Способ строительства фундамента и его устройство
METHOD OF FOUNDATION CONSTRUCTION AND HOW IT IS SET UP

Группа изобретений относится к строительству, в частности к строительству фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Известен способ строительства сборных железобетонных фундаментов в форме гиперболического параболоида, оболочку из сборного железобетона которого монтируют на строительной площадке в котловане с плоским дном. Полость оболочки заполняют в заводских условиях материалом, заменяющим грунт (см. Тетиор А.Н. Проектирование и сооружение экономичных конструкций фундаментов. - Киев: «Будiвельник», 1975, с. 76-150). Недостатками способа являются: значительные трудовые и материальные затраты; высокая стоимость изготовления, транспортировки и монтажа фундамента.
Известен сборный железобетонный фундамент, включающий сборную железобетонную оболочку в форме гиперболического параболоида, полость которой заполнена в заводских условиях материалом, заменяющим грунт (см. Тетиор А.Н. Проектирование и сооружение экономичных конструкций фундаментов. - Киев: «Будiвельник», 1975, с. 76-150). Недостатками фундамента являются: значительный расход заполнителя; заполнитель обладает податливостью, что допускает произвольное изменение напряженно-деформированного состояния в его теле; плоская подошва фундамента, формирующая седлообразную эпюру контактных с основанием напряжений, затрудняет определение его расчетной физически максимально возможной несущей способности.
Наиболее близким техническим решением является способ строительства монолитного фундамента из конструктивного и грунтового строительных элементов. При изготовлении конструктивного строительного элемента, включающего подготовку дна котлована под подошву, устройство наружной монолитной железобетонной оболочки усеченно-конической формы с уширением в нижней части стенки с размещенным в ней жестким заполняющим материалом и формирование уплотненного ядра грунта, под подошву конструктивного элемента в грунте ниже выровненной плоской поверхности дна котлована соосно с сооружаемым фундаментом выполняют углубление плоско-выпукло-вогнутой формы вращения по заданным геометрическим параметрам; заполнитель выполняют фракционно-структурным из глинисто-цементно-песчаной композиции, одной расчетной марки по прочности его материала; заполняющий материал укладывают в инвентарную составную коническую опалубку, соосно расположенную с углублением в грунте, послойно, рассосредоточенной наброской горизонтальных рядов фракций комковой глины с последующей заливкой каждого ряда наброски цементно-песчаным раствором текучей консистенции и его составом, обеспечивающим проектную прочность заполнителя после твердения, после наполнения первой секции опалубку наращивают второй секцией с жестким соединением и осуществляют аналогично предыдущему ее наполнение заполняющим материалом, далее операции повторяют до укладки заполнителя на проектную высоту; подошву конструктивного строительного элемента осуществляют плоско-вогнуто-выпуклой формы вращения по заданным геометрическим параметрам углубления в грунте, используемого в качестве грунтовой опалубки, путем укладки в нее сначала фракционно-структурного композиционного материала заполнителя и затем бетонной смеси в нижней части уширения стенки конической оболочки; грунтовый строительный элемент формируют под плоско-вогнуто-выпуклой подошвой конструктивного строительного элемента действием расчетной вдавливающей нагрузки на грунт основания фундамента, как уплотненное ядро, в виде кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте с углом при его вершине, равным двум значениям угла внутреннего трения грунта (см. Патент на изобретение RU №2482245 C2, МПК E02D 27/01/2006. «Способ строительства фундамента и его устройство»; автор: Борозенец Л.М.; заявка: 2011108866/03, 09.03.2011; опубл.: 20.05.2013. Бюллетень №14), принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что способ требует значительных затрат, связанных с последовательным устройством заполнителя и оболочки; использование двух видов опалубки для заполнителя и оболочки фундамента; изготовление углубления плоско-вогнуто-выпуклой формы с заданными геометрическими параметрами в качестве опалубки в грунте под подошвой конструктивного элемента фундамента с удалением грунта из объема углубления без его уплотнения; формирование уплотненного ядра в виде кругового конуса присоединенного к подошве конструктивного элемента, происходит в процессе строительства надземной части строения и связанных с этим проявлением неравномерных повышенных осадок; существенная продолжительность срока строительства; значительные материальные и трудовые затраты.
Известен монолитный фундамент, включающий конструктивный строительный элемент, из монолитной железобетонной оболочки усечено-конической формы с уширением нижней части стенки и размещенный в лей жесткий заполнитель, имеет заполнитель из одинакового по прочности фракционно-структурного материала из глинисто-цементно-песчаной композиции и содержит подошву плоско-вогнуто-выпуклой формы вращения с заданными геометрическими параметрами. Грунтовый строительный элемент, включающий уплотненное ядро грунта, имеет форму кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте, с плосковыпукло-вогнутой формой основания конуса, с величиной угла при его вершине, равной двум значениям угла внутреннего трения грунта (см. Патент на изобретение RU №2482245 C2, МПК E02D 27/01/2006. «Способ строительства фундамента и его устройство»; автор: Борозенец Л.М.; заявка: 2011108866/03, 09.03.2011; опубл.: 20.05.2013. Бюллетень №14), принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного фундамента, принятого за прототип, относят то, что сжимаемость материалов оболочки и заполнителя имеет разные параметры; оболочка работает на распорные усилия от заполнителя, что требует дополнительного повышенного армирования ее стенки; материалоемкость имеет значительную массу, что увеличивает нагрузку на грунт основания.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявляемая группа изобретений направлена на решение задачи - внедрение в строительное производство составных грунтово-конструктивных фундаментов, состоящих: из несущего грунтового строительного элемента фундамента в виде уплотненного ядра, предварительно сформированного грунтовытесняющими ударными воздействиями падающей тяжелой трамбовки на глубину S, в форме перевернутого кругового конуса с одновременным сопутствующим образованием в основании перевернутого конуса вытрамбованного плоско-вогнутой формы вращения с заданными геометрическими параметрами углубления; из несущего сборного железобетонного конструктивного строительного элемента фундамента, плотно сопряженного в углублении основания конуса посредством его подошвы, включающего сборную железобетонную плиту заводского изготовления с плоско-выпуклой формой вращения, с геометрическими параметрами подошвы, адекватными параметрам плоско-вогнутой формы вращения углубления в основании конуса, снабженную соосно расположенным и жестко заделанным опорным столбом с верхним концом, венчаемым усеченным конусом, по концентрической окружности проектного радиуса R на верхней плоскости плита снабжена 12-ю равномерно расположенными через 30° арматурными анкерами; несущую сборную железобетонную усеченно-коническую оболочку заводского изготовления, снабженную в основании конуса жестко связанным концентрично расположенным противораспорным кольцом, содержащим 12 равномерно-расположенных через 30° по концентрической окружности проектного радиуса R сквозных отверстий в виде перевернутого усеченного конуса, венчаемой жестко связанными диском и стаканом под колонну в усеченной верхней части оболочки, содержащими соосную цилиндро-конической формы сквозную полость; распределительный слой цементно-песчаного раствора толщиной 40 мм, укладываемый на обрезе фундаментной плиты под подошву противораспорного кольца оболочки в процессе монтажа; 12 железобетонных «заклепок», конструктивно жестко объединяющих сборную плиту и противораспорное кольцо сборной оболочки; цементно-песчаную заливку в пространство между внутренней поверхностью цилиндро-конической полости в жестком диске и наружной поверхностью усеченной цилиндро-конической формы верхнего конца опорного столба, соосно введенного при монтаже в полость, для их жесткого конструктивного объединения.
Технический результат - осуществление новых условий взаимодействия предварительно созданного трамбованием несущего грунтового строительного элемента фундамента с его подготовленным уплотненным грунтовым основанием, сборной фундаментной плиты несущего сборного конструктивного строительного элемента фундамента с несущим грунтовым строительным элементом фундамента и сборной оболочки несущего сборного конструктивного строительного элемента с его фундаментной плитой, существенно повышающих устойчивость, несущую способность, качество, надежность, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность как грунтового основания, так и составного фундамента.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что составной фундамент сооружают из несущих грунтового и сборного конструктивного строительных элементов фундамента, при устройстве несущего грунтового строительного элемента фундамента, включающего подготовку дна котлована, формирование уплотненного ядра грунта в виде перевернутого конуса грунтовытесняющими ударными воздействиями падающей тяжелой трамбовки с одновременным сопутствующим вытрамбовыванием углубления плоско-вогнутой формы вращения по заданным геометрическим параметрам для укладки сборной фундаментной плиты конструктивного строительного элемента в грунтовом основании конуса, ниже подготовленной выровненной плоской поверхности дна котлована на значение S глубины вытрамбовывания, соосно с сооружаемым составным фундаментом; укладывают сборную железобетонную плиту в углубление плотно-сопряженной посредством ее подошвы с основанием конуса грунтового строительного элемента; на обрез плиты устанавливают, на распределительный слой свежеуложенного цементно-песчаного раствора толщиной 40 мм под противораспорное кольцо соосно с опорным столбом плиты, сборную железобетонную оболочку с жесткой заделкой сопряжения верхнего конца опорного столба плиты с жестким диском в верхней части усечения оболочки цементно-песчаным раствором; сборную оболочку с противораспорным кольцом в нижней ее части жестко соединяют со сборной фундаментной плитой при помощи 12 железобетонных «заклепок», включающих арматурные анкеры и литой бетон на мелком заполнителе.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что составной фундамент состоит из несущих грунтового и сборного конструктивного строительных элементов; что несущий грунтовый строительный элемент фундамента, включающий уплотненное ядро грунта, имеет форму перевернутого кругового конуса из максимально и равномерно уплотненного грунта по всей его высоте, с плоско-вогнутой формой основания конуса, с величиной угла при его вершине, равной двум значениям угла внутреннего трения грунта ϕ; что несущий сборный конструктивный строительный элемент фундамента включает сборную железобетонную плиту с подошвой плоско-выпуклой формы вращения с заданными геометрическими параметрами, с центрально расположенным опорным столбом и 12 арматурными анкерами, сборную железобетонную оболочку усеченно-конической формы с противораспорным кольцом в нижней ее части, имеющим 12 перевернуто-конической формы сквозных отверстий для устройства железобетонных «заклепок» и с жестким диском со стаканом под колонну в верхней усеченной части, содержащими сквозную цилиндро-коническую полость для жесткого соединения с опорным столбом плиты, центрально расположенным внутри оболочки; жестко связанных между собой в единую конструкцию с помощью цементно-песчаного раствора, укладываемого на плите под противораспорное кольцо оболочки и заливаемого в полость жесткого диска и стакана, монолитных железобетонных «заклепок» из литой бетонной смеси на мелком заполнителе.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше, и вышеуказанным техническим результатом. Вытрамбовывание в грунте углубления на глубину S плоско-вогнутой формы вращения, ниже плоской поверхности дна котлована, позволяет предварительно осуществить формирование уплотненного ядра как несущего грунтового строительного элемента, в виде кругового конуса, реализующего физически максимально возможную несущую способность принудительного качественно улучшенного основания. Вытрамбовывание углубления плоско-вогнутой формы вращения с заданными геометрическими параметрами для укладки сборной фундаментной плиты позволяет формировать уплотненное ядро в виде кругового конуса, чем предварительно обеспечивается максимальное равномерно-распределенное контактное реактивное давление основания на ее подошву. Равномерное уплотнение вытрамбовыванием грунта в теле ядра по всей его высоте способствует достижению максимальных равномерных значений сжимающих нормальных и сдвигающих касательных напряжений, действующих по образующей боковой поверхности конуса, что обеспечивает реализацию наибольшей несущей способности основания. Получение уплотненного ядра вытрамбовыванием в форме кругового конуса с углом при его вершине, численно равным двум значениям угла внутреннего трения грунта ϕ, позволяет легко и точно определить его размеры, что дает упрощение и высокую степень достоверности расчетов; воспринять и равномерно распределить максимально возможное реактивное давление грунтового основания на боковую поверхность конуса и передать его на подошву сборной фундаментной плиты несущего конструктивного строительного элемента в значениях максимально возможного и равномерно-распределенного реактивного контактного давления - с этим связана надежность работы сборной фундаментной плиты и грунтового основания фундамента. За счет предварительного вытрамбовывания уплотненного ядра грунта значительно уменьшаются неравномерность осадок и их абсолютные значения. Вытеснение грунта трамбованием из объема углубления способствует ускоренному формированию конуса уплотненного ядра и уменьшению последующей допустимой осадки S несущего конструктивного строительного элемента под нагрузкой от надземного строения. Улучшение качества уплотненного вытрамбовыванием грунтового основания связано с повышением устойчивости несущего конструктивного строительного элемента фундамента на вертикальную и горизонтальную нагрузки. Применение совокупности соосного столба, жестко связанного с фундаментной плитой и оболочкой, а также распорного кольца оболочки, соосно расположенного с плитой фундамента и жестко с ней связанного, обеспечивает соответственно передачу центральной и кольцевой нагрузки на плиту с формированием сжатого состояния бетона в ней, что исключает работу плиты на изгиб, а следовательно, уменьшает ее армирование до необходимого конструктивного на технологические нагрузки. Оболочка, жестко заделанная нижним краем в протираспорное кольцо и верхним краем в жестком диске, работает на сжатие бетона, что уменьшает ее армирование до конструктивно необходимого на технологические нагрузки. Несущий сборный конструктивный строительный элемент фундамента имеет уменьшенную массу, что снижает нагрузку на его грунтовое основание. Предварительное грунтовытеснение ударным воздействием падающей тяжелой трамбовки углубления для укладки сборной фундаментной плиты и одновременного сопутствующего изготовления несущего грунтового строительного элемента фундамента, применение сборных изделий заводского изготовления, простой и легкий их монтаж весьма способствуют сокращению срока строительства составного фундамента, снижению стоимости, трудозатрат и материалоемкости его устройства. Устройство, состоящее из несущих грунтового и сборного конструктивного строительных элементов, позволяет: одновременно воспринимать нагрузку усеченно-конической оболочкой, жестким столбом плиты, плитой и уплотненным ядром; передавать нагрузку усечено-конической оболочкой и опорным столбом на плиту и затем плитой на уплотненное ядро, а уплотненным ядром, как несущим грунтовым строительным элементом фундамента, на его качественно уплотненное и улучшенное вытрамбовыванием грунтовое основание; повысить устойчивость, несущую способность, качество, надежность, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность грунтового основания и составного фундамента.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку эта группа образует единый изобретательский замысел, причем заявленный объект группы - способ строительства составного фундамента - при его осуществлении предназначен в совокупности для формирования вытрамбовыванием первого несущего грунтового строительного элемента и изготовления второго из заявленных объектов группы - устройства несущего конструктивного строительного элемента, при этом все три объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата. По объекту-способу отмечается, что строительство составного фундамента осуществляют: из несущего грунтового строительного элемента фундамента, формируемого вытеснением и уплотнением грунта ударным воздействием падающей тяжелой трамбовки с плоско-выпуклой подошвой под укладку сборной фундаментной плиты несущего конструктивного строительного элемента фундамента и рассматриваемого как уплотненное ядро, в виде кругового конуса из максимально и равномерно-уплотненного грунта по всей его высоте; из сборного несущего конструктивного строительного элемента фундамента, монтируемого из сборной фундаментной плиты, которую выполняют с подошвой плоско-выпуклой формы и с соосно расположенным и жестко связанным с ней опорным столбом, и из усеченно-конической оболочки с противораспорным кольцом и жестким диском, жестко объединяемых посредством цементно-песчаного раствора и железобетонных «заклепок».
По объекту-устройству или составному фундаменту в целом на фиг. 1 изображен его вертикальный разрез, на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1.
Составной фундамент включает несущий грунтовый A и сборный конструктивный Б строительные элементы. Грунтовый строительный элемент A или уплотненное ядро 1 формируется под ударным действием падающей тяжелой трамбовки с получением допустимой глубины S и плоско-вогнутой формы вращения основания его конуса 2. В зоне грунтового основания B из равномерно уплотненного по глубине грунта 3 образуется в виде пространственной фигуры круговой конус 4 относительно вертикальной оси с расчетными размерами, определяемыми углом при его вершине, равным двум значениям угла внутреннего трения грунта ϕ, и с диаметром основания конуса, равным диаметру сборной фундаментной плиты 5. Сборный конструктивный строительный элемент фундамента Б состоит из сборной железобетонной фундаментной плиты 5, опорного столба 6, из сборной железобетонной усеченно-конической оболочки 7, имеющей противораспорное кольцо 10 и жесткий диск 12, железобетонных «заклепок» 8 с арматурными анкерами 9. Плита 5 опирается на уплотненное ядро 1, рассматриваемого в качестве несущего грунтового строительного элемента A. Оболочка 7 опирается на плиту 5 посредством противораспорного кольца 10, жестко соединенного с плитой 5 монолитными железобетонными «заклепками» 8 через 30° по окружности радиусом R. Опорное кольцо оболочки укладывается на слой цементно-песчаного раствора 11 толщиной 40 мм. Верхняя часть усеченно-конической оболочки 7 завершается жестким диском 12, венчаемым либо стаканом 13 под сборные железобетонные колонны, либо без него под монолитные железобетонные или стальные колонны или фундаментные балки. Опорный столб 6, нижним концом жестко связанный с плитой 5, жестко соединяется верхним концом 14 с диском 12 с помощью цементно-песчаного раствора 15. Зона сжатого бетона в плите 5 под опорным столбом 6, ограниченная образующей 16 усеченного конуса, под углом 40° к вертикали пересекается с зоной сжатого бетона в плите 5 под кольцом 10, ограниченной образующими 17 и 18, по окружности сопряжения 19 на поверхности подошвы 2 и габаритной окружности 20 круглой плиты 5.
Заявленная группа изобретений предназначена для применения при строительстве составных фундаментов промышленных и гражданских зданий и других сооружений.
В настоящее время известны все средства и методы для осуществления заявленной группы изобретений.
Использование группы изобретений ведет к снижению затрат на строительство и к сокращению срока строительства фундаментов зданий и других сооружений путем их изготовления из несущего грунтового строительного элемента фундамента, сформированного упредительно до начала монтажа сборных конструктивных изделий и из несущего сборного конструктивного строительного элемента фундамента, выполняемого из сборной железобетонной плиты с ее опорным столбом и сборной железобетонной усеченно-конической оболочки, жестко соединенных между собой.
На основании новизны технических решений группы изобретений для строительства составного фундамента осуществляются новые условия взаимодействия между оболочкой и фундаментной плитой, несущего сборного строительного конструктивного элемента фундамента с несущим грунтовым строительным элементом фундамента и несущего строительного грунтового элемента фундамента с его грунтовым основанием, повышающие устойчивость, качество, надежность, несущую способность, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность составного грунтово-конструктивного фундамента и его грунтового основания.