Ленточно-мембранный фундамент мелкого заложения
STRIP-MEMBRANE SUBSURFACE FOUNDATION

Изобретение относится к строительству и используется при сооружении ленточно-мембранных фундаментов мелкого заложения для зданий преимущественно малой и средней этажности.
Известен оболочечный фундамент мелкого заложения (Патент РФ №2223368, МПК E02D 27/01, опубликован 10.02.2004), включающий оболочку, уложенную на грунтовое основание. Оболочка выполнена тонкостенной из армированного бетона нулевой или положительной Гауссовой кривизны с соотношением стрелы подъема к пролету  и соотношением высоты сечения к пролету  и ограничена опорным контуром в виде кольца или системы перекрестных балок, при этом армирование оболочки выполнено однослойным стальной или синтетической арматурой, заанкеренной в теле бетона опорного контура.
Недостатком известного фундамента являются технологические трудности, связанные с производством большого объема ручных земляных работ, выполняемых при формировании грунтового основания под оболочку нулевой или положительной Гауссовой кривизны, наличие железобетонной оболочки увеличивает трудоемкость производства работ и материалоемкость фундамента, при действии растяжения и изгиба наличие арматуры в центре сечения оболочки приводит к появлению трещин и коррозии стальной арматуры, недостаточно проработан вопрос о включении арматуры оболочечной части фундамента в работу при нагружении фундамента вертикальной нагрузкой, а так же недостатком является то, что не в полной мере используются прочностные характеристики пролетной части фундамента.
Известен фундамент в виде жестких ортогональных лент, объединенных гибкими выпуклыми вверх оболочками, устроенными по криволинейной поверхности (Патент РФ №2393297, МПК E02D 27/01, опубликован 27.06.2010 бюллетень №18), содержащий искусственное основание с криволинейной поверхностью, несущие элементы и оболочку, расположенную на основании, при этом несущие элементы выполнены в виде радиальных и кольцевых лент для оболочек с положительной Гауссовой кривизной или поперечных и продольных лент для оболочек с нулевой Гауссовой кривизной, образующих сетчатую оболочку, уложенных через прокладки, состоящие из двух слоев материала, скользящих относительно друг друга, на бетонную поверхность, образованную на криволинейной поверхности искусственного основания, расположенного в котловане и обращенного выпуклостью вверх, причем радиальные или поперечные ленты прикреплены краями к опорному контуру в виде опорного кольца или системы перекрестных балок, который заглублен в естественное основание, а между бетоном оболочки и опорным контуром находится прокладка из упругого материала.
Недостатком такого решения является трудоемкость формирования искусственного основания с криволинейной поверхностью, необходимость производства повышенного контроля качества, сложность производства работ при атмосферных осадках, наличие бетонной оболочки увеличивает трудоемкость производства работ и материалоемкость фундамента, так же возникает неравномерное, неконтролируемое включение в работу пролетной части фундамента, за счет чего происходит неравномерная осадка фундамента, а так же возникают технологические сложности прикрепления радиальных или поперечных лент краями к опорному контуру в виде опорного кольца или системы перекрестных балок.
Известен плитно-ребристый фундамент мелкого заложения (Патент РФ №2561441, МПК E02D 27/01, опубликован 27.08.2015 бюллетень №24), содержащий заглубленные в грунт фундаментные ребра по силовым осям здания, тонкую сплошную плиту в пролетной зоне и демпфирующую прокладку между плитой и грунтовым основанием, которая выполнена из плитного сильно сжимаемого материала, толщина которой подобрана из условия передачи на грунт основания через фундаментные ребра давления, обеспечивающего осадку этих ребер на величину, равную толщине демпфирующей прокладки и соответствующую расчетному сопротивлению упомянутого грунта, с исчерпанием сжатия материала демпфирующей прокладки обеспечена возможность ее обжатия с формированием единого фундамента и зоны уплотнения под ним в прочных поверхностных слоях грунта с перераспределением усилия его отпора с пролетной зоны фундамента на его ребра.
Недостатком такого решения является повышенная материалоемкость и трудоемкость устройства фундамента в части производства арматурных и бетонных работ, а так же неконтролируемое включение в работу демпфирующей прокладки между плитой и грунтовым основанием при устройстве фундаментных ребер по силовым осям здания на прочных несжимаемых грунтах.
Известен ленточно-оболочечный фундамент мелкого заложения (Патент РФ №2689957, МПК E02D 27/01, опубликован 29.05.2019 бюллетень №16), содержащий заглубленные в грунт опорные контуры по несущим осям здания, серповидную сплошную оболочку в пролетной зоне, отличающийся тем, что фундамент снабжен грунто-цементными блоками и демпфирующей прокладкой, при этом грунто-цементные блоки установлены в подоболочечном пространстве в пролетной зоне и имеют прочность на сжатие меньше прочности серповидной сплошной железобетонной оболочки, но больше прочности на сжатие грунта, а демпфирующая прокладка расположена между опорными контурами и грунтовым основанием и выполнена из плитного сильно сжимаемого материала.
Недостатком такой конструкции является наличие серповидной сплошной оболочки в пролетной зоне, что увеличивает трудоемкость производства работ и материалоемкость фундамента, при действии растяжения и изгиба наличие арматуры в центре сечения оболочки приводит к появлению трещин и коррозии стальной арматуры, наличие грунто-цементных блоков в пролетной части приводит к увеличению трудоемкости внеплощадочных работ, необходимости наличия специального оборудования для изготовления грунто-цементных блоков, а так же расположение демпфирующей прокладки между опорными контурами и грунтовым основанием с последующим устройством по демпфирующей прокладке щебеночной подготовки и слоя тощего бетона по щебню приведет к втрамбовыванию щебня в тело демпфирующей прокладки при устройстве опорных железобетонных контуров.
Наиболее близким к изобретению по техническому решению, принятому за прототип, является фундамент, содержащий естественное или искусственное основание с криволинейной цилиндрической поверхностью, мембрану, уложенную на основание и опорный контур в виде системы перекрестных балок (Патент РФ №2491386, МПК E02D 27/01, опубликован 27.08.2013 бюллетень №24). Мембрана уложена через прокладки, состоящие из двух слоев материала, скользящих относительно друг друга, на криволинейную цилиндрическую поверхность естественного или искусственного основания, расположенного в котловане и обращенного выпуклостью вверх. В поперечном направлении мембрана прикреплена краями к опорному контуру в виде системы перекрестных балок, который заглублен в естественное основание.
Недостатком прототипа является неравномерное, неконтролируемое включение в работу пролетной части фундамента, за счет чего происходит неравномерная осадка фундамента, а так же не в полной мере используются прочностные характеристики естественное или искусственного основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, а так же возникают технологические трудности при устройстве естественного или искусственного основания с криволинейной цилиндрической поверхностью, а так же при прикреплении мембраны в поперечном направлении к опорному контуру, требующее повышенной прочности и надежности соединения.
Задачей изобретения является повышение эффективности использования ленточно-мембранных фундаментов мелкого заложения, рациональное устройство основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, снижение материалоемкости фундамента и трудоемкости земляных работ, повышение прочности и надежности соединения мембраны с опорным железобетонным контуром, повышение расчетного сопротивления основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, снижение величины осадки фундамента и возможность осуществления контроля включения в работу основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента.
Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: повышение эффективности использования и расширение области применения ленточно-мембранных фундаментов мелкого заложения за счет обеспечения технологической простоты устройства фундамента; рациональное устройство основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента из грунтоцементного массива, выполненного из местного материала грунта, извлекаемого при разработке котлована, как следствие, снижение материалоемкости фундамента и трудоемкости производства земляных работ; повышение расчетного сопротивления основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, за счет улучшения физико-механических характеристик грунта в результате применения грунтоцементного массива, обладающего повышенными прочностными характеристиками, как следствие, снижение величины осадки фундамента; а так же возможность осуществления контроля включения в работу основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненного из грунтоцементного массива, за счет применения демпфирующей прокладки, расположенной на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию, что позволяет без деформаций использовать сжимающие характеристики демпфирующей прокладки; повышение прочности и надежности соединения мембраны с опорным железобетонным контуром за счет защемления мембраны в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой. При обжатии демпфирующей прокладки под воздействием вертикальных несущих элементов на опорный железобетонный контур, происходит натяжение мембраны, выполненной из композиционного материала с фиброй, уложенной по основанию с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненному из грунтоцементного массива, прочность которого выше прочности грунтового основания, вследствие чего, осуществляется более эффективное взаимодействие системы «опорный железобетонный контур-мембрана-грунтоцементный массив».
Для решения данной задачи и достижения технического результата предложен ленточно-мембранный фундамент мелкого заложения, который, как и прототип, содержит основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, мембрану, уложенную на основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, и опорный железобетонный контур в виде системы перекрестных балок. В отличие от прототипа основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента выполнено из грунтоцементного массива, а мембрана выполнена из композиционного материала с фиброй и в поперечном направлении защемлена краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой, при этом демпфирующая прокладка расположена на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию. При этом грунтоцементный массив имеет прочность на сжатие больше прочности на сжатие грунтового основания Rгр<Rгрц, где:
Rгр - прочность на сжатие грунтового основания;
Rгрц - прочность на сжатие грунтоцементного массива.
Демпфирующая прокладка, расположенная на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию, позволяет при сжатии включать в работу основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненное из грунтоцементного массива, за счет натяжения мембраны из композиционных материалов с фиброй, которая в поперечном направлении защемлена краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выполнение основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента из грунтоцементного массива, имеющего прочность на сжатие больше прочности на сжатие грунтового основания Rгр<Rгрц, обеспечивает снижение материалоемкости фундамента и трудоемкости земляных работ, повышение расчетного сопротивления основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, снижение величины осадки фундамента. Дополнение фундамента демпфирующей прокладкой, расположенной на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию, позволяет без деформаций использовать сжимающие характеристики демпфирующей прокладки, а также, за счет обжатия материала прокладки под нагрузкой, позволяет контролировать включение в работу основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненного из грунтоцементного массива, за счет его обжатия мембраной из композиционных материалов с фиброй, которая в поперечном направлении защемлена краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой, а так же позволяет увеличить эффективность взаимодействия системы «опорный железобетонный контур-мембрана-грунтоцементный массив».
Указанное технологическое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 -представлен общий вид ленточно-мембранного фундамента мелкого заложения, на фиг. 2 - показана работа фундамента на первой стадии, на фиг. 3 - показана работа фундамента на второй стадии.
Ленточно-мембранный фундамент мелкого заложения состоит из опорных железобетонных контуров 1 в виде системы перекрестных балок, выполненных по несущим осям здания, основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненного из грунтоцементного массива 2, мембраны из композиционных материалов с фиброй 3, уложенной по основанию с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненному из грунтоцементного массива 2 и защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4, демпфирующая прокладка 4, расположена на бетонной подготовке 5, выполненной по песчаной подготовке 6, устраиваемой по грунтовому основанию 7, вертикальных несущих элементов 8 (стен, колон). Основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненное из грунтоцементного массива 2 имеет прочность на сжатие больше прочности на сжатие грунтового основания 7. Мембрана из композиционных материалов с фиброй 3 выполнена, например из ламината, холста или геосетки, защемлена в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4. Демпфирующая прокладка 4 выполнена из плитного сильно сжимаемого материала, например из пенополистирола, расположена на бетонной подготовке 5, выполненной по песчаной подготовке 6, устраиваемой по грунтовому основанию 7. Толщина демпфирующей прокладки «х» подобрана из условия передачи на грунтовое основание 7 через опорные железобетонные контуры 1 давления, обеспечивающего осадку этих опорных железобетонных контуров на величину, равную толщине демпфирующей прокладки; с исчерпанием сжатия материала демпфирующей прокладки обеспечена возможность ее обжатия с формированием единого фундамента и зоны уплотнения под ним с одновременным натяжением мембраны из композиционных материалов с фиброй 3, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4, уложенной по основанию с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненному из грунтоцементного массива 2, вследствие чего происходит включение в работу пролетной части фундамента.
Способ устройства ленточно-мембранного фундамента мелкого заложения осуществляется следующим образом.
Производится механизированная разработка грунта по всей площади котлована до нижней отметки основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненного из грунтоцементного массива 2 с учетом технологического уширения дна котлована; затем производят ручную доработку грунтового основания 7 по всей площади дна котлована и устраивают песчаную подготовку 6 из песка толщиной 100-150 мм; затем формируется основание с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента из грунтоцементного массива 2, создающего криволинейную цилиндрическую поверхность таким образом, чтобы высота подъема стрелы цилиндрической поверхности была в пределах (1/8÷1/20)L, где L - величина пролетной части фундамента; по несущим осям здания на ширину опорного железобетонного контура 1 устраивается подготовка из бетона 5 класса В7,5, по которой, после набора прочности, производят укладку демпфирующей прокладки 4 из сильно сжимаемого материала (пенополистирол) толщиной «х»; затем по основанию с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненному из грунтоцементного массива 2 и демпфирующей прокладке 4 укладывают мембрану из композиционного материала с фиброй 3; затем устанавливают опалубку, арматурные каркасы и бетонируют опорные железобетонные контуры 1 в виде системы перекрестных балок, тем самым производя защемление мембраны в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой; осуществляют уход за бетоном и распалубливание. После набора прочности опорных железобетонных контуров 1 производят устройство вертикальных несущих элементов 8 (стен, колон). При нагружении опорных железобетонных контуров вертикальными несущими элементами 8 (стенами, колоннами) происходит контролируемая осадка конструкции фундамента за счет обжатия демпфирующей прокладки 4 на величину, равную толщине «х» демпфирующей прокладки 4, в процессе чего происходит натяжение мембраны из композиционных материалов с фиброй 3, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4, уложенной по основанию с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненному из грунтоцементного массива 2, вследствие чего происходит включение в работу пролетной части фундамента.
Работа фундамента осуществляется следующим образом.
На I стадии работы фиг. 2 нагрузки P от вертикальных несущих элементов 8 (стен, колон) передаются на грунтовое основание 7 через давление опорных железобетонных контуров 1 на демпфирующие прокладки 4 по несущим осям здания за счет обжатия этих прокладок. При полном обжатии под нагрузкой демпфирующей прокладки 4 при х=0 происходит контролируемая осадка опорных железобетонных контуров 1 фундамента и натяжение мембраны из композиционных материалов с фиброй 3, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4 и, как следствие, включение в работу основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента выполненного из грунтоцементного массива 2, при этом в пролетной части формируются локальные зоны уплотнения в прочных поверхностных слоях.
На II стадии работы фиг. 3 после осадки опорных железобетонных контуров 1 на величину, равную толщине демпфирующих прокладок 4, исчерпания "свободного хода" прокладок, и включения в работу мембраны из композиционных материалов с фиброй 3, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром 1 и демпфирующей прокладкой 4, происходит осадка опорных железобетонных контуров 1 по несущим осям здания. При этом глубина сжимаемой толщи для предложенного изобретения снижается в 10-15 раз по сравнению с неконтролируемо загруженным основанием.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики заявляемого ленточно-мембранного фундамента мелкого заложения и прототипа.
Таким образом, преимущества предлагаемой конструкции фундамента состоят в следующем:
- рациональное устройство основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента из грунтоцементного массива, как следствие, снижение материалоемкости фундамента и трудоемкости производства земляных работ;
- повышение расчетного сопротивления основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, за счет его устройства из грунтоцементного массива, имеющего прочность на сжатие больше прочности на сжатие грунтового основания;
- снижение конечной величины осадки фундамента за счет использования прочного грунтоцементного массива в качестве основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, которое включается в работу при помощи мембраны, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой, на 1 стадии за счет обжатия демпфирующих прокладок из пенополистирола, расположенных на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию;
- контролируемое включение в работу основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента, выполненного из грунтоцементного массива за счет натяжения мембраны, защемленной в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой, в результате обжатия демпфирующей прокладки из пенополистирола, расположенной на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию;
- защемление мембраны в поперечном направлении краями между опорным железобетонным контуром и демпфирующей прокладкой позволяет повысить прочность и надежность соединения мембраны с опорным железобетонным контуром и повысить эффективность взаимодействие системы «опорный железобетонный контур-мембрана-грунтоцементный массив»;
- укладка демпфирующей прокладки на бетонной подготовке, выполненной по песчаной подготовке, устраиваемой по грунтовому основанию, позволяет без деформаций использовать сжимающие характеристики демпфирующей прокладки, повышая эффективность взаимодействие системы «опорный железобетонный контур-мембрана-грунтоцементный массив»;
- использование в качестве основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента грунтоцементного массива, обеспечивает качественное основание под мембрану, снижение трудозатрат при укладке мембраны, снижение трудозатрат на производство земляных работ, обеспечивающих возможность выполнения работ при воздействии атмосферных осадков;
- устройство основания с криволинейной цилиндрической поверхностью в пролетной части фундамента из грунтоцементного массива из местного материала грунта, извлекаемого при разработке котлована, обеспечивает технологическую простоту производства ленточно-мембранных фундаментов.