СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ФУНДАМЕНТА И ЕГО УСТРОЙСТВО
METHOD FOR CONSTRUCTION OF FOUNDATION AND ITS DESIGN

Группа изобретений относится к строительству, в частности к строительству фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Известен способ строительства сборных железобетонных фундаментов в форме гиперболического параболоида, оболочку из сборного железобетона которого монтируют на строительной площадке в котловане с плоским дном. Полость оболочки заполняют в заводских условиях материалом, заменяющим грунт (см. Тетиор А.Н. Проектирование и сооружение экономичных конструкций фундаментов. - Киев: «Будiвельник», 1975, с.76-150). Недостатками способа являются: значительные трудовые и материальные затраты; высокая стоимость изготовления, транспортировки и монтажа фундамента.
Известен сборный железобетонный фундамент, включающий сборную железобетонную оболочку в форме гиперболического параболоида, полость которой заполнена в заводских условиях материалом, заменяющим грунт (см. Тетиор А.Н. Проектирование и сооружение экономичных конструкций фундаментов. - Киев: «Будiвельник», 1975, с.76-150). Недостатками фундамента являются: заполнитель обладает податливостью, что допускает произвольное изменение напряженно-деформированного состояния в его теле; плоская подошва фундамента, формирующая седлообразную эпюру контактных с основанием напряжений, затрудняет определение его расчетной физически максимально возможной несущей способности.
Наиболее близким техническим решением является способ строительства монолитных железобетонных фундаментов в форме монолитной железобетонной наружной усеченной конической оболочки с уширением в нижней части, с размещенным в ней заполняющим материалом различной прочности, уложенным слоями по горизонтальному и вертикальному направлениям, и с уплотненным ядром из грунта, сформированным под плоской подошвой фундамента в виде тангенсоида вращения вокруг его вертикальной оси действием расчетной вдавливающей нагрузки от массы фундамента, грунта, лежащего на боковой поверхности конической оболочки, и надземной части строения (см. Борозенец Л.М. Использование предельных углов наклона элементарных площадок скольжения в грунтах для решения проблем в гидротехническом строительстве. Сб. мат. 4-й Международной научно-практической конференции «Проблемы использования водных ресурсов и экологии гидросферы». - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2001. С.91-95), (см. Патент на изобретение RU №2367743 С2, МПК Е02D 27/01/2009 «Фундамент»; авторы: Ланчкин С.В., Феклин В.И.; заявка: 2007122843/03, 18.06.2007; опубликовано: 20.09.2009. Бюллетень №2), принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что способ требует значительных затрат вследствие выполнения трех видов дорогостоящих разнопрочных элементов заполнения оболочки, за два последовательных периода укладки и твердения тяжелых материалов заполнителя, в двух различных формах опалубки для них; тангенсоид вращения трансформирует сопротивление грунта по своей боковой поверхности на плоскую подошву фундамента в виде седлообразной эпюры контактных напряжений, что усложняет расчетную схему конструкции фундамента при определении ее прочности.
Известен монолитный фундамент, включающий монолитную железобетонную усечено-коническую оболочку с уширением нижней части стенки, заполненную двумя нижними слоями материала по вертикали и одним верхним слоем материала по горизонтали, и уплотненное ядро в форме тангенсоида вращения (см. Патент на изобретение RU №2367743 С2, МПК Е02D 27/01/2009 «Фундамент»; авторы: Ланчкин С.В., Феклин В.И.; заявка: 2007122843/03, 18.06.2007; опубликовано: 20.09.2009. Бюллетень №26), принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного фундамента, принятого за прототип, относят то, что этот фундамент требует больших затрат на его изготовление из тяжелых и дорогих материалов заполнителя; он имеет плоскую подошву, которая формирует в основании уплотненное ядро из грунта в виде тангенсоида вращения вокруг его вертикальной оси, поэтому значительно усложняет расчетные схемы как несущей способности основания, так и их конструкций.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявляемая группа изобретений направлена на решение задачи - внедрение в строительное производство фундаментов инвентарной конической составной секционной опалубки заполнителя; изготовление заполнителя из одного вида легкого дешевого композиционного строительного материала; выполнение конструктивного строительного элемента с подошвой плоско-вогнуто-выпуклой формы; формообразование действием расчетной вдавливающей нагрузки от строения под подошвой конструктивного строительного элемента грунтового строительного элемента в виде кругового конуса.
Технический результат - осуществление новых условий взаимодействия фундамента с его основанием, повышающих качество, надежность, несущую способность основания, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность фундамента.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что фундамент сооружают из конструктивного и грунтового строительных элементов, при изготовлении конструктивного строительного элемента, включающего подготовку дна котлована под подошву, устройство наружной оболочки усечено-конической формы с уширением нижней части стенки с размещенным в ней жестким заполняющим материалом и формирование уплотненного ядра грунта, под подошву конструктивного строительного элемента в грунте ниже выровненной плоской поверхности дна котлована соосно с сооружаемым фундаментом выполняют углубление плоско-выпукло-вогнутой формы вращения по заданным геометрическим параметрам; заполнитель выполняют фракционно-структурным из глинисто-цементно-песчаной композиции, одной расчетной марки по прочности его материала; заполняющий материал укладывают в нижнюю секцию инвентарной составной конической опалубки, соосно расположенной с углублением в грунте, послойно, рассосредоточенной наброской горизонтальных рядов фракций комковой глины с последующей заливкой каждого ряда наброски цементно-песчаным раствором текучей консистенции и его составом, обеспечивающим проектную прочность заполнителя после твердения, после наполнения первой секции опалубку наращивают второй секцией с жестким соединением и осуществляют аналогично предыдущему ее наполнение заполняющим материалом, далее операции повторяют до укладки заполнителя на проектную высоту; подошву конструктивного строительного элемента осуществляют плоско-вогнуто-выпуклой формы вращения по заданным геометрическим параметрам углубления в грунте, используемого в качестве грунтовой опалубки, путем укладки в нее сначала фракционно-структурного композиционного материала заполнителя и затем бетонной смеси в нижней части уширения стенки конической оболочки; грунтовый строительный элемент формируют под плоско-вогнуто-выпуклой подошвой конструктивного строительного элемента действием расчетной вдавливающей нагрузки на грунт основания фундамента, как уплотненное ядро, в виде кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте с углом при его вершине, равным двум значениям угла внутреннего трения грунта.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что фундамент состоит из конструктивного и грунтового строительных элементов, что конструктивный строительный элемент, включающий наружную монолитную железобетонную оболочку усечено-конической формы с уширением нижней части стенки и размещенный в ней жесткий заполнитель, имеет заполнитель из одинакового по прочности фракционно-структурного материала из глинисто-цементно-песчаной композиции и содержит подошву плоско-вогнуто-выпуклой формы вращения с заданными геометрическими параметрами; грунтовый строительный элемент, включающий уплотненное ядро грунта, имеет форму кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте, с плоско-выпукло-вогнутой формой основания конуса, с величиной угла при его вершине, равной двум значениям угла внутреннего трения грунта.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше, и вышеуказанным техническим результатом. Углубление в грунте ниже плоской поверхности дна котлована и использование его в качестве грунтовой опалубки позволяет осуществлять подошву конструктивного строительного элемента плоско-вогнуто-выпуклой формы, с помощью которой формируется уплотненное ядро, как грунтовый строительный элемент, в виде кругового конуса, реализующего физически максимально возможную несущую способность основания. Применение секционной составной конической опалубки и последовательно послойная укладка рассосредоточенной наброской одного ряда фракций комковой глины с последующей заливкой его до верха фракций цементно-песчаным раствором текучей консистенции и состава, обеспечивающего проектную прочность заполняющего материала, технологически гарантируют высокое качество жесткого заполнителя. Использование заполняющего материала одной расчетной марки по прочности значительно упрощает расчетные схемы конструкций как заполнителя, так и усечено-конической оболочки; уменьшает материалоемкость, трудоемкость, продолжительность изготовления и капитальные затраты; улучшает условия взаимодействия с усечено-конической оболочкой и уплотненным ядром. Изготовление материала фракционно-структурным из глинисто-цементно-песчаной композиции позволяет получать жесткую конструкцию заполнителя из фракций комковой глины твердой или полутвердой консистенции и цементно-песчаного раствора, что уменьшает расход песка до 50% от объема заполнителя, цемента - до 30% от объема песка, существенно снижая вес и стоимость материала. Устройство подошвы конструктивного строительного элемента плоско-вогнуто-выпуклой формы вращения с заданными геометрическими параметрами позволяет формировать уплотненное ядро в виде кругового конуса, чем обеспечивается максимальное равномерно распределенное реактивное давление основания на его подошву. Равномерное уплотнение грунта в теле ядра по всей его высоте способствует достижению максимальных равномерных значений сжимающих нормальных и сдвигающих касательных напряжений, действующих по образующей боковой поверхности конуса, что обеспечивает реализацию наибольшей несущей способности основания. Получение ядра в форме кругового конуса с углом при его вершине, численно равным двум значениям угла внутреннего трения грунта, позволяет легко и точно определить его размеры, что дает упрощение и высокую степень достоверности расчетов; воспринять и равномерно распределить максимально возможное реактивное давление основания на боковую поверхность конуса и передать его на подошву конструктивного строительного элемента в значениях максимально возможного и равномерно распределенного реактивного контактного давления, с этим связана надежность работы основания фундамента; установить, что площадь боковой поверхности уплотненного ядра в виде кругового конуса по размеру превышает площадь боковой поверхности тангенсоида вращения, примерно, в 1,2 раза, что во столько же увеличивает значение несущей способности основания. При плоско-вогнуто-выпуклой форме вращения подошвы конструктивного строительного элемента повышается устойчивость основания по его подошве при действии горизонтальных нагрузок, что увеличивает надежность и техническую конкурентную способность фундамента. Устройство, состоящее из конструктивного и грунтового строительных элементов, позволяет одновременно воспринимать нагрузку усечено-конической оболочкой, жестким заполнителем и уплотненным ядром; передавать нагрузку усечено-конической оболочкой на заполнитель и на уплотненное ядро и заполнителем на уплотненное ядро, а уплотненным ядром, как грунтовым строительным элементом, на его качественно улучшенное уплотнением грунтовое основание; повысить качество, надежность, несущую способность основания, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность фундамента.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку эта группа образует единый изобретательский замысел, причем заявленный объект группы - способ строительства фундамента при его осуществлении предназначен в совокупности для изготовления первого из заявленных объектов группы устройство - конструктивного строительного элемента и для формирования с его помощью другого заявленного объекта группы устройство - грунтового строительного элемента, при этом все три объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата. По объекту-способу отмечается, что строительство фундамента осуществляют из конструктивного строительного элемента, подошву которого выполняют плоско-вогнуто-выпуклой формы в грунтовой опалубке, с применением заполняющего материала с одинаковой прочностью, фракционно-структурного из глинисто-цементно-песчаной композиции, укладываемого послойно в инвентарной секционной составной конической формы опалубке, и монолитного железобетона, укладываемого в инвентарную опалубку оболочки, а также из грунтового строительного элемента, формируемого под плоско-вогнуто-выпуклой подошвой конструктивного строительного элемента и рассматриваемого как уплотненное ядро, в виде кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте под действием на него расчетной вертикальной нагрузки от массы конструктивного строительного элемента, грунта, лежащего на боковой поверхности конической оболочки, и надземной части строения.
По объекту-устройству или фундаменту на фиг.1 изображен его вертикальный разрез, на фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.
Фундамент включает конструктивный и грунтовый строительные элементы. Конструктивный строительный элемент состоит из монолитной железобетонной усечено-конической оболочки 1 и заполняющего материала 2. Оболочка 1 и заполнитель 2, как конструктивный строительный элемент, опираются на уплотненное ядро 3, рассматриваемое в качестве грунтового строительного элемента. Для увеличения жесткости оболочки 1 в нижней части ее стенки устроено уширение 4, а для равномерного распределения контактных напряжений в грунте подошва 5 уширения 4 выполнена плоско-вогнутой формы с заданными геометрическими параметрами. Верхняя часть усечено-конической оболочки 6 завершается жестким диском 7, венчаемым либо стаканом 8 под сборные железобетонные колонны, либо без него под монолитные железобетонные или стальные колонны или фундаментные балки. Заполняющий материал 2 оболочки изготовлен из структурной жесткой композиции фракций комковой глины твердой или полутвердой консистенции 9 и цементно-песчаного раствора 10 с подошвой 11 вогнуто-выпуклой формы по заданным геометрическим параметрам для равномерного распределения контактного давления грунта по ней. Грунтовый строительный элемент или уплотненное ядро 3 формируется под действием расчетной вдавливающей нагрузки от строения с развитием допустимой осадки S плоско-вогнуто-выпуклой подошвы 12 конструктивного строительного элемента в зоне его грунтового основания из равномерно уплотненного по глубине грунта 13 в виде пространственной фигуры кругового конуса 3 относительно вертикальной оси с расчетными размерами, определяемыми углом при его вершине, равным двум значениям угла внутреннего трения грунта, и диаметром его основания. Предложенная комбинированная плоско-вогнуто-выпуклая форма подошвы 12 конструктивного строительного элемента с постепенным переходом кривизны вогнутого кольца 5 от касательной плоскости у ее краев до сопряжения с выпуклым шаровым сегментом 11 на фиг.1 преобразует форму тангенсоидов вращения уплотненных ядер как для плоской, так и выпуклой форм подошв фундаментов в форму кругового конуса упругого ядра 3, которое формирует реактивное равномерно распределенное контактное давление основания на подошву по эпюре со значением ординаты, численно равной величине ординаты, эквивалентной равномерному распределению эпюры для подошвы плоской формы или такой же эпюры для подошвы выпуклой формы, которые указывают физически максимально возможную несущую способность основания. Следовательно, уплотненное ядро 3, принятое за грунтовый строительный элемент, в виде кругового конуса, формируется под действием вертикальной расчетной вдавливающей нагрузки от массы конструктивного строительного элемента, грунта, лежащего на боковой поверхности конической оболочки, и надземной части строения с развитием допустимой осадки S предложенной комбинированной плоско-вогнуто-выпуклой формы подошвы 12 конструктивного строительного элемента.
Заявленная группа изобретений предназначена для применения при строительстве фундаментов промышленных и гражданских зданий и других сооружений.
В настоящее время известны все средства и методы для осуществления заявленной группы изобретений.
Использование группы изобретений ведет к снижению затрат на строительство фундаментов зданий и других сооружений путем их изготовления из конструктивного строительного элемента, выполняемого с применением заполняющего материала конической оболочки, например, из глинисто-цементно-песчаной композиции и из грунтового строительного элемента, формируемого в процессе строительства из местных грунтов основания под подошвой конструктивного строительного элемента в виде кругового конуса.
На основании новизны технических решений группы изобретений для строительства фундамента осуществляются новые условия взаимодействия с его основанием, повышающие качество, надежность, несущую способность основания, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность фундамента.