастворимым полимерным раствором, включающем криоструктурирующие воднорастворимые полимерные компоненты, преимущественно на основе водного раствора поливинилового спирта и дисперсного грунта, и уложенный поверх подготовленного грунтового основания фундамент, согласно полезной модели, в массиве материнского грунта на глубине залегания слоя сезонного промерзания-оттаивания, под фундаментом и по периметру фундамента расположен гидроизоляционный слой -образной формы, охватывающий часть массива грунта, ограниченную наружным контуром основания здания или сооружения, а также зону материнского грунта, прилегающую к фундаменту на уровне его поверхности, и изолирующий эту внутреннюю часть массива грунта с фундаментной плитой от остального материнского грунта, во внутренней зоне, ограниченной гидроизоляционным слоем, послойно горизонтально расположены несколько слоев - на поверхности гидроизоляционного слоя уложен слой песчаного грунта основания, обработанный закрепляющим воднорастворимым полимерным раствором, преимущественно 1-2% водным раствором поливинилового спирта, с образованием затвердевшего полимер-грунтового слоя после замерзания воды в грунте, затем расположен упрочняющий слой, образованный изотропным армирующим элементом, выполненным преимущественно в виде георешетки, размещенной в плане по всей площади внутри слоя грунта, обработанного закрепляющим водорастворимым полимерным раствором и находящимся в талом состоянии, а поверх укрепленного таким образом грунта в грунтовом основании в ограниченной гидроизоляционным слоем зоне расположен фундамент в виде фундаментной монолитной плиты.
В результате использования заявляемой полезной модели обеспечивается получение технического результата, заключающегося в повышении несущей способности грунтового основания под зданием или сооружением на вечномерзлых грунтах за счет повышения несущей способности талого грунта основания под фундаментной монолитной плитой на период проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии, и на весь срок эксплуатации здания или сооружения, после заморозки грунта.
Между существенными признаками заявляемой полезной модели и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Наличие в материнском грунте под фундаментом и по его периметру гидроизоляционного слоя -образной формы, позволяет изолировать от остального грунта усиленное грунтовое основание и фундаментную монолитную плиту, способствуя повышению несущей способности грунтового основания под зданием или сооружением, что ведет к повышению их надежности и предотвращаю их разрушения. Расположение в ограничивающей гидроизоляционным слоем внутренней зоне слоя песчаного грунта основания, обработанного закрепляющим полимерным раствором, в котором при его талом состоянии по всей площади размещен изотропный армирующий элемент, и расположение сверху на укрепленном таким образом грунте в грунтовом основании фундамент в виде фундаментной монолитной плиты, дает возможность повысить несущую способность грунтового основания под зданием или сооружением на вечномерзлых грунтах, за счет повышения несущей способности талого грунта на период проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии. При этом, армирование изотропным элементом слоя песчаного грунта за счет его работы на растяжение в горизонтальной плоскости позволяет усилить его прочность и значительно повысить прочностные характеристики верхнего слоя грунтового основания на время производства работ по устройству фундаментной плиты и до полного замораживания верхнего слоя грунтового основания, обработанного закрепляющим полимерным раствором, что приводит к повышению несущей способности грунтового основания. А обработка слоя песчаного грунта основания под фундаментной плитой закрепляющим полимерным раствором в виде 1-2% водного раствора поливинилового спирта (ПВС), позволяет повысить предельно-длительную прочность смерзания раствора с фундаментом более, чем в пять раз, за счет возникновения химико-физического эффекта упрочнения, возникающего благодаря свойствам раствора ПВС, т.е. усилить грунтовое основание после его заморозки, что также способствует повышению несущей способности грунтового основания. В целом, отличительные признаки заявляемого устройства являются существенными и необходимыми для достижения нового технического результата.
По имеющимся у заявителей сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемой полезной модели, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию “новизна”. Заявляемая полезная модель может быть неоднократно осуществлена и изготовлена известными в строительстве способами с использованием известных средств, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию “промышленная применимость”. Таким образом, заявляемая полезная модель отвечает всем условиям ее патентоспособности. Из вышеизложенного следует, что заявленная полезная модель обладает элементом новизны и превосходит известную конструкцию по характеристикам и достигаемому техническому результату.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где представлено схематичное фронтальное изображение общего вида конструкции устройства грунтового основания в поперечном разрезе.
На представленном чертеже обозначено: 1 - материнский грунт основания; 2 - гидроизоляционный слой; 3 - слой песчаного грунта, пропитанный закрепляющим воднорастворимым полимерным раствором; 4 - армирующий изотропный элемент; 5 - фундаментная монолитная плита.
В предлагаемом устройстве грунтового основания здания или сооружения на вечномерзлых грунтах, во время проведения монтажных работ, пока грунт находится в талом состоянии, в массиве материнского грунта 1 на глубине залегания слоя сезонного промерзания-оттаивания, под фундаментом 5 и по периметру фундамента расположен любой известной конструкции гидроизоляционный слой 2 -образной формы, охватывающий часть массива грунта, ограниченную наружным контуром основания здания или сооружения, а также зону естественного грунта, прилегающую к фундаменту на уровне его поверхности, и изолирующий эту внутреннюю часть массива грунта с фундаментной плитой 5 от остального материнского грунта. Во внутренней зоне, ограниченной гидроизоляционным слоем 2, послойно горизонтально расположены несколько слоев. На поверхности гидроизоляционного слоя 2 уложен слой песчаного грунта основания 3, обработанный закрепляющим воднорастворимым полимерным раствором, преимущественно 1-2% водным раствором поливинилового спирта, с образованием затвердевшего полимер-грунтового слоя после замерзания воды в грунте. Затем расположен упрочняющий слой, образованный изотропным армирующим элементом 4, выполненным преимущественно в виде известных конструкций геосинтетических решеток, например, георешетки «TENSAR», или сетки (см. ). Изотропный армирующий элемент 4 размещен в плане по всей площади внутри части грунта, обработанного закрепляющим воднорастворимым полимерным раствором и находящимся в талом состоянии. Георешетки - геосинтетические материалы, выполняющие функцию армирования грунтового основания. А поверх укрепленного таким образом грунта 3 в грунтовом основании в ограниченной гидроизоляционным слоем 2 расположен фундамент в виде фундаментной монолитной плиты 5.
Реализация укрепленного грунтового основания, согласно заявленной конструкции, осуществляется следующим образом.
В первый год строительства производится интенсивное замораживание грунтов основания путем регулярной расчистки территории застройки от снега в зимний период. Одновременно с началом летнего периода производятся работы по устройству гидроизоляционного слоя 2 по материнскому грунту основания 1. Для этого производят укладку гидроизоляционного материала -образной формы в заранее подготовленный котлован. Также производится укладка слоя песчаного грунта 3, обработанного зараннее приготовленным известным водным раствором поливинилового спирта (ПВС) послойно, с уплотнением и укладкой слоя изотропного армирующего элемента 4 в середине слоя песчаного грунта 3. Обработка слоя песчаного грунта 3 водным раствором ПВС повышает предельно-длительную прочность смерзания раствора с фундаментом. Эту обработку можно производить с помощью растворосмесителя. Однако, если в грунте нет глинистой фракции, например в песке, то пропитка грунта ПВС может осуществляться с поверхности путем дождевания. При этом используется соотношение: 1 см раствора пропитывает 2,5-3 см грунта. Для сохранения условий регламента по концентрации полимера учитывается начальная влажность грунта, которая не должна превышать влажность капиллярного насыщения, то есть переувлажненный грунт предварительно дренируется. Для перевода основания фундамента и самого фундамента в рабочее состояние, закрепляющий состав замораживают и выдерживают при температуре окружающих мерзлых грунтов в течение не менее пяти суток до полного завершения процессов кристаллизации ПВС в мерзлом грунтовом растворе. После начала работы известной замораживающей системы, описанной в прототипе, прочность грунта основания увеличивается в 4-6 раз за счет возникновения химико-физического эффекта упрочнения, возникающего благодаря свойствам раствора ПВС. Эффект от применения ПВС наступает после замерзания воды в грунте.
Пока грунт 3, обработанный ПВС, находится в талом состоянии и на нем выполняются работы по монтажу фундаментной плиты 5 известными в строительстве методами, необходимо обеспечить высокую несущую способность талого грунта основания. Для этого предлагается использовать усиление прочности слоя песчаного талого грунта 3 основания, обработанного ПВС, путем армирования вышеуказанного слоя изотропным армирующим элементом 4, например, георешеткой «TENSAR». Армирование производится следующим образом: после укладки половины высоты слоя песчаного грунта 3 укладывается слой изотропного армирующего элемента 4, например, георешетки «TENSAR», после чего заканчивают укладку слоя песчаного грунта 3. Изотропный армирующий элемент 4 позволяет значительно повысить прочностные характеристики верхнего слоя грунтового основания 3 на время производства работ по устройству фундаментной плиты и до полного замораживания верхнего слоя грунтового основания, обработанного ПВС.
Заявленная полезная модель, при использовании, позволяет по сравнению с известными конструкциями значительно улучшить технические характеристики основания здания или сооружения, его надежность и долговечность в регионах с вечной мерзлотой, где грунты в качестве основания под здание или сооружение используются по первому принципу, т.е. с поддержанием грунтов в мерзлом состоянии при возведении здания и в течение всего срока эксплуатации. При этом, как показали расчеты, достигается существенное снижение себестоимости возводимого здания за счет уменьшения земляных работ и применения более простого и дешевого фундамента, при увеличении темпа строительства нулевого цикла здания или сооружения по сравнению с использованием традиционных конструкций и технологий их возведения в области строительства в настоящее время.
Предложенная полезная модель является социально значимой и может найти применение при возведении более дешевых и надежных жилых и промышленных зданий и сооружений в регионах с вечной мерзлотой с преобладанием сложных грунтовых условий, где грунты используются по первому принципу в качестве основания под здание или сооружение.
Источники информации.
1. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах», Москва, 1990.
2. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах. М., Строийиздат, 1980, с.64-65, 68-69, 110.
6
3. Патент РФ №2064555 C1, МПК E02D 27/35, E02D 3/115, заявл. 31.03.1992, опубл. 27.07.1996, Бюл. №21 (прототип).