Устройство для защиты основания фундамента от промерзания
DEVICE FOR PROTECTING THE BASE OF THE FOUNDATION FROM FREEZING

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении малозаглубленных фундаментов зданий на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.
Малозаглубленными называют фундаменты с глубиной заложения меньшей расчетной глубины сезонного промерзания грунта (СП 22.13330.2016 Свод правил. Основания зданий и сооружений. – Москва: ФГУП Стандартинформ, 2017. С. 5).
Известен малозаглубленный фундамент со слоем горизонтальной теплоизоляции, размещенной на некоторой глубине в грунте обратной засыпки с внешней стороны здания (Frost i jord. – №17. – Oslo, 1976. с. 311 – аналог). При достаточной толщине слоя теплоизоляции предотвращается промерзание грунта под подошвой и исключается воздействие нормальных сил морозного пучения на подошву фундамента.
Недостатком конструкции являются потери тепловой энергии основанием через тело бетонного фундамента, то есть существование, так называемого, мостика холода, снижающего эффективность защиты грунта от промерзания.
Известен малозаглубленный фундамент, в котором кроме горизонтальной используется еще и блокирующая мостик холода вертикальная теплоизоляция, которая размещается на наружной поверхности фундамента (Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. 2-е изд., перераб. и доп. - М: Изд-во АСВ, 2016, С. 578 - аналог).
В зимнее время вертикальная теплоизоляция под воздействием нормальных и касательных сил морозного пучения может сминаться и разрушаться, кроме того, в слое теплоизоляции и поверхностном слое бетона фундамента в зимнее время происходит накопление влаги, так как температура в них достигает точки росы.
Известен малозаглубленный фундамент с размещенным на поверхности грунта слоем теплоизоляции, который сверху защищается гидроизоляционным материалом, причем гидроизоляционный материал во избежание образования в грунте конденсата должен одновременно обладать еще и достаточной воздухопроницаемостью (Методическое пособие. Проектирование оснований фундаментов на пучинистых грунтах - М.: ФАУ ФЦС, 2019. с.34).
Расположение на поверхности грунта ведет к тому, что слои гидро- и теплоизоляции из-за перепадов температуры, механических воздействий и морозного пучения подстилающего грунта повреждаются и теряют защитные свойства (А.Л. Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. - М.: Изд-во АСВ, 2000. с. 104–105).
Известен фундамент со слоями утеплителя, размещенными под отмосткой и на боковой поверхности фундамента, причем вертикальная теплоизоляция закладывается в грунт ниже подошвы и ниже уровня промерзания, а материал обратной засыпки защищается от увлажнения влагонепроницаемой прокладкой (Патент РФ № 2413057 E02D 27/01, 2011 г. - аналог).
Недостатком технического решения является высокая трудоемкость возведения фундамента, обусловленная необходимостью экскавации грунта на всю глубину сезонного промерзания, его последующей отсыпки с укладкой вертикального или наклонного слоя утеплителя и влагонепроницаемых прокладок. Кроме того, влагонепроницаемые прокладки из пленки, покрывающие лишь внешний контур обратной засыпки, не могут обеспечить ее защиту от увлажнения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция для предотвращения морозного пучения грунта, включающая бетонную отмостку и расположенную под ней засыпку из керамзитового гравия, обернутую пленкой для защиты от увлажнения (Патент РФ № 2538006 E02D 27/35, 2015 г. - прототип).
В прототипе, как и в предыдущих технических решениях с расположением утеплителя под отмосткой, бетонная неармированная отмостка, опирающаяся на непрочный слой утеплителя, под действием внешних нагрузок, сил морозного пучения подстилающего грунта и перепадов температуры будет деформироваться и получать повреждения, что приведет к увлажнению и потере защитных свойств слоем теплоизоляции. Известно также, что влажность грунта под экраном, а в данном случае под отмосткой с теплоизоляцией, увеличивается за счет миграции влаги к фронту промерзания (Thermal-moisture dynamics of embankments with asphalt pavement in permafrost regions of central Tibetan Plateau / Z. Wen, M. Zhang, W. Ma [et al.] // European Journal of Environmental and Civil Engineering. – 2015. – Vol. 19. – No 4. – P. 387-399. – DOI 10.1080/19648189.2014.945043).
Задача изобретения состоит в повышении эксплуатационной надежности отмостки с теплоизоляцией, предназначенной для защиты основания малозаглубленного фундамента от промерзания.
Это достигается тем, что в устройстве для защиты основания фундамента от промерзания, включающем отмостку и утеплитель отмостка выполнена из коробчатых секций, в поперечных стенках и днище которых имеются отверстия, снабженные задвижками, а плиты эластичного утеплителя размещены в полости секций.
Устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 дан его поперечный разрез в исходном состоянии, на фиг. 2 – то же после трансформации плит утеплителя, нафиг. 3 показаны два соединенных вместе коробчатых корпуса отмостки и уголковые элементы к одному из них, на фиг. 4 – секции отмостки в сборе без утеплителя, на фиг. 5 – то же с утеплителем в полостях, на фиг. 6 показан фундамент с отмосткой и фрагментом стены здания, на фиг. 7 представлено расположение секций отмостки на плане здания, на фиг. 8 приведены расчетные схемы с векторами потоков тепловой энергии к примеру численного моделирования устройства, на фиг. 9 показаны изотермы грунта основания к тому же примеру.
Устройство состоит из коробчатых секций, каждая из которых содержит корпус 1, внутри которого размещены неподвижная стенка 2, подвижные уголковые элементы 3 и плиты утеплителя 4, изготовленные из пористого эластичного материала, способного восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки (фиг. 1). Корпус располагается на поверхности обратной засыпки с внешней стороны ленточного фундамента здания 5. Сверху корпус закрыт крышкой 6, усиленной снизу ребрами жесткости. Отгиб 7 на крышке заводится под навесной фасад 8, закрепленный на наружной стене здания 9. Поперечные, то есть расположенные перпендикулярно фундаменту, стенки корпуса 10 имеют переменную высоту, что обеспечивает сток воды от здания за счет уклона крышки 6 (фиг. 3). В поперечных стенках имеются вентиляционные отверстия 11, а в днище корпуса – отверстия 12, служащие для отвода паров грунтовой влаги. Вертикальная полка подвижных уголковых элементов предназначена для перемещения утеплителя, а горизонтальная полка и торцовые ребра жесткости служат в качестве задвижек, перекрывающих отверстия 12 в днище и отверстия 11 в поперечных стенках корпуса, соответственно (фиг. 4, 5).
В отверстия 13 в поперечных стенках устанавливаются штифты или шпильки, соединяющие секции отмостки друг с другом. Штифты или шпильки пропускаются через прорези 14 в торцовых ребрах жесткости уголковых элементов 3 при их перемещении внутри корпуса.  Отверстия 15 предназначены для крепления отмостки к фундаменту 5 (фиг. 6).
Отмостка, собранная из отдельных секций, размещается по периметру здания 16 (фиг. 7). Секции 17 на его углах снабжаются вытяжными трубами 18. Корпус 1 с неподвижной стенкой 2, уголковые элементы 3 и крышка 6 выполнены из материала, обладающего высокой прочностью и малой теплопроводностью, например, из полимера.
Работает устройство следующим образом.
Монтаж отмостки завершают в конце лета или начале осени, когда грунт обратной засыпки имеет максимальную температуру (А.Л. Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. - М.: Изд-во АСВ, 2000, с. 45). Уголковые элементы 3 устанавливают таким образом, чтобы они перекрывали отверстия 11 и 12, и укладывают плиты утеплителя 4. В зимнее время отмостка с расположенным внутри нее утеплителем предотвращает промерзание грунта под подошвой малозаглубленного фундамента. С завершением зимы, когда температура атмосферного воздуха становится положительной, на каждой из секций отмостки приподнимают крышку 6 и смещают уголковые элементы 3 в направлении, противоположном фундаменту здания (фиг. 2). Плиты утеплителя 4 сжимаются, а отверстия 11 в стенках и отверстия 12 в днище корпуса открываются. Уголковые элементы 3 закрепляют с помощью штифтов или шпилек, служащих для сочленения секций отмостки и пропущенных через отверстия 13 и прорези 14. Заметим, что утеплитель может полностью извлекаться из корпуса и отправляться на хранение.
В части корпуса, освобожденной от утеплителя, температура в течение лета повышается, тело фундамента и грунт под отмосткой нагреваются. Благодаря испарению снижается влажность бетона и грунта основания. Снижение влажности грунта, кроме прочего, ведет к уменьшению его теплопроводности.
Освобожденное от утеплителя пространство образует продольные, то есть направленные вдоль фундамента, вентиляционные каналы. Поступающие в них из бетона и грунта пары воды отводятся в атмосферу через вытяжные трубы на углах дома.
В конце лета или начале осени уголковые элементы 3 смещают в исходное положение. Плиты утеплителя 4 принимают исходную форму и блокируют теплопотери из грунта основания и тела фундамента. Горизонтальные полки уголковых элементов перекрывают отверстия в днище корпуса 12, предотвращая тем самым капиллярное увлажнение утеплителя, а их торцовые ребра жесткости перекрывают вентиляционные отверстия 11 в стенках, препятствуя движению воздуха вдоль отмостки.
В представленном описании представлена коробчатая секция отмостки с одной неподвижной стенкой, двумя подвижными уголковыми элементами и двумя отверстиями в днище. При достаточной ширине отмостки число тех и других может быть увеличено. Рост числа отверстий в днище обеспечивает более равномерные нагрев и снижение влажности грунта обратной засыпки в летнее время, а рост числа стенок - большую прочность корпуса. При небольшой ширине отмостки внутри корпуса стенка может отсутствовать, тогда в полости размещается один уголковый элемент, а в днище вырезается одно отверстие.
Предлагаемая конструкция обеспечивает аккумуляцию тепловой энергии грунтом основания в летнее время. Повышение предзимней температуры, снижение влажности и теплопроводности грунта ведут к уменьшению глубины сезонного промерзания основания, тем самым достигается повышение эксплуатационной надежности отмостки. Устройство, состоящее из секций заводского изготовления, отличает простота сборки и возможность замены поврежденных деталей или корректировки их положения при неравномерных деформациях грунта обратной засыпки.
Пример
Для оценки эффективности предлагаемого устройства выполнялось численное моделирование малозаглубленного фундамента с отмостками известной и предлагаемой конструкции. Его целью было определение глубины сезонного промерзания грунта в течение 10 лет. Моделирование выполнялось в программно-вычислительном комплексе Geostudio, 2012 (https://www.geoslope.com/products/temp-w).
В качестве грунта основания задан суглинок, свойства которого приведены в таблице.
Таблица
Свойства грунта, единицы измерения
Значение
Коэффициент теплопроводности, <img file="00000001.jpg" he="8" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" />:- в мерзлом состоянии, <i>λ</i><sub><i>f</i></sub>- в талом состоянии, <i>λ</i><sub><i>th</i></sub>
106,395,0
Объемная теплоемкость, <img file="00000002.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />:- в мерзлом состоянии, <i>c</i><sub><i>vf</i></sub>- в талом состоянии, <i>c</i><sub><i>vth</i></sub>
20882528
Объемная влажность (%), <i>W</i>
24
Температура начала замерзания (°С), <i>Т</i><sub><i>bf</i></sub>
-0,15
Температура атмосферного воздуха изменялась помесячно и принималась по данным длительных метеонаблюдений в г. Архангельске. Глубина заложения фундамента принята 0,60 м, ширина отмостки – 1,4 м.
В первом случае задавалась бетонная отмостка с утеплителем толщиной 0,15 м под половиной отмостки, прилегающей к фундаменту, и 0,10 м – под оставшейся частью отмостки.
Во втором случае устраивалась коробчатая полимерная отмостка с трансформируемым утеплителем тех же размеров, что и в первом случае. Смещение утеплителя для прогрева грунта основания выполнялось в начале первого месяца с положительной температурой воздуха (фиг. 8а). В зимний режим теплоизоляцию переводили в конце теплого времени года, когда среднемесячная температура воздуха становилась ниже нуля (фиг. 8б). Векторы на фиг. 8 показывают направление и интенсивность потоков тепловой энергии.
Фактор снижения влажности, а значит, и коэффициента теплопроводности грунта в расчете не учитывался.
Расчет показал, что использование предлагаемого устройства позволяет накапливать тепловую энергию в грунте основания в летний период, чем обеспечивается снижение глубины промерзания на 22% - с 0,63 м в первом расчетном случае (фиг. 9а) до 0,49 м во втором (фиг. 9б).