Способ защиты фундамента сооружения в зоне здания для поддержания влажного режима на пучинистых грунтах
METHOD OF PROTECTING A STRUCTURE FOUNDATION IN A BUILDING AREA TO MAINTAIN A WET MODE ON HEAVING SOILS

Изобретение относится к строительству, а именно к сооружениям, возводимых на пучинистых при промерзании и просадочных при оттаивании грунта, и предназначено для проведения сброса избыточной воды из грунта при строительстве и реконструкции зданий.
Известен способ устройства фундаментов в вытрамбованных котлованах, когда целью изменения плотности пучинистого грунта естественного сложения и, как следствие, уменьшения интенсивности его пучения для вытрамбования котлованов применялась трамбовка в виде усеченной пирамиды (B.C. Сажин, В.Я. Шишкин, А.С. Волох. Проектирование и строительство фундаментов сооружений на пучинистых грунтах. - Саратов: изд-во Саратовского Университета, 1988. - 235 с., с. 214 /1/.
Известен способ защиты сооружений на локально-уплотненных пучинистых грунтах (Жулин В.Я. Исследование совместной работы локально-уплотненных оснований и мелко заглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. Автореферат диссертации кандидата технических наук. - М., 1974, с. 3-5) /2/. Способ осуществляется путем забивки в грунт с последующим извлечением из него специального металлического уплотнителя, образующего в грунте гнездо. В основании гнезда создается ядро, обладающее непучинистыми свойствами.
В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующее:
- забивка уплотнителя производится сваебойным агрегатом, а его извлечение - лебедкой сваебоя. В образовавшееся гнездо устанавливается сборный железобетонный фундамент. Таким образом, на изготовление одного фундамента требуется несколько операций, характеризуемых высокими материальными и энергетическими затратами, а также значительной трудоемкостью;
- ограниченность размеров уплотненного грунтового ядра в сравнении с мощностью промерзающего слоя не позволяет устранить пучинистые свойства грунта на всю глубину промерзания;
- невозможность внедрения в зону уплотнения в достаточном объеме материалов, изменяющих свойства грунтов промерзающего слоя;
- невозможность применения в стесненных городских условиях ввиду деформирования существующих зданий и сооружений от динамических воздействий.
Ограниченность способа по аналогу заключается также в том, что его можно применять только для нового строительства. Для защиты фундаментов существующих сооружений от деформации пучения, а также повышения несущей способности их оснований известный способ применять нельзя. Кроме того, процесс защиты фундамента сооружении от деформаций в условиях глубокого сезонного промерзания и затем оттаивания в условиях положительных температур на пучинистых грунтах не предусматривает поддержания необходимого уровня частичного отвода (осушения) излишков воды в виде водоотводящих канав ниже глубины промерзания грунта и быстрый сброс избыточной влаги при строительстве новых зданий и предотвращении в течение всего года его эксплуатации на пучинистых грунтах.
Процесс защиты фундаментов сооружений от деформаций пучения в условиях глубокого сезонного промерзания, а затем оттаивания можно также объяснить следующим образом.
В соответствии с «Рекомендациями по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов» М.: ПНИИС Госстроя СССР, 1986 /3/ при оценке влияния плотности грунтов на пучение необходимо принимать во внимание характер системы грунта: двухфазную (скелет-вода) и трехфазную (скелет-вода-воздух). В этой связи процесс изменения интенсивности пучения грунта в зависимости от увеличения его плотности будет в каждой системе происходит по-разному. В двухфазной системе при возрастании плотности грунта наблюдается снижение влагосодержания и удельного потока воды, причем последний при определенных условиях может быть равен нулю. Следствием этого и будет уменьшение интенсивности пучения грунта. При водонасыщении грунтов увеличение их плотности приводит к уменьшению деформаций сил и пучения /1/. Это объясняется тем, что уплотнение грунта сопровождается его «перемятием» и увеличению прочно связанной воды на этой поверхности /2/. В трехфазной системе /1/ при уплотнении происходит уменьшение объема пор, интенсивность пучения возрастает до некоторого значения, названного условной плотностью. Значение этой плотности ориентировочно составляет 0,8…0,9 - от оптимальной плотности грунта, равной наибольшей плотности при стандартном уплотнении. Согласно /3/, если грунт, находящийся при значении его плотности, равной по величине условной плотности, подвергнуть дальнейшему уплотнению, то его интенсивность пучения будет понижаться пропорционально уменьшению потока миграционной влаги и при так называемой критической плотности будет равна нулю. При последующем уплотнении этого грунта пучение его за счет начального влагосодержания не выйдет за пределы слабопучинистых грунтов.
Таким образом, положительным элементом является возможность поддержания минимального (заданного) уровня воды для защиты фундамента сооружения в зоне здания для поддержания влажного режима на пучинистых грунтах, что способствует уменьшению деформации пучения, а именно отвода излишек воды ниже зоны промерзания в любое время года.
Зная численные значения параметров, характеризующих процесс пучения для конкретных климатических зон и грунтовых условий, можно по известным формулам подобрать сооружения для отвода излишек воды на пучинистых грунтах. Таким образом, имея гидрологические показатели, можно оптимизировать процесс управления свойствами пучинистых грунтов, сочетая техническую и экономическую целесообразность в одном способе.
Известен фундамент зданий и сооружений, включающий частично размещенный в грунте оснований опорный элемент, вокруг боковой поверхности, которого в зоне сезонного промерзания грунта расположены скользящие относительно друг друга деревянные щиты (Авторское свидетельство SU №44186, G06F 15/00 от 31.08.1935). Этот способ устройства фундамента позволяет снизить величину сил морозного пучения, действующих на боковых поверхностях фундамента. Однако деревянные щиты в процессе циклического замерзания-оттаивания грунтов сами подвержены выпучиванию. Недостатком способа является также то, что подошва фундамента остается незащищенной от сил пучения в зоне сезонно-мерзлого слоя грунта.
Избыток воды в пучинистых грунтах в процессе циклического замерзания-оттаивания грунтов, меняет слой водоносного горизонта, заполняющего нижнюю часть подошвы здания и необеспечивает беспрепятственный продольный пропуск этих вод вдоль водоотводного сооружения, ограничивающих застой воды у подошвы здания сооружения, т.е. малая надежность, увеличение деформаций пучинистых грунтов в зоне строительства.
Известен также способ возведения фундамента на сыпучем материале, размещенном между дном, боковой поверхностью и стенками котлована (Авторское свидетельство SU №1231144, E02D 27/32 от 15.05.1986). Образование вокруг фундамента оболочки из сыпучего материала частично обеспечивает противопучинную защиту фундамента в основном на боковых поверхностях сил пучения, однако подошва фундамента снова остается незащищенной.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ возведения фундамента на пучинистом грунте, включающий создание котлована, образование в грунте выработки, погружение в нее тела фундамента и обратную засыпку непучинистым грунтом (ВСН29-85. Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах. М.: 1985. С. 11 - прототип).
Использование непучинистого грунта в основании фундамента позволяет избежать деформаций при промерзании основания. Однако обратная засыпка непучинистого грунта невозможна ниже уровня грунтовых вод, то есть в наиболее пучинистых грунтах. К недостаткам способа можно также отнести необходимость отрыва котлована на глубину, превышающую глубину промерзания. Обратную засыпку обычно производят крупным песком или керамзитовым гравием, которые в зимних условиях должны быть уложены без включений снега и льда и тщательно уплотнены. Все это требует дополнительно больших затрат труда и материалов. При глубине заложения фундамента, превышающей глубину местного сезонного промерзания, на этапе взведения работ в открытом котловане по возведению фундамента, включающем создание котлована, образование в грунте выработки, погружение в нее тела фундамента и обратную засыпку, может произойти промерзание грунта, поскольку эти работы трудоемки и требуют большого времени на их выполнение. Кроме того, не обеспечивает быстрый сброс избыточной воды в условиях ниже уровня грунтовых в наиболее пучинистых грунтах, в частности глубинного сезонного промерзания и затем оттаивания в условиях положительных температур на пучинистых грунтах.
Техническая задача, решаемая изобретением - снижение стоимости и повышение надежности в защите фундамента здания с обеспечением быстрого сброса избыточной влаги, ликвидация и предохранение в процессе строительства зданий и сооружений, как при промерзании грунта, так и его оттаивание, т.е. перехода от одного состояния в другое при отсутствии разрушения фундамента и возведенного на нем здания или сооружения.
Эта задача решается за счет того, что в период процесса строительства по возведению фундамента принимаются меры к защите грунта основания на пучинистых грунтах, включающий создание котлована, образование в грунте выработки, погружение в нее тела фундамента и обратную засыпку непучинистым грунтом, согласно изобретения, в направлении перед зданием предусматривают размещение дополнительного опорного заградительного блока сооружения ниже глубины сезонного промерзания, причем искусственно нарезание со стороны фундамента отводящей канавы выполняют с уклоном со стороны опорного заградительного блока несколько удаленным от зоны здания и создают условия для поддержания постоянного уровня воды путем отбора избыточных подземных вод, образовавшейся от подпитки подземных вод с помощью постоянно действующего устройства в виде сифона, который имеет механизм запуска, выполненный в виде соединенных между собой трубки-датчика уровня воды, эжектора, колодца, закрытого коллектора с отводящей трубой, при этом трубку-датчик уровня воды сообщают с одной стороны с всасывающей частью сифона через отверстие, выполненное в боковой стенке (перегородке) колодца, а с другой стороны посредством эжектора - со сливной частью сифона, расположенной в дополнительной секции-камеры на дне колодца, причем нижний конец трубки-датчика размещают в дополнительной секции-камеры выше уровня расположения переливной стенки секции-камеры, а конец сливной части сифона и выходной трубы закрытого коллектора - ниже его.
Кроме того, отметку гребня сифона выполняют ниже максимально подпертого уровня воды перед дополнительным опорным заградительным сооружением, размещенным перед фундаментом сооружения.
Кроме того, на конце всасывающей части сифона выполняют калиброванное отверстие.
Новизна заявляемого предложения заключается в том, что использования перед зданием размещение опорного заградительного блока сооружения с учетом нарезания отводящей канавы связано с конструкцией действующего устройства работы сифона с его элементами. А выполнение механизма запуска в виде трубки-датчика, эжектора, колодца с коллектором позволяет накапливать и сбрасывать отводимую воду в колодец и резко запускать в работу сифон под большим расходом для поддержания перехода от одного состояния в другое при отсутствии при этом разрушения фундамента и возведения на нем здания сооружения, т.е. здание должно иметь устойчивость при эксплуатации.
По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружено аналогичное техническое предложение, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструкция защиты фундамента сооружения на пучинистых грунтах.
Заградительное сооружение 1 в зоне пучинистого грунта 2 представляет собой отводящую канаву 3, колодец 4 с коллектором 5, сифон 6 и механизм запуска сифона, который состоит из трубки-датчика 7 уровня воды в колодце 4 с коллектором 5 и дополнительной секции камеры 8 на дне внутри колодца 4, эжектора 9. Поскольку состояние расположения УГВ в отводящей канаве 3 зависит от периода оттаивания грунта в теплое время года, поэтому сифон 6 закрепляют в перегородке 10 колодца 4, несколько ниже максимального уровня перед дополнительным опорным заградительным сооружением 1.
Всасывающая часть 11 сифона 6, имеющая на конце калиброванное отверстие 12, сообщена с отводящей канавой 3, наполнение которой происходит за счет поступления воды в результате оттаивания перед опорным заградительным сооружением 1, так как имеется перепад в сторону колодца 4 с коллектором 5. В результате этого, объем канавы 3 получается увеличенным от заданного уровня между сооружениями с наполнением в них воды, и этот объем в отводящей канаве 3 (которая имеет уклон i>0) будет увеличиваться до тех пор, пока в работу не вступит сифон 6.
Сливная часть 13 сифона 6 через эжектор 9 и трубку-датчик 7 сообщена с всасывающей частью 11 и с дополнительной секции-камеры 8, размещенной на дне колодца 4 с коллектором 5. Верх стенок секции-камеры 8 расположены несколько выше конца сливной части 13 сифона 6, который затапливается вначале работы с помощью трубки-датчика 7 уровня воды.
Способ защиты фундамента сооружения в зоне здания для поддержания влажного режима на пучинистых грунтах работает следующим образом.
В результате предложенного заградительного сооружения 1 в зоне пучинистого грунта 2 происходит перепад уровней воды. Отводящая канава 3 начинает заполняться водой, объем которой увеличивается с определенным расходом. При достижении уровня воды в отводящей канаве 3, которая имеет уклон в сторону колодца 4 к уровню всасывающей части трубки-датчика 7, диаметр которой назначается расчетом для перетекания воды, она при определенных величинах подводимого расхода запускается как сифон, сливая воду в дополнительную секцию-камеры 8 и затапливая конец сливной части 13 сифона 6. После затопления конца сливной части 13 вода, проходя через эжектор 9, всасывает воздух из полости сифона 6 и сбрасывает в секцию-камеры 8, заполняя ее максимально, далее происходит перелив и заполнение колодца 4 с коллектором 5, вследствие чего в полостях сифона 6 создается разряжение и он запускается в работу. При этом из отводящей канавы 3 с относительно большим расходом через сифон 6, через колодец 4, вода поступает далее в закрытый коллектор 5.
После обеспечения заданного сброса воды, уровень воды в отводящей канаве 3 понижается до отметки расчетного заданного уровня на пучинистом грунте и становится относительно оптимальным (возможен вариант установки глубинного откачивающего насоса - не показан). Таким образом, отсутствует изменение действующего статического напора на фундамент здания (выталкивающего его вверх) в течение всего периода его эксплуатации рядом вдоль фундамента, а это позволяет устройством, не только ускорит сброс избыточных грунтовых вод, но и предотвратить перенаполнение самого пучинистого грунта в целом.
После сработки определенного уровня воды в отводящей канаве 3 конец всасывающей части 11 сифона 6 сообщается с атмосферой и сифон 6 разряжается. В дальнейшем циклы накопления отводящей канавы 3 и быстрого ее опорожнения до заданной отметки уровня воды в сторону колодца 4 с коллектором 5 автоматически повторяются. Калиброванное отверстие 12 обеспечивает надежную отсечку расхода сифона 6 в конце сработки до заданной отметки уровня воды в отводящей канаве 3 на пучинистом грунте.
Следует отметить то, что уклон отводящей канавы 3, как отводящей от фундамента сооружения, также улучшает и работу самого сифона 6, т.е. происходит «эффект осушения» до заданного расчетного уровня, а значит улучшаются условия в период большого количества избыточной влаги в пучинистом грунте на момент оттаивания при положительных температурах после зимнего периода. Кроме того, выполнение механизма запуска в виде трубки-датчика 7, эжектора 9 и элементов колодца 4 позволяет накапливать воду в отводящей канаве 3 и резко сбрасывать определенный объем излишней воды на пучинистом грунте, при этом резко запускать сифон 6 под большим расходом на сброс в закрытый коллектор 5.
Совокупность существенных признаков неизвестна из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод в соответствии критерию изобретения «новизна». Новое свойство объекта - совокупность признаков отличает от прототипа заявленное изобретение, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию « изобретательский уровень».
В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем: снижение до минимума деформации пучения, действующих отрицательно на фундаменты сооружений при отводе избыточного фильтрационного тока воды из пучинистого грунта; обеспечение устойчивости фундаментов сооружений в течение длительного процесса эксплуатации и оттаивания после морозного периода; относительно низкая стоимость реализации способа, высокая надежность способа в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов и уровня расположения подземных вод; дает возможность применения в практике строительства и эксплуатации фундамента сооружения для строящегося здания; уменьшает опасность поднятия грунтовых вод в пучинистых грунтах, а значит, отсутствуют разрушения зданий в пучинистых грунтах; срок службы зданий увеличивается в разы.