СПОСОБ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ОПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОТ МОРОЗНОГО ВЫПУЧИВАНИЯ ГРУНТА (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO PROTECT SUPPORT ELEMENTS FROM FROST HEAVING OF SOIL (VERSIONS)

Изобретение относится к строительству, в частности к способам защиты одиночных опорных элементов (например, свай и столбов) от воздействия сил морозного пучения грунтов, в том числе в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.
Наиболее близким к изобретению по своей сущности и достигаемому результату является фундамент на пучинистых грунтах, включающий расположенный в грунте опорный элемент. Вокруг боковой поверхности опорного элемента в зоне сезонного промерзания-оттаивания грунта последовательно размещены слои незамерзающего материала и жесткой оболочки [Вялов С.С. и др. Мерзлотоведение и опыт строительства на вечномерзлых грунтах в США и Канаде. М., Стройиздат, 1968, с.83, рис.33].
Недостатком вышеуказанного способа является то, что он не обеспечивает надежной защиты опорного устройства. После подъема оболочки от воздействия сил морозного пучения и последующего оттаивания грунта она не возвращается в исходное положение, поэтому через несколько лет вертикальные перемещения оболочки накапливаются и она будет вытеснена из грунта. Опорный элемент сначала частично, а затем полностью лишается защиты, то есть надежность защиты от сил морозного пучения грунта постепенно уменьшается до нуля и начинается активное выпучивание опорного устройства.
Известна другая конструкция защитной оболочки. Она изготовлена из пружинной стальной ленты со специальными выточками и скосами [Авторское свидетельство СССР №. 1019059, кл. Е02D 27/35, 1983].
Недостатки этого варианта:
- Прочные минеральные частицы грунта промерзающего слоя при растяжении ленты будут попадать в щели между скосами и выточками и со временем полностью заполнят их. Лента потеряет свои упругие свойства, превратившись в обычную стальную оболочку, аналогичную варианту с первым прототипом со всеми указанными для нее недостатками.
- Оболочка не имеет упора для восприятия растягивающих или сжимающих усилий. Без этого она не сможет выполнить свою функцию и постепенно без сопротивления будет вытеснена из грунта на поверхность. Надежность защиты от сил морозного пучения грунта постепенно уменьшится до нуля.
Целью изобретения является обеспечение надежности опорного устройства при воздействии сил морозного пучения грунта.
Цель достигается тем, что защитную оболочку изготавливают из материала, прочностные и деформационные характеристики которого обеспечивают возможность подъема оболочки на величину максимального выпучивания промерзающего слоя грунта и ее обратного возврата после полного оттаивания этого слоя, при этом один из концов оболочки прикрепляют к опорному элементу, а реактивные усилия на опорный элемент должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте ниже нижней границы слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания (вариант 1).
Цель изобретения достигается также следующими способами (вариант 1):
- к опорному элементу прикрепляют верхний конец защитной оболочки, а на нижнем конце устраивают наконечник, закрывающий зазор между оболочкой и поверхностью опорного элемента и ограничивающий проникновение в указанный зазор воды и механических частиц;
- при варианте закрепления верхнего конца защитной оболочки ее нижний конец заглубляют ниже нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания для создания после первого цикла промерзания-оттаивания предварительного напряжения в упругой защитной оболочке, обеспечивающего возврат нижнего конца оболочки на уровень нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта;
- к опорному элементу прикрепляют нижний конец защитной оболочки, при этом ее верхний конец закрывают от попадания в первый слой незамерзающего материала воды и механических частиц, а максимальное перемещение верхнего конца защитной оболочки не должно ограничиваться;
- возврат верхнего конца защитной оболочки после оттаивания сезонно-промерзающего слоя грунта может быть неполным, при этом накопившаяся за проектный срок службы сооружения величина невозврата не должна отрицательно повлиять на эксплуатационные параметры надземных конструкций этого сооружения;
- если прочностные и деформационные характеристики материала защитной оболочки не отвечают заданным исходным требованиям, то на ее верхний конец устанавливают одну или несколько пружин сжатия, параметры которых указанным требованиям соответствуют, при этом пружины в верхней части прикрепляют к опорному элементу, а в нижней части - к защитной оболочке, на нижнем конце устраивают наконечник, закрывающий зазор между оболочкой и поверхностью опорного элемента и ограничивающий проникновение в указанный зазор воды и минеральных частиц;
- при верхнем закреплении первой защитной оболочки ее нижний конец устанавливают ниже подошвы сезонно-промерзающего слоя, как и нижний конец второй защитной оболочки, а верхний конец второй оболочки устанавливают на уровне подошвы сезонно-промерзающего слоя грунта.
Цель достигается тем, что нижний конец каждой оболочки, кроме последней оболочки, посредством промежуточного связующего элемента прикрепляют к боковой поверхности опорного элемента, при этом разрывное усилие каждого связующего элемента должно быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте ниже нижней границы слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания (вариант 2).
Цель изобретения достигается также следующими способами (вариант 2):
- под нижними концами оболочек устанавливают монтажные ограничители, прикрепленные к опорному элементу;
- длина последней защитной оболочки равна толщине слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта, а остальные оболочки могут иметь меньшую длину от уровня подошвы этого слоя в зависимости от максимальной величины подъема при пучении каждой из оболочек за плановый период эксплуатации надземного сооружения;
- на уровне поверхности грунта при монтаже вставляется два диаметрально расположенных ножа, прикрепленных к опорному элементу и предназначенных для разрезания защитных оболочек в процессе их подъема под воздействием сил морозного пучения грунта;
- последняя защитная оболочка является составной, разделенной по длине на несколько отдельных кольцевых секций, шарнирно соединенных между собой на стыках секций в двух точках с противоположных сторон опорного элемента, а каждая секция оболочки состоит из двух продольных половинок, соединенных между собой в двух точках по линиям соединения связующими элементами, при этом в стык между продольными половинками на уровне поверхности грунта при монтаже вставляется нож, прикрепленный к опорному элементу, предназначенный для разрезания этих связующих элементов в процессе подъема защитных оболочек, при этом точки шарнирных соединений секций располагают ортогонально к линиям стыка половинок секций;
- первая защитная оболочка является составной, разделенной по длине на несколько отдельных кольцевых секций, шарнирно соединенных между собой на стыках секций в двух точках с противоположных сторон опорного элемента, а каждая секция оболочки состоит из двух продольных половинок, соединенных между собой в двух точках по линиям соединения связующими элементами, при этом в стык между продольными половинками на уровне поверхности грунта при монтаже вставляется нож, прикрепленный к опорному элементу, предназначенный для разрезания этих связующих элементов первой оболочки и следующих оболочек при пучении слоя промерзания-оттаивания грунта, при этом точки шарнирных соединений секций первой оболочки располагают ортогонально к линиям стыка половинок секций.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается всей совокупностью изложенных признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии признаку "новизна".
Сравнение не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
Ниже приведено описание способов достижения поставленной цели.
По способу 1: На фиг.1 и 2 показаны варианты достижения поставленной цели.
По способу 2: На фиг.1 изображена защитная оболочка 7 (показана сплошной линией) с вариантом закрепления его верхнего конца. Опорный элемент 1 расположен в грунте 4, выше которого находится слой сезонного промерзания-оттаивания 2 (фиг.1,а). В этом слое вокруг опорного элемента 1 находится защитный незамерзающий слой 6, служащий для уменьшения сил трения между опорным элементом и единственной защитной оболочкой 7, способной воспринимать без разрушения силы бокового давления промерзающего слоя грунта 2.
Оболочку 7 изготавливают из материала, прочностные и деформационные характеристики которого обеспечивают возможность подъема оболочки на величину максимального выпучивания промерзающего слоя грунта δ (фиг.1,б) и ее обратного возврата за счет упругих сил материала после полного оттаивания слоя 2 (фиг.1,а).
Верхний конец оболочки 7 при помощи упора 8 прикрепляют к опорному элементу 1. Реактивные усилия на верхний конец опорного элемента 1 должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте 4 ниже границы 3 слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания. В противном случае опорный элемент будет выдергиваться из грунта 4. На нижнем конце защитной оболочки 7 устраивают наконечник 5, закрывающий зазор между оболочкой 7 и поверхностью опорного элемента 1, заполненный первым слоем 6 из незамерзающего материала и ограничивающий проникновение в указанный зазор воды и механических частиц. Желательно, чтобы наконечник 5 имел заострение, уменьшающее сопротивление грунта обратному погружению защитной оболочки 1 в слой грунта 2 после его оттаивания.
По способу 3: В нижнем положении по способу 2 усилие вдавливания нижнего конца защитной оболочки 7 (оболочка на фиг.1,а показана сплошной линией) равно нулю. При достаточно плотном грунте слоя грунта сезонного оттаивания-промерзания 2 нижний конец оболочки, сжатой при пучении, в конце цикла оттаивания грунта зависнет и не сможет вернуться в исходное положение на уровень 3.
Способ 3 отличается тем, что защитную оболочку 7 делают длиннее, чем при способе 2 (изображена пунктирной линией на фиг.1,а). Ее нижний конец заглубляют ниже нижней границы 3 слоя сезонного промерзания-оттаивания 2. Этот слой обладает высокой влажностью. После упругого сжатия оболочки 7 под воздействием сил пучения грунта 2 (фиг.1,а) пустота 9, освободившаяся в грунте 4, заполнится незамерзшим влажным грунтом слоя 2 до уровня 3 и замерзнет. После первого цикла промерзания-оттаивания нижний конец оболочки 7 вернется на уровень нижней границы слоя 3 сезонного промерзания-оттаивания грунта 2. Оболочка 7 останется при этом в необходимом предварительно напряженном состоянии.
По способу 4: К опорному элементу 1 прикрепляют нижний конец защитной оболочки 7 каким-либо фиксирующим устройством 5, например кольцевой стяжкой и т.п. (фиг.2). Ее верхний конец закрывают от попадания в первый слой незамерзающего материала воды и механических частиц любым приемлемым способом, например козырьком 9, устанавливаемым на опорном элементе 1, или кольцевой пластиной 8, прикрепленной к верхнему торцу защитной оболочки и т.п. Максимальное упругое перемещение δ верхнего конца защитной оболочки 7 не должно ограничиваться, чтобы не создавались дополнительные выдергивающие нагрузки на опорный элемент 1. На фиг.2,а показано исходное положение защитной оболочки 1 и положение после полного оттаивания слоя сезонного оттаивания-промерзания грунта 2. На фиг.2,б показано положение защитной оболочки 1 при максимальном выпучивании слоя грунта сезонного оттаивания-промерзания 2 на величину δ. При этом реактивные усилия на опорный элемент 1 должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте 4 ниже нижней границы 3 слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания.
По способу 5: По способам 1-3 возврат верхнего конца защитной оболочки после оттаивания сезонно-промерзающего слоя грунта может быть неполным. Это может быть вызвано различными причинами, например неоднородностью грунта или накоплением остаточных деформаций в материале защитной оболочки. При этом накопившаяся за проектный срок службы сооружения величина невозврата не должна отрицательно повлиять на эксплуатационные параметры надземных конструкций этого сооружения.
По способу 6: Прочностные и деформационные характеристики материала защитной оболочки могут не соответствовать заданным исходным требованиям по способу 1, и оболочка окажется жестче, чем требуется. В этом случае на ее верхний конец устанавливают пружину сжатия 8, параметры которой соответствуют указанным требованиям (фиг.3). Можно установить и несколько пружин, равномерно распределенных по периметру верхнего конца оболочки 6.
Пружину 8 с помощью верхней опоры 9 прикрепляют к опорному элементу 1. Нижний конец пружины 8 устанавливают на нижний опорный элемент 7. На нижнем конце устраивают заостренный наконечник 5. Этот наконечник закрывает зазор между защитной оболочкой 7 и поверхностью опорного элемента 1 с первым защитным слоем 10 от проникновения воды и минеральных частиц.
На фиг.3,а показано положение защитной оболочки 7 в исходном положении, а также при ежегодном возврате в исходное положение после оттаивания слоя 2 сезонного промерзания-оттаивания грунта. В этом положении защитная оболочка 7 упирается в нижний слой грунта 4, не подвергающийся пучению.
На рис.3,б показано положение защитной оболочки 6 после морозного выпучивания поверхности слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2 на величину δ. Жесткая защитная оболочка 6 при этом перемещается вверх, а пружина 8 сжимается. При этом реактивные усилия на опорный элемент 1 должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте 4 ниже нижней границы 3 слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания.
По способу 7: Глубина слоя промерзания-оттаивания грунта 2 в процессе эксплуатации фундамента может ежегодно увеличиваться от начального уровня 3 до конечного уровня 6, заложенного в проектной документации (фиг.4). Указанный способ предназначен для этого случая.
По этому способу вокруг опорного элемента 1 последовательно размещены слои незамерзающего материала и защитных оболочек. Первая оболочка 9 - основная. Вторая оболочка 8 выполняет вспомогательные функции. При верхнем закреплении 10 первой защитной оболочки 9 ее нижний конец 5 устанавливают на проектном уровне 6, как и нижний конец второй (вспомогательной) защитной оболочки 8. Верхний конец второй оболочки 8 устанавливают на исходном уровне 3 подошвы сезонно-промерзающего слоя грунта 2.
На фиг.4,б показано положение защитной оболочек после первого морозного выпучивания слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2 на величину δ. Нижний конец первой оболочки не поднимается выше начального исходного уровня 3 подошвы сезонно-промерзающего слоя грунта 2. Вторая оболочка 8 не подвергается воздействию пучения, поэтому ее вертикальные перемещения отсутствуют.
В последующие годы глубина слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2 будет увеличиваться. После увеличения толщины этого слоя с начального уровня 3 до некоторого промежуточного уровня 10 перемещения вспомогательной оболочки 8 не будет (фиг.5,а).
Однако после того как подошва слой сезонного промерзания-оттаивания грунта опустится до нового уровня 4, то начнется выпучивание и оболочки 8 (фиг.5,б). Величина этих перемещений в нижней части слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2 будут меньше, чем перемещения основной защитной оболочки 11.
После достижения подошвой слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта проектного уровня 5 основная оболочка 7 с верхним закрепленным концом 8 в период оттаивания грунта занимает положение, указанное на фиг.6,а, а при промерзании слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта ее длина будет уменьшаться фиг.6,б. Этот процесс будет продолжаться до окончания проектного срока эксплуатации сооружения. Вспомогательная оболочка 4, постепенно поднимаясь, в итоге займет в слое сезонного промерзания-оттаивания окончательное промежуточное положение (фиг.6,б). Основная защитная оболочка на фиг.5 и 6,б показана в сжатом состоянии.
Способ 7 может применяться и для уменьшения сопротивления погружению в оттаянный грунт нижнего наконечника первой (основной) защитной оболочки при постоянной глубине слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта.
По способу 8: На примере первого прототипа было показано, что единственная защитная жесткая оболочка не обеспечивает надежности опорного элемента. С каждым годом надежность его защиты уменьшается и в итоге становится нулевой. Поэтому по способу 8 предлагается устанавливать не одну, а две или более защитных оболочек, способных гарантировать полную надежность защиты опорных элементов в течение проектного срока эксплуатации опирающихся на них сооружений. По мере подъема первой оболочки и уменьшения ее защитных свойств в работу включается вторая оболочка, затем следующая и т.д., полностью гарантируя надежность работы опорного элемента.
По этому способу вокруг опорного элемента 1 устанавливают несколько незамерзающих слоев и такое же количество защитных оболочек, например 7 и 8 (фиг.7,а). Под нижними концами оболочек устанавливают монтажные ограничители 6, прикрепленные к опорному элементу 1, нижний конец или верхний конец первой оболочки 8 посредством промежуточного связующего элемента 5 прикрепляют к боковой поверхности опорного элемента 1, при этом разрывное усилие связующего элемента 5 должно быть меньше несущей способности опорного элемента 1 на выдергивающие нагрузки в грунте ниже нижней границы 3 слоя сезонного промерзания-оттаивания 2.
Исходное монтажное положение защитных оболочек 7 и 8 указано на фиг.7,а.
На фиг.7,б показано взаимное положение защитных оболочек 7 и 8 в первый год морозного пучения, при промерзании слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2 на величину δ. Первая (внутренняя) оболочка 8, удерживаемая связующим элементом 5, остается в исходном положении, а вторая (внешняя) незакрепленная оболочка 7 под воздействием сил морозного пучения перемещается вверх. Второй непромерзающий слой является смазкой между оболочками 7 и 8. Он уменьшает трение между ними и благодаря этому способствует значительному уменьшению усилий, передаваемых внутренней оболочке 8, а через связующий элемент 5 и опорному элементу 1.
В последующие годы внешняя оболочка 7 будет подниматься выше, оголяя внешнюю боковую поверхность внутренней оболочки 8 (фиг.8,а). На эту поверхность начнут воздействовать касательные силы морозного пучения грунта, стремясь поднять внутреннюю оболочку 8, удерживаемую связующим элементом 5.
После разрушения связующего элемента 5 при морозном выпучивании грунта 2 будет продолжаться подъем внешней защитной оболочки 7 и начнется подъем внутренней защитной оболочки 8 (фиг.8,б). В дальнейшем внешняя защитная оболочка 7 может быть полностью вытеснена на поверхность грунта, а защиту опорного элемента будет осуществлять только внутренняя оболочка 8. При этом в работу включится и оголенная нижняя часть опорного элемента 1, но суммарная выдергивающая нагрузка на нее не должна превышать ее несущей способности ниже подошвы 3 слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта 2.
Исходное монтажное положение при варианте с тремя оболочками показано на фиг.9,а. При пучении слоя промерзания-оттаивания грунта 2 сначала начинается подъем внешней (третьей) оболочки 7, остальные две оболочки, удерживаемые связующими элементами 5 и 6, не перемещаются (фиг.9,б). Через несколько зимних сезонов после разрушения связующего элемента 5 продолжится подъем третьей оболочки 7 и начнется перемещение второй оболочки 8 (фиг.10,а). В дальнейшем разрушится следующий связующий элемент 6, произойдет сдвиг первой оболочки 9 и в дальнейшем будут перемещаться все три защитные оболочки.
По способу 9: Под нижними концами оболочек устанавливают монтажные ограничители 10, прикрепленные к опорному элементу (фиг.9). Это необходимо для удобства монтажных работ и фиксирования положения оболочек в исходном проектном положении.
По способу 10: На фиг.10,а видно, что внешняя оболочка 7 поднимается на максимальную величину по сравнению со второй оболочкой. Максимальное перемещение второй оболочки 8 больше, чем максимальный сдвиг внутренней оболочки 9. То есть оболочки можно изготавливать разной длины в соответствии с предварительным расчетом. Это позволит уменьшить расход материалов при изготовлении оболочек.
Длину внешней (последней) защитной оболочки можно сделать равной толщине слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта, а остальные оболочки могут иметь меньшую длину от уровня подошвы этого слоя в зависимости от максимальной величины подъема при пучении каждой из оболочек за плановый период эксплуатации надземного сооружения. Исходная схема монтажа такой системы оболочек показана на фиг.10,б.
По способу 11: Если защитные оболочки из мягкого материала 7 и 8 (фиг.10,а) в процессе пучения поднимаются выше поверхности грунта, то они могут нанести повреждения конструкциям надземного сооружения. В этом случае к опорному элементу можно прикрепить два диаметрально расположенных ножа 11 (фиг.11,б), которые будут разрезать мягкие оболочки на две половины, с изгибом падающие на поверхность грунта.
По способу 12: Последняя защитная жесткая оболочка при пучении грунта может вытесняться на большую величину, нанося повреждения конструкциям надземного сооружения. Чтобы воспрепятствовать этому, указанную оболочку можно сделать составной, разделенной по длине на две или более отдельных секций 16 и 9 (фиг.11), шарнирно соединенных между собой на стыках секций в двух точках с противоположных сторон опорного элемента (шарнир 3 на фиг.11, шарниры 13 на фиг.12 и 13). Каждая разделяющаяся секция состоит из двух продольных половинок 2, соединенных между собой в нескольких точках (на фиг. показаны две точки) по линиям соединения связующими элементами 14 (фиг.12), при этом в стык 15 (фиг.12) между продольными половинками 2 на уровне поверхности грунта при монтаже вставляется нож 11 (фиг.11-13), прикрепленный к опорному элементу 1 (фиг.11 и 13). Нож предназначен для разрезания связующих элементов 14 в процессе подъема последней защитной оболочки, при этом точки шарнирных соединений секций располагают ортогонально к линиям стыка половинок секций (фиг.12). На фиг.11-б и 13 показано положение продольных половинок 2 верхней секции крайней защитной оболочки. В этом положении они лежат на поверхности грунта, не нанося повреждения конструкциям надземного сооружения.
Внутренние защитные оболочки 8 (если они неразъемные) должны быть короче последней оболочки 9 по способу 10 и в предельном состоянии в конце срока эксплуатации сооружения не должны достигать уровня ножа 11 (фиг.11-б и 13).
По способу 13: Этот способ применим для случая, когда первая защитная оболочка является жесткой, а следующие защитные оболочки изготовлены из мягкого материала и могут легко разрезаться ножом 11 (фиг.12).