Защита свай от морозного пучения

Изобретение относится к строительству, а именно к способам защиты и предохранения свайных фундаментов зданий и сооружений от морозного пучения в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Новым в способе защиты свайного фундамента от морозного пучения является то, что он предусматривает вмораживание фундамента в грунтовое основание, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта ниже глубины сезонного промерзания, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при установлении отрицательной среднесуточной температуры окружающего воздуха и промораживают с каждой стороны фундамента массив грунта, равный двойной ширине фундамента, причем глубину зоны промораживания определяют на основании приведенной зависимости. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии осуществления способа защиты фундамента от морозного пучения, а также снижение трудоемкости и стоимости при повышении эффективности и надежности. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам защиты и предохранения свайных фундаментов зданий и сооружений от морозного пучения в сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.

В настоящее время наиболее распространенными способами защиты свайных фундаментов от морозного пучения являются применение обмазок и покрытий, препятствующих их смерзанию с грунтом, снижение влажности грунтов основания, замена пучинистого грунта основания на непучинистый, увеличение глубины заложения фундаментов (см., например, М.В.Киселев. Предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. Стройиздат. Ленинградское отделение, 1985).

Эти способы либо малоэффективны и недолговечны по положительному действию, либо требуют выполнения больших объемов дорогостоящих земляных и гидромелиоративных работ.

Наиболее близким к предлагаемому по своей сущности и достигаемому результату является способ защиты фундамента от морозного пучения, включающий образование вокруг фундамента до глубины промерзания котлована шириной, равной глубине промерзания, и заполнение его крупнообломочным грунтом, заключенным в многосекционную клеть (см. SU 2024691, А1.12.1994).

Задачей изобретения является упрощение технологии осуществления способа защиты фундамента от морозного пучения, а также снижение трудоемкости и стоимости при повышении эффективности и надежности.

Задача решается за счет того, что предложен способ защиты свайного фундамента от морозного пучения, характеризующийся тем, что он предусматривает вмораживание фундамента в грунтовое основание, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта ниже глубины сезонного промерзания, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при отрицательной среднесуточной температуре окружающего воздуха и промораживают массив грунта, равный двойной ширине фундамента, причем глубину зоны промораживания определяют на основании зависимости

2,2hсп hпp 1,7hсп,

где hпр – глубина зоны искусственного промораживания грунта, м;

hсп – глубина естественного сезонного промерзания грунта от дневной поверхности, м.

При промораживании массива грунта могут осуществлять увеличение прочности смерзания грунта с фундаментом за счет установления температуры промораживаемого грунта в пределах от -6 до -8°С или за счет введения в промораживаемый грунт криоструктурирующих водно-растворимых полимерных компонентов, например поливинилового спирта (ПВС).

Искусственное промораживание окружающего фундамент грунта может осуществляться с помощью сезоннодействующих устройств для охлаждения и замораживания грунта, включающих грунтовой и воздушный теплообменники и соединительный термоизолированный теплопровод, причем устройства устанавливают в грунт по наружному контуру фундамента с размещением грунтового теплообменника в средней части глубины промораживаемой зоны.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в упрощении технологии выполнения противопучинных мероприятий, снижении трудозатрат и стоимости при повышении эффективности и надежности.

Технический результат достигается путем преодоления сил морозного пучения теми же средствами, за счет которых они возникают, то есть за счет промораживания окружающего фундамент грунта с помощью естественного холода в заданном интервале глубины. При этом выполнения каких-либо дополнительных специальных работ по замене пучинистого грунта на непучинистый или по увеличению глубины заложения фундамента – не требуется.

Способ осуществляют следующим образом. Вокруг предохраняемой от морозного пучения сваи на расстоянии, равном двойному размеру ее поперечного сечения, устанавливают сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ), заглубляемые в грунт ниже глубины сезонного промерзания с размещением грунтового теплообменника в средней части по глубине зоны промораживания, мощность которой задается в зависимости от значения среднемноголетней глубины сезонного промерзания грунта в данном месте. При этом мощность зоны промораживания должна быть не менее 1,7 глубины естественного сезонного промерзания грунта. При установлении отрицательной среднесуточной температуры наружного воздуха СОУ включаются в работу и осуществляют промораживание грунта вокруг сваи в заданном интервале глубины. Поскольку скорость промерзания грунта при искусственном промораживании выше скорости естественного промерзания грунта с поверхности, то к началу процесса его пучения и воздействия сил пучения на фундамент искусственно промороженный грунт успевает прочно смерзнуться с фундаментом и обеспечить его устойчивость против выпучивания. При необходимости увеличение прочности смерзания грунта с фундаментом может осуществляться за счет установления температуры промораживаемого грунта в пределах от -6 до -8°С, или путем введения в промораживаемый грунт компонентов, увеличивающих силы смерзания грунтового основания со сваей. Это позволяет значительно повысить эффективность и надежность предохранения фундамента от морозного пучения.

Читайте также:  Промывка системы отопления здания

Пример осуществления способа.

Вокруг трубчатой металлической сваи диаметром 325 мм, заглубленной на 8 м, на расстоянии 0,6 м были установлены 4 СОУ парожидкостного типа с термоизолированным соединительным теплопроводом на глубину 3,5 м, что соответствовало середине глубины промораживаемой зоны, мощность которой при глубине сезонного естественного промерзания 2,0 м была принята 3,0 м.

При установлении отрицательной среднесуточной температуры наружного воздуха СОУ автоматически включились в работу и начался процесс промораживания грунта вокруг сваи. Через 10 суток температура грунта в промораживаемой зоне достигла -3°С, а за последующие 20 дней составила -6°С. После промерзания грунта в заданном интервале глубины от -2,0 до 5,0 м произошло дальнейшее понижение температуры мерзлого грунта до -8°С, увеличение прочности его смерзания со сваей и сил, удерживающих сваю от выпучивания. Процесс промораживания контролировался с помощью наблюдательных температурных скважин, пробуренных в зоне промораживания. Как в период искусственного промораживания, так и в течение последующего зимнего сезона перемещения сваи не наблюдалось.

Был применен также физико-химический способ повышения прочности смерзания грунтов основания со сваей. Он заключался в введении в грунтовый массив перед промораживанием водного раствора поливинилового спирта (ПВС) 1% концентрации. Результаты испытания сваи на выдергивающую нагрузку показали, что удерживающие силы для песков повысились в 4 раза, а для суглинков – в 5 раз.

Предохранение фундамента от морозного пучения описанным способом упрощает, сокращает и ускоряет технологические операции, не требует выполнения большого объема трудоемких земляных работ по замене пучинистых грунтов в основании фундамента и гидромелиоративных работ по их осушению, увеличения глубины заложения фундамента, исключает необходимость применения специальной землеройной и сваебойной техники и при этом обеспечивает высокую надежность предохранения фундаментов от морозного пучения и стабильность их функционирования в течение всего периода эксплуатации сооружения.

Предлагаемое техническое решение может быть эффективно использовано при строительстве новых и эксплуатационном обслуживании существующих объектов, в частности, при профилактических противоаварийных мероприятиях на линиях электропередачи в сложных климатических и геокриологических условиях северных районов.

1. Способ защиты свайного фундамента от морозного пучения, характеризующийся тем, что он предусматривает вмораживание фундамента в грунтовое основание, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта ниже глубины сезонного промерзания, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при установлении отрицательной среднесуточной температуры окружающего воздуха и промораживают с каждой стороны фундамента массив грунта, равный двойной ширине фундамента, причем глубину зоны промораживания определяют на основании зависимости

2,2hсп hпp 1,7hсп ,

где hпp – глубина зоны искусственного промораживания грунта, м;

hсп – глубина естественного сезонного промерзания грунта от дневной поверхности, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для увеличения прочности смерзания грунта с фундаментом температуру промораживаемого грунта устанавливают в пределах от -6 до -8°С.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для увеличения прочности смерзания грунта с фундаментом в промораживаемый грунт вводят криоструктурирующие водно-растворимые полимерные компоненты, например поливиниловый спирт.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что искусственное промораживание окружающего фундамент грунта производят с помощью сезоннодействующих устройств для охлаждения и промораживания грунта, включающих грунтовый и воздушный теплообменники и соединительный термоизолированный теплопровод, причем устройства устанавливают в грунт по наружному контуру фундамента с размещением грунтового теплообменника в средней части глубины промораживаемой зоны.

Читайте также:  Бесперебойник от компьютера для насоса отопления

Морозное пучение – это увеличение объема грунта во время холодов. Пучение грунта происходит из за того что плотность льда меньше плотности воды, и замерзая, вода увеличивается в объеме.

В результате могут возникнуть перекосы и трещины в стенах, оконных и дверных проемах, потому что пучение грунтов происходит, как правило, неравномерно.

Силы морозного пучения действуют в двух направлениях – не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки, ведь грунт увеличивается в объеме не только под основанием фундамента, но и вокруг него.

Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его стенкам и при движении тянет его за собой.

Таким образом, всю силу пучения можно разложить на две составляющие:

    – одна действует на основание,

– вторая на стенки.

Чем глубже закладывается фундамент, тем меньше сила пучения, действующая на основание фундамента, но касательная сила пучения одновременно увеличивается.

При устройстве фундамента важен расчет, который должны выполнять квалифицированные специалисты.

Для защиты от морозного пучения существует несколько способов:

    – замена грунта на непучинистый,

– удаление влаги из грунта,

– утепление грунта.

1. Замена грунта на песчаный возможна при заложении фундамента: под основание фундамента укладывают подушку из песка, так чтобы она была шире самого фундамента, трамбуют и уплотняют ее.

Подушка из песка обеспечивает равномерное распределение нагрузок на фундамент, амортизирует их и уменьшает слой пучинистого грунта, таким образом снижая силу пучения.

Однако через некоторое время песок в обратной засыпке и подушке может перемешаться с частичками глины и потерять свои непучинистые свойства.

Для защиты от заиливания песчаную подушку и обратную засыпку нужно отделить от остального грунта пленкой, рубероидом или фильтрующей тканью.

2. Другая мера по борьбе против пучения – это удаление влаги, в свою очередь эту меру можно разделить на две составляющих – защита от попадания влаги с атмосферными осадками и удаление уже имеющейся влаги.

Чтобы оградить грунт вокруг фундамента от осадков в виде дождя и тающего снега по всему периметру дома необходимо делать отмостку. Ее ширина должна быть больше ширины засыпки, чтобы вода отводилась как можно дальше от фундамента.

3. Утепление грунта вокруг дома позволяет уменьшить или вообще исключить промерзание земли. Благодаря утеплению грунта появляется возможность строительства мелкозаглубленных фундаментов за счет искусственного уменьшения глубины промерзания.

Однако это возможно только в областях, где среднегодовая температура положительная. Ширина полосы утеплителя должна соответствовать глубине промерзания: если земля промерзает на 1,5 м, то утеплять надо вокруг дома полосу шириной 1,5 м.

Толщина утеплителя зависит от его теплоизоляционных свойств и от климатических условий.

4. Еще одна мера по защите фундамента от морозного пучения, применяемая при строительстве любых видов фундаментов, – это сделать его поверхность более гладкой.

Сам по себе бетон – пористый материал, и с его поверхностью грунт хорошо смерзается и при пучении сильно воздействует на него. Самый простой способ устранить это – прокладывать рубероид между поверхностью фундамента и грунтом.

Рубероид более гладкий материал, и движущийся грунт будет по нему скользить, и касательная составляющая силы пучения значительно снижается.

Проблемы с эксплуатацией фундамента в районах морозного воздействия на почву возникают после примерзания элементов конструкции к грунту. Общий показатель силы воздействия пучения на фундамент зависит от изменения касательного напряжения при увеличении пятна контакта боковой стороны фундамента с мерзлым грунтом. Данные изменения происходят по-разному, в зависимости от конструкционных особенностей фундамента и глубины его залегания, значений температуры и влажности, типа грунта, его промерзаемости и пучинистости.

Мы попробуем провести сравнение свай двух различных конструкций по такой характеристике, как стойкость к действию силы пучения грунта и определить, какой тип свай является наиболее эффективным в таких грунтовых условиях.

По данным СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на грунте, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить необходимые условия:

  1. Установление фундамента на такую глубину, при которой не будет происходить значительное действие выталкивающих сил при промерзании.
  2. Исследование стойкости фундамента к касательным силам, появляющимся при промерзании грунта и пучении в боковой зоне конструкции фундамента.
Читайте также:  Формула расчета объема воды

Данные для анализа

Грунтовые условия: сильнопучинистый тугопластичный суглинок, имеющий плотность r = 1,95 т/м 3 .

  • Модуль грунтовой деформации: E = 2,9 Мпа;
  • Коэффициент Пуассона: m = 0,30;
  • Показатель текучести: JL = 0,31;
  • Угол внутреннего трения: jI=21;
  • Удельное сцепление: CI = 32 кПа;
  • Расчетная глубина промерзания: d = 1,7 м.

Конструктивные характеристики свай

  • тип 1: длина – 2500 мм, диаметр ствола сваи – 108 мм (0.108м), диаметр режущей лопасти – 300мм;
  • тип 2: длина – 2500 мм (2,5 м), диаметр ствола сваи – 114 мм. Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101-2004, где приведена следующая формула:
  • Tfh – значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, tfh должно определяться, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значения tfh в зависимости от вида и характеристик грунта.
  • Afh – площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м 2 ;
  • F – расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке Tf = 0,9;
  • Frf – расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания;
  • γс – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1;
  • γn – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.

  • u — периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты — периметру сечения фундамента;
  • hi — толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, м (см);
  • fi — расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см 2 ) .

Расчет по сваям

Тип 1

Свая диаметром ствола 0,108 м, длиной 2,5 м. Установим несущую способность винтовой сваи на выдергивание по СП 50-102-2003 в соответствии с принятыми грунтовыми условиями: Fd = γc[(a1c1 + a2γ1h1)A ]= 0,7х [(12,1×32 кПа + 5,5×19,5 кН/м 3 ×1,70 ) х 0,07 = 108,31 кН = 10,83 тс Fd/γk=10,83/1,4=7,7 тс. В данной формуле учтем только одно слагаемое, а именно, сопротивление выдергиванию лопасти, погруженной в непромерзший грунт.

Определим τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения. Т.к. грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τfhn при глубине до 1,5 м. составит 100 кПа. τfh= χ k0 τfhn=0,8 * 0,8 * 130 = 83,2 кПа, где

  • χ — коэффициент, учитывающий геокриологические условия участка: при сезонном промерзании грунтов в условиях отсутствия или глубокого залегания вечномерзлых пород χ = 0,8, при смыкании промерзающего слоя с вечномерзлыми (или скальными) породами χ = 0,6 ÷ 0,7;
  • k0 — коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта;
  • τfhn — значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см 2 ), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта;
  • Afh — расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м 2 , находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания грунта.

Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа * 0,57 м 2 = 47,84 кН = 4,8 тс — вертикальная выдергивающая сила Fd/γk=7,7> 4,8 тс. Условие по устойчивости выполняется.

Тип 2

Свая конической формы, диаметром 0,114 м, длиной 2,5 м. Геометрические данные, которые понадобятся в расчетах: Длина цилиндрической части — 0,55 м. Диаметр цилиндрической части — 0,114м. Периметр цилиндрической части — 0,358 м. Длина конической части − 1,45 м Приведенный диаметр конической части — 0,114/2 = 0,057 м. Расчетный периметр конической части — 0,358/2 = 0,1797 см. Расчетное значение силы Fr,f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2): Fr = 30 кПа * 2 м * 0,17 = 10,2 кН = 1,02 тс. Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа * 0,45 м 2 = 37,35 кН = 3,74 тс — вертикальная выдергивающая сила. Условие не выполняется.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *