Сейсмостойкий фундамент
EARTHQUAKE-RESISTANT FOUNDATION

Изобретение относится к строительству и может найти применение при возведении фундаментов в промышленном и гражданском строительстве в сейсмических районах.
Известен фундамент, состоящий из железобетонной оболочки, заполненной песком с опертым на него фундаментным башмаком (см. Исследование оснований, фундаментов и гидротехнических сооружений. Том 216. Труды НПИ, Новочеркасск, 1970, с. 158).
Недостатками этого фундамента являются относительная дороговизна и сложность изготовления оболочки, а также недостаточная надежность фундамента при сейсмических воздействиях и при работе на устойчивость.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому техническому решению (т.е. прототипом) является фундамент, включающий заполненную сыпучим материалом оболочку и установленный на сыпучем материале башмак, контур которого повторяет контур оболочки. Фундамент снабжен короткой сваей, вертикально размещенной в сыпучем материале, причем нижняя поверхность опорного башмака выполнена выпуклой и криволинейной с центральным углублением, в которое свободно заведен верхний конец короткой сваи. Поперечные размеры опорного башмака в плане составляют 0,63 - 0,85 внутреннего диаметра оболочки, а высота криволинейной части опорного башмака составляет 0,1 - 0,25 диаметра башмака (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №939649, МПК Е02D 27/34, 1982 г.).
Основными недостатками фундамента - прототипа являются относительные дороговизна и сложность изготовления, а также ограниченные возможности сейсмоустойчивости и устойчивости при действии внецентренной нагрузки.
Задачей изобретения является удешевление, упрощение изготовления фундамента и повышение его устойчивости по отношению к сейсмическим и внецентренным нагрузкам.
Для решения поставленной задачи в сейсмостойком фундаменте, включающем заполненную сыпучим материалом круглую оболочку и установленный на сыпучем материале башмак, контур которого повторяет контур оболочки, короткую сваю, вертикально размещенную в сыпучем материале, имеющую острый конец, причем нижняя поверхность опорного башмака имеет криволинейную выпуклость с центральным углублением, в который свободно заведен верхний конец короткой сваи, поперечные размеры опорного башмака составляют 0,63 - 0,85 внутреннего диаметра оболочки, а высота криволинейной части башмака составляет 0,1 - 0,25 диаметра башмака, оболочка выполнена из резиноармированного материала в виде цилиндра с торцевыми горизонтальными стенками с центральными отверстиями и как минимум одним ребром жесткости на внутренней поверхности, криволинейная выпуклость башмака выполнена в центральной его части в виде выступа с диаметром равным диаметру отверстия оболочки и высотой не менее высоты стенки отверстия оболочки, а крайний круглый плоский фланец башмака опирается на верхнюю горизонтальную стенку оболочки, свая и центральное углубление башмака в плане выполнены в виде равностороннего треугольника, причем сама оболочка выполнена составной из скрепленных между собой как минимум двух металлокордных утилизированных покрышек от большегрузных автомобилей и тракторов одинакового типоразмера.
Сущность изобретения заключается в том, что оболочка выполнена из резиноармированного материала в виде цилиндра с торцевыми горизонтальными стенками с центральными отверстиями и как минимум одним ребром жесткости на внутренней поверхности, криволинейная выпуклость башмака выполнена в центральной его части в виде выступа с диаметром равным диаметру отверстия оболочки и высотой не менее высоты стенки отверстия оболочки, а крайний круглый плоский фланец башмака опирается на верхнюю горизонтальную стенку оболочки, свая и центральное углубление башмака в плане выполнены в виде равностороннего треугольника, причем сама оболочка выполнена составной из скрепленных между собой как минимум двух металлокордных утилизированных покрышек от большегрузных автомобилей или тракторов одинакового типоразмера.
Первый новый признак, заключающийся в том, что оболочка выполнена из резиноармированного материала в виде цилиндра с торцевыми горизонтальными стенками с центральными отверстиями, позволяет предложенному техническому решению проявить новые свойства, заключающиеся в том, что в качестве материала оболочки фундамента вместо железобетона используется резиноармированный материал, который значительно лучше воспринимает и гасит сейсмические и динамические нагрузки, а цилиндрическая форма с горизонтальными стенками позволяет оболочке придать некоторую торообразность, которая способствует всесторонне охватывать сыпучий материал, засыпаемый сверху через центральное отверстие. Второй новый признак, заключающийся в том, что на внутренней поверхности оболочки имеется как минимум одно ребро жесткости, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что внутреннее упругое ребро (ребра) не только повышает жесткость и прочность оболочки, но также повышает внутреннее трение между оболочкой и сыпучим материалом внутри нее, а это способствует дополнительному сопротивлению фундамента действию сейсмических и динамических нагрузок. Третий новый признак, заключающийся в том, что криволинейная выпуклость башмака выполнена в центральной его части в виде выступа с диаметром равным диаметру отверстия оболочки и высотой не менее высоты стенки отверстия оболочки, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что пользуясь геометрическими и механическими особенностями нового вида оболочки удается четко зафиксировать подошву башмака с сохранением центровки и упруго предотвращать смещение подошвы башмака относительно оболочки фундамента. Четвертый новый признак, заключающийся в том, что крайний круглый плоский фланец башмака опирается на верхнюю горизонтальную стенку оболочки, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что центрально зафиксированный башмак фундамента своим крайним плоским контуром опирается на сыпучий заполнитель оболочки через резиноармированный слой верхней горизонтальной стенки оболочки, которая способствует повышению деформируемости фундамента при динамических и сейсмических нагрузках. Пятый новый признак, заключающийся в том, что свая и центральное углубление башмака в плане выполнены в виде равностороннего треугольника, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что выполнение сваи в плане (в поперечном сечении) в виде равностороннего треугольника позволяет ей получить максимальную удельную поверхность трения с сыпучим материалом (среди равномерных геометрических фигур при одинаковой площади равносторонний треугольник имеет наибольший периметр), при этом углубление башмака в виде равностороннего треугольника позволяет треугольной свае компактно в ней расположиться и зафиксироваться. Шестой новый признак, заключающийся в том, что сама оболочка выполнена составной из скрепленных между собой как минимум двух металлокордных утилизированных покрышек от большегрузных автомобилей или тракторов одинакового типоразмера, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что именно благодаря специфическим геометрическим и механическим характеристикам однотипных металлокордных утилизированных покрышек от большегрузных автомобилей или тракторов при их скреплении получаются оболочки фундамента с внутренними ребрами жесткости, выполняющими одновременно взаимосвязующую роль между оболочками с сыпучим материалом, кроме этого создается возможность выбора необходимой высоты оболочки фундамента, кроме этого использование скрепленных между собой металлокордных утилизированных покрышек одинакового типоразмера позволяет достигнуть дополнительных гидроизоляционных, виброизоляционных и сейсмоизоляционных качеств. Все это достигается без специального оборудования для производства оболочки фундамента. Вышеизложенные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению проявить эффективность, заключающуюся в удешевлении и упрощении изготовления фундамента. Кроме этого повышается устойчивость по отношению к сейсмическим и внецентренным нагрузкам.
Все это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображен сейсмостойкий фундамент, вертикальный разрез (в варианте с оболочкой из двух скрепленных утилизированных покрышек одинакового типоразмера); на фиг. 2 изображен сейсмостойкий фундамент, вид сверху.
Сейсмостойкий фундамент содержит круглую оболочку 1 в виде скрепленных между собой двух утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля (или трактора). Внутри оболочка заполнена сыпучим материалом 2, на который опирается фундаментный башмак 3. Центральная часть подошвы башмака выполнена криволинейно выпуклой 4 в виде выступа 5. В центре подошвы башмака имеется углубление 6 с контурами в виде равностороннего треугольника, в которое заходит верхняя часть короткой сваи 7, которая в поперечном сечении выполнена в виде равностороннего треугольника. Острие 8 сваи 7 выполнено в виде треугольной пирамиды с одинаковыми гранями, равными поперечному сечению сваи. По краям опорная часть подошвы башмака 3 выполнена в виде круглого фланца 9, опирающегося на часть верхней горизонтальной стенки 10 оболочки 1. На башмаке 3 сверху расположен подколонник 11. На внутренней поверхности оболочки имеется внутреннее ребро 12 жесткости.
CD
В качестве оболочки 1 сейсмостойкого фундамента используются (например, для нашего случая) металлокордные утилизированные покрышки одинакового типоразмера от большегрузных автомобилей или тракторов, например, от БелАЗ с внешним диаметром 2,5 м с шириной профиля (протектора) 0,9 м и с диаметром внутреннего отверстия 0,7 м. Вначале на грунтовое основание устанавливается первая из утилизированных покрышек, затем на эту покрышку сверху устанавливается верхняя утилизированная покрышка. Покрышки скрепляются между собой, например, при помощи резинового клея, которым покрывается, контактирующие между собой, внешняя поверхность верхнего фланца нижней покрышки и нижняя поверхность нижнего фланца верхней покрышки. Скрепленные между собой указанные фланцы двух покрышек образуют внутреннее ребро 12 оболочки 1 фундамента. В оболочку 1 через отверстие верхней стенки 10 оболочки 1 засыпается сыпучий материал 2, по шаблону формируется приямок, отображающий форму криволинейной выпуклой части 4 с выступом 5 башмака 3. Шаблон снимают и на его место устанавливается сборный фундаментный башмак 3 с подколонником 11 с треугольным углублением 6 в подошве для сваи 7. Центральная часть башмака 4 имеет форму криволинейного выпуклого сегмента с выпуском, который характеризуется высотой перпендикуляра CD, восстановленного из середины горизонтали АВ. Длина горизонтали АВ равняется диаметру подошвы башмака 3. Рекомендуемая оптимальная высота перпендикуляра H=0,1 - 0,25 АВ. Поперечные размеры треугольной, в поперечном сечении, железобетонной сваи 7 принимают по расчету на действие поперечной силы или изгибающих моментов при расчете на устойчивость.
В зависимости от вида сыпучего материала 2 засыпки принимается длина сваи 7 (если используется песок, то длина сваи большая, а если используется тощий грунтоцемент, то длина сваи меньшая). Между стенками углубления 6 и стенками сваи 7 допускается зазор до 10 мм.
Короткая железобетонная свая 7 с наибольшей удельной поверхностью улучшает работу всего фундамента на действие горизонтальных нагрузок, в том числе и сейсмических, делает фундамент устойчивым против опрокидывания, а также улучшает совместную работу материала засыпки 2 и резиноармированной оболочки.
Б
Б
в.о.
в.о.
Диаметр круглого башмака 3 сейсмостойкого фундамента d определяется по формуле d=kd, где d - внутренний диаметр оболочки, равный разности между диаметром утилизированной покрышки и удвоенной толщины профиля (протектора) покрышки; k - коэффициент, полученный экспериментальным путем и равный 0,63 - 0,85.
Высота выступа 5 криволинейной выпуклости 4 не менее высоты стенки отверстия оболочки (т.е. верхней горизонтальной стенки 10 оболочки).
Работа данной конструкции сейсмостойкого фундамента заключается в следующем.
Нагрузка через подколонник 11 и фундаментный башмак 3 передается на сыпучий материал 2 засыпки. Материал засыпки 2, уплотняясь, посредством силы трения и силы бокового давления вовлекает в осадку и оболочку 1. Наличие в оболочке 1 сейсмостойкого фундамента внутреннего ребра 12 способствует более эффективному вовлечению оболочки 1 в осадку. В результате давление на грунт основания под резиноармированной оболочкой 1 не превышает расчетного. Наличие выступа 5 в башмаке 3 с диаметром равным диаметру отверстия оболочки и высотой не менее высоты верхней горизонтальной стенки 10 оболочки четко фиксирует подошву башмака с сохранением центровки. Это позволяет упруго предотвращать смещение подошвы башмака относительно оболочки при повышенных горизонтальных, вибрационных и сейсмических нагрузках. Для устранения возможности опрокидывания фундамента предусмотрена короткая свая 7. Поперечное сечение сваи 7 имеет форму равностороннего треугольника, у которого самый длинный периметр среди равномерных плоских фигур, а в связи с этим максимальная боковая поверхность контакта сваи с материалом засыпки. Это повышает сопротивление сваи к опрокидыванию, а также повышает устойчивость фундамента по отношению к сейсмическим и динамическим нагрузкам. Опирание круглого плоского фланца 9 башмака на сыпучий материал 2 засыпки через резиноармированную верхнюю горизонтальную стенку 10 оболочки также способствует повышению сейсмо- и виброустойчивости фундамента. Также повышает сейсмо- и виброустойчивость фундамента частичный контакт засыпки с грунтом основания через нижнюю горизонтальную стенку оболочки.
Количество металлокордных утилизированных покрышек от большегрузных автомобилей или тракторов одинакового типоразмера при изготовлении оболочки сейсмостойкого фундамента, в зависимости от размеров конструкции фундамента, может быть и более двух, тогда количество ребер на внутренней поверхности будет больше одной, но на одну единицу меньше количества покрышек.
Предложенный сейсмостойкий фундамент предназначен для применения при строительстве каркасных одно- и многоэтажных зданий и сооружений с центральным и внецентренным приложением нагрузки во всех грунтовых условиях, как без предварительного улучшения, так и с производством комплекса работ по их улучшению.
Технико-экономический эффект предложенного сейсмостойкого фундамента, по сравнению с фундаментом - прототипом, заключается в том, что полностью исключается расход железобетона на изготовление оболочки фундамента. Для изготовления оболочки сейсмостойкого фундамента используются утилизированные металлокордные покрышки от большегрузных автомобилей или тракторов. Использование скрепленных утилизированных металлокордных покрышек в совокупности с новыми формами башмака фундамента и короткой сваи значительно повышают сейсмо- и виброустойчивость фундамента, а также повышается устойчивость фундамента к внецентренным нагрузкам.