ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ

Изобретение относится к возведению фундаментов преимущественно малоэтажных зданий на сезонно промерзающих пучинистых грунтах.
Известен фундамент на промерзающем грунте (фундамент-аналог), включающий подошву и стену фундамента с прокладкой со стороны подошвы, обращенной к грунту, выполненной из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола, дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента и соединенный с утеплителем перекрытия и отмостки (Патент RU №2357044, МПК E02D 27/01, 27/35 «Теплоизолированный фундамент» [1]).
Недостаток фундамента-аналога состоит в невозможности сооружения его в зимний период, когда до начала строительства уже произошло частичное промерзание и пучение грунтов ниже нижней поверхности прокладки. Образовавшаяся мерзлота под теплоизолированным фундаментом-аналогом сохраняется долгое время. Последующее же оттаивание промороженных и распученных грунтов, также протекающее длительное время, приводит к неизбежным неравномерным осадкам фундамента и сооруженного на нем строения.
Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является фундамент на многолетнемерзлых грунтах (фундамент-прототип), в состав которого входит засыпка котлована из непучинистого материала ниже фундамента с введением в нее армирующих элементов в виде жесткой железобетонной, при этом верхний слой плиты выполнен из теплоизоляционного материла с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирается в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов (Патент РФ №2270295, МПК E02D 27/01, 27/35 «Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах” [2]).
Недостаток фундамента-прототипа состоит в невозможности сооружения его в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда к моменту работ по сооружению фундамента произошло частичное промерзание грунта.
Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности устройства теплоизолированного фундаментов в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда до начала строительства уже произошло частичное промерзание и пучение грунта.
Цель достигается тем, что в теплоизолированном фундаменте, включающем стену и подошву, подушку из непучинистого материала, прокладку из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола по низу подушки из непучинистого материала, при необходимости - дополнительный утеплитель, размещенный вокруг тела фундамента, под перекрытием и отмосткой, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте толщина подушки из непучинистого материала между теплоизолирующей прокладкой и подошвой фундамента принимается равной толщине слоя мерзлого грунта ниже фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента, а толщину и размеры в плане теплоизолирующей прокладки под подушкой из непучинистого материала устанавливают по теплотехническому расчету из условия недопущения промерзания грунта ниже прокладки.
Совокупность сформулированных выше предложений практически полностью исключает промерзание и пучение грунта ниже подушки из непучинистого материала и теплоизолирующей прокладки, что обеспечивает реализацию поставленной цели - повышения устойчивости теплоизолированного фундаментов в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда до начала строительства произошло частичное промерзание и пучение грунта.
В отличие от фундамента-прототипа [2], в предлагаемом теплоизолированном фундаменте не требуется введения в состав подушки из непучинистого материала армирующих элементов в виде жесткой железобетонной плиты, а также изменения размеров теплоизолирующей прокладки от центра к краям.
При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны.
Не выявлены также признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.
Существо изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображен теплоизолированный ленточный фундамент для двухэтажного дома.
Теплоизолированный ленточный фундамент включает подошву 1 и стену 2, выполненные из жесткого материала (железобетона). С внешней стороны фундамента существует отмостка 3; на стену 2 опирается перекрытие 4. Со стороны подошвы фундамента 1, обращенной к грунту, размещена подушка из непучинистого материала 5, а ниже ее прокладка 6 из экструдированного пенополистирола. По наружной и внутренней поверхностям подошвы 1 и стены 2 размещен дополнительный утеплитель (соответственно поз. 7 и 8), который в общем случае может быть соединен с утеплителем перекрытия 4 (поз. 9) и отмостки 3 (поз. 10).
f
f,n
На стену фундамента 2 опирается стена надземного строения 11 с наружным и внутренним утеплителем. В состав теплоизолированного фундамента входит также бетонная подготовка 12 и обратная засыпка 13. Позицией 14 показана нижняя граница промерзания грунта d, образовавшегося к началу работ по сооружению теплоизолированного фундамента, а позицией 15 - нормативная глубина промерзания d. Контуры траншеи для устройства теплоизолированного фундамента показаны на фиг. 1 позицией 16.
f
Для устройства теплоизолированного фундамента в зимний период производится выемка мерзлого грунта до нижней границы промерзания d (поз. 14) в виде траншеи; на выровненное ее дно укладывается прокладка 6 и делается насыпка подушки из непучинистого материала 5 с необходимым уплотнением. Далее делается бетонная подготовка и фундамент с необходимым электропрогревом.
f,n
f
Для примера, иллюстрирующего существо изобретения, предполагается, что сооружение теплоизолированного фундамента ведется в г. Екатеринбурге в начале декабря при температуре наружного воздуха -15°C; нормативная глубина промерзания 15 d=1.9 м; глубина промерзания 14 грунта на момент начала работ по сооружению фундамента d=0.7 м.
п
п
f
f
Глубина заложения подошвы фундамента 1 принята равной d=0.3 м, а толщина подушки 5 из непучинистого материала h - равной толщине слоя мерзлого грунта ниже подошвы 2 фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента h=d-d=0.7-0.3=0.4 м, т.е. разнице между глубиной промерзания 15 d и глубиной заложения d подошвы 2 теплоизолированного фундамента.
fh
гр
гр.
th
th
3
-6
Грунт в основании теплоизолированного фундамента представлен сильнопучинистым делювиальным суглинком, пучинистые свойства которого характеризуются относительной деформацией морозного пучения ε=0.075. Расчетное сопротивление грунта R=220 кПа, модуль деформации Е=10 МПа, теплопроводность суглинка в талом состоянии λ=1.57 Вт/(м·°C), объемная теплоемкость C=3.17 Дж/(м·°C)10. Температура грунта на дне котлована 16+1.5°C.
3
3
-6
под.
под.
f
f
Для устройства подушки 5 использован непучинистый материал -гранитный щебень, который во время работ по устройству теплоизолированного фундамента имеет температуру наружного воздуха -15°C; удельный вес 21 кН/м, расчетное сопротивление R=500 кПа, модуль деформации E=40 МПа, теплопроводность в мерзлом состоянии λ=2.90 Вт/(м·°C), объемную теплоемкость C=2.26 Дж/(м·°C)10.
сж
пр.
пр.
пр.
Для теплоизолирующей прокладки 6 использован экструдированный пенополистирол «Пеноплэкс», имеющий расчетное сопротивление на сжатие R=150 кПа, модуль деформации Е=1.0 МПа, коэффициент теплопроводности λ=0.042 Вт/(м°C).
В расчетах толщины прокладки 6 приняты следующие дополнительные исходные данные:
- нагрузка на 1 м длины (l=1.0 м) подошвы 1 фундамента: n=250 кН/м;
- ширина подошвы фундамента 2: b=2.0 м;
2
- площадь подошвы 1 фундамента 1: А=lb=1.0·2.0=2.0 м/м;
- вес фундамента и грунта на его уступах G=40 кН/м;
- глубина заложения подошвы 2 фундамента: d=0.30 м.
2
Расчет теплоизолированного фундамента ведется в соответствии с требованиями главы СП22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений», а параметры прокладки 6 из экструдированного пенополистирола определяются согласно теплотехническому расчету по программе «НЕАТ-ПТФ» (двумерная).
Из расчета согласно указаниям главы СП22.13330.2011 следует:
ср
гр
- среднее давление по подошве 1 фундамента: p=(n+G)/A=(125+40)/2.0=82.5 кПа < R=220 кПа;
ср
под.
под.
сж,
пр
- среднее давление на прокладку 6: p=(n+G)/А+γ·h=(125+40)/2.0+21·0.7=94.5 кПа < R.=150 кПа;
u
- осадка фундамента 1 (с учетом сжимаемости подушки 5, прокладки 6 и природного грунта S=0.7 см < [S]=10 см.
Требования главы СП22.13330.2011 выполняются.
2
В теплотехнических расчетах по программе «НЕАТ-ПТФ» толщину прокладки 6 последовательно принимали равной 50, 70 и 100 мм, а за конечный результат расчета принимали такую ее толщину, при которой не произойдет промерзания грунта ниже прокладки 6 в течение нескольких месяцев, вплоть до окончаний естественного оттаивания грунта.
При принятых выше толщинах и теплотехнических характеристиках противопучинистой подушки 5, прокладки 6 и природного суглинка, начальных температурах материала подушки 5 и суглинка, а также при учете среднемесячных температур наружного воздуха за период с декабря по май для г. Екатеринбурга (глава СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»), получены приведенные в таблице 1 значения температуры грунта и глубины зоны промерзания ниже прокладки 6 (которая соответствует температуре начала замерзания суглинка, равной -0.2°C (см. главу СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»).
Таблица 1
Температура грунта и глубина промерзания ниже прокладки 6
Толщина прокладки 6
Контролируемые параметры
Месяцы 2010 г.
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
50
температура T, °C
-0.2
-0.4
-0.5
-0.5
-0.2
глубина Δd<sub>f</sub>, м
0.2
0.4
0.6
0.5
0.3
70
температура T, °C
-0.1
-0.2
-0.2
-0.1
0
глубина Δd<sub>f</sub>, м
0.1
0.2
0.2
0.1
0
100
температура T, °C
0
-0.1
-0.1
0
+0.2
глубина Δd<sub>f</sub>, м
0
0
0
0
0
f
fh
f
u
Безопасной признана толщина прокладки 6, равная 70 мм (см. фиг.1), которая обеспечивает защиту суглинка от промерзания: максимальная глубина промерзания 14 ниже подошвы прокладки 6 в феврале - марте составила Δd=0.2 м, а соответствующее возможное пучение грунта величины ΔS=ε·Δd=0.075·0.2=0.015 м=1.5 см, безопасной для фундамента и двухэтажного дома в построенном виде, поскольку суммарная осадки фундамента S+ΔS=0.7+1.5=2.2 см не превысит допустимой согласно указаниям главы СП22.13330.2011 величины [S]=10 см. При толщине прокладки 6, равной 100 мм промерзание полностью исключается, но в рассматриваем примере такая толщина прокладки 6 может быть признана избыточной.
Преимущества предлагаемого решения теплоизолированного фундамента на промерзающих пучинистых грунтах по сравнению с фундаментом-прототипом состоят в обеспечении эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания при производстве строительных работ в зимний период.
Список использованных материалов
1 Патент RU №2357044, МПК E02D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент / В.В. Пушников. - Опубл. 27.05.2009.
2 Патент RU №2270295, МПК E02D 27/01, 27/35. Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах / В.А. Бабелло, А.П. Криворотов и Д.С. Марийский. - Опубл. 20.02.2006.