способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий

Формула изобретения

1. Способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий, заключающийся в воздействии на грунт для изменения его прочностных и деформационных характеристик, отличающийся тем, что перед строительством проводят расчеты напряженно-деформированного состояния системы "грунт-фундамент-здание" с получением данных о расположении и форме зон упрочнения и разупрочнения элементов системы, на основе которых при строительстве воздействуют на каждый элемент системы в отдельности, или на элементы системы в различных сочетаниях, или на все элементы системы совместно, изменяя их прочностные и деформационные характеристики, при этом воздействие на грунт осуществляют путем его упрочнения в районе центра пятна застройки здания с одновременным разупрочнением грунта на периферии пятна застройки, воздействие на фундамент осуществляют путем повышения его изгибной жесткости с максимумом ее величины в центре фундаментной плиты и минимумом на периферийной его части, воздействие на здание осуществляют путем увеличения жесткости примыкающей к фундаменту части здания в центре и по периферии и уменьшения жесткости между центром и периферией здания.

2. Способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий по п.1, отличающийся тем, что воздействие на грунт для его упрочнения осуществляют путем инъекции упрочняющего раствора или введения в грунт армирующих упрочняющих элементов в пределах зоны упрочнения, а его разупрочнение осуществляют путем инъектирования разупрочняющего раствора, или выполнения узкой прорези, или выполнения рядов скважин в грунте в пределах зоны разупрочнения.

3. Способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий по п.1, отличающийся тем, что воздействие на фундамент осуществляют путем введения ребер переменной жесткости или закладки арматуры в пределах зоны упрочнения центральной части фундаментной плиты.

4. Способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий по п.1, отличающийся тем, что воздействие на здание осуществляют путем упрочнения конструктивных элементов плиты в пределах зоны упрочненния, а именно увеличением прочности бетона, раствора или кирпича, введением дополнительной арматуры и связей различной жесткости между элементами несущих конструкций здания и фундамента, осуществляемых дополнительными сварными соединениями и закладными деталями.

5. Способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий по п.1, отличающийся тем, что в качестве прочностных и деформационных характеристик используют коэффициент сжимаемости, модуль деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, удельное сцепление и угол внутреннего трения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и используется для возведения большеразмерных и тяжелых зданий, сооружений на неравномерно сжимаемых и слабых грунтах.

Известны следующие разновидности способов снижения неравномерности осадок: предотвращающие их появление и устраняющие уже существующие.

Известен способ закрепления грунтов в основании деформированных зданий и сооружений, включающий инъекцию в грунт улучшающих растворов и химикатов отдельными захватками с предварительным установлением начальных взаимных перемещений отдельных частей здания, сооружения и измерение деформаций в процессе сооружения (Патент РФ N2162917, кл. E 02 D 3/12, опубл. 2001 г.). Вначале по величинам начальных взаимных перемещений судят о положении изогнутой оси строения, выявляют участки здания, в пределах которых имеются однозначно изгибаемые участки, затем осуществляют закрепление грунтов сначала на тех захватках однозначно изгибаемых участков, где зафиксированы наименьшие начальные осадки. При необходимости, после измерения деформаций, образовавшихся после первого этапа закрепления, проводят повторное выявление и закрепление однозначно изгибаемых участков.

Известный способ не может предотвратить появления неравномерности осадок и применяется для устранения уже существующих неравномерностей. Кроме того, способ приводит к неоправданному завышению себестоимости строительства за счет увеличения своей трудоемкости.

Известен способ усиления фундамента здания, сооружения на слабых и неравномерно сжимаемых грунтах, заключающийся во введении в необходимых случаях в конструктивную схему строения дополнительных элементов жесткости (Патент РФ N 2037604, кл. E 02 D 27/08, опубл. 1995 г.).

Способ включает секционное задавливание свай через отверстия в центре плиты фундамента. Сваи задавливают посредством домкрата до заданного сопротивления грунта. Домкрат устанавливают в пробитой в стене нише. В местах пробивки ниш в стенах фундамента при его строительстве устанавливают вкладыши или заполняют малопрочным материалом с последующим их соответственно извлечением или разрушением. Домкрат фиксируют посредством тяг к монтажным петлям фундаментной плиты, которую связывают при изготовлении последней с ее рабочей арматурой. Затем закрепляют последнюю секцию свай в плите фундамента, а домкрат демонтируют.

Недостаток способа состоит в том, что воздействие на грунт осуществляется после того, как здание, сооружение уже получило недопустимые деформации, повреждения и частично утратило свои эксплуатационные качества.

Известен способ адаптации плитного фундамента к изменению характеристик грунтового основания, включающий изготовление в теле плиты адапционных технологических и измерительных каналов, установку первичных измерительных преобразователей, контроль физико-механических характеристик грунта, подачу системой инъектирования в зоны с пониженной плотностью основания закрепляющих и уплотняющих растворов, осуществление повторного уплотнения до достижения значения модуля общей деформации, на 10% превышающего значение модуля деформации в основании торца здания, противоположного крену, образовавшемуся в процессе его возведения с получением после выполненной коррекции основания стабилизированных осадок задания (Патент РФ №N2184812, кл. E 02 D 27/28, опубл. 2002 г.).

Известный способ не может предотвратить появления неравномерности осадок и применяется для устранения уже существующих неравномерностей. Кроме того, способ приводит к неоправданному завышению себестоимости строительства за счет завышении объемов работ по инженерной мелиорации грунтов оснований.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий, заключающийся в воздействии на грунт для изменения его прочностных и деформационных характеристик (Патент РФ №2169238, кл. Е 04 В 1/00, опубл. 2000 г.).

В процессе возведения здания, сооружения с введением в его схему дополнительных элементов жесткости, например железобетонных поясов, осуществляют поэтажные измерения деформаций и/или напряжений в основных и дополнительных элементах строения. После определения напряженно-деформированного состояния на неравномерно сжимаемых грунтах с учетом жесткости надземного строения и проведения оценки допустимости уже возникших осадок и напряжений, делают выводы о необходимости и объемах воздействия на грунт до завершения строительства. При необходимости прекращают возведение сооружения в той части, где требуется воздействие на грунт основания, которое осуществляют, например, нагнетанием цементно-песчаных растворов, после чего продолжают возведение сооружения.

Недостатком известного способа является то, он не может предотвратить появление неравномерности осадок и применяется для устранения уже существующих неравномерностей.

Известный способ приводит к неоправданному завышению себестоимости строительства, т.к. не учитывает совместной пространственной работы здания и основания.

Технической задачей изобретения является создание способа снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий, позволяющего до начала возведения здания предотвратить возникновение неравномерных осадок оснований заданий, сооружений и дополнительных непроектных напряжений в конструкциях задания за счет решения задачи комплексного воздействия на систему "грунт-фундамент-здание".

Кроме того, технической задачей изобретения является создание способа, позволяющего снизить себестоимость строительства.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий, заключающимся в воздействии на грунт для изменения его прочностных и деформационных характеристик, перед строительством проводят расчеты напряженно-деформированного состояния системы "грунт-фундамент-здание" с получением данных о расположении и форме зон упрочнения и разупрочнения элементов системы, на основе которых при строительстве воздействуют на каждый элемент системы в отдельности, или на элементы системы в различных сочетаниях, или на все элементы системы совместно, изменяя их прочностные и деформационные характеристики, при этом воздействие на грунт осуществляют путем его упрочнения в районе центра пятна застройки здания с одновременным разупрочнением грунта на периферии пятна застройки, воздействие на фундамент осуществляют путем повышения его изгибной жесткости с максимумом ее величины в центре фундаментной плиты и минимумом на периферийной его части, воздействие на здание осуществляют путем увеличения жесткости примыкающей к фундаменту части здания в центре и по периферии и уменьшения жесткости между центром и периферией здания.

Предпочтительно воздействие на грунт для его упрочнения осуществляют путем инъекции упрочняющего раствора или введения в грунт армирующих упрочняющих элементов в пределах зоны упрочнения, а его разупрочнение осуществляют путем инъектирования разупрочняющего раствора, или выполнения узкой прорези, или выполнения рядов скважин в грунте в пределах зоны разупрочнения.

Целесообразно воздействие на фундамент осуществлять путем введения ребер переменной жесткости или закладки арматуры в пределах зоны упрочнения центральной части фундаментной плиты.

Предпочтительно воздействие на здание осуществлять путем упрочнения конструктивных элементов плиты в пределах зоны упрочнения, а именно увеличением прочности бетона, раствора или кирпича, введением дополнительной арматуры и связей различной жесткости между элементами несущих конструкций здания и фундамента, осуществляемых дополнительными сварными соединениями и закладными деталями.

Возможно в качестве прочностных и деформационных характеристик использовать коэффициент сжимаемости, модуль деформации, модуль упругости, коэффициент Пуассона, удельное сцепление и угол внутреннего трения.

Сущность способа заключается в том, что конструкция здания переменной жесткости в системе "здание-фундамент-грунт" устраняет разницу осадок между серединой и краями здания.

Комплексное воздействие на систему "здание-фундамент-грунт", когда в центре системы и по краям здания будут находиться элементы повышенной жесткости, относительно остальных элементов системы, а под краями сооружения будут находиться ослабленные элементы, приводит к выравниванию осадок основания и деформации конструкций здания и, следовательно, к снижению величины напряжений в конструкциях здания.

На фиг.1 представлена расчетная форма зон упрочнения и разупрочнения системы "здание-основание".

На фиг.2 - график зависимости неравномерности осадок от длины ребра.

На фиг.3 - график зависимости неравномерности осадок от расположения ребер.

На фиг.4 - вариант выполнения ребер жесткости на фундаментной плите.

На фиг.5 - схема распределения жесткости в системе "здание-основание" при реализации способа в строительстве конкретного дома в г.Тюмени.

Предварительно были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) системы "здание-фундамент-грунт" (ЗФГ).

На основе полученных данных поведения системы при различных вмешательствах в ее работу можно предложить следующий комплекс мер по снижению неравномерности осадок основания. Во-первых, возможно увеличить жесткость сооружения в нижней части сооружения, особенно усилив края и середину. Во-вторых, возможно усилить основание под центром сооружения и(или) ослабить грунт под краями здания.

На фиг.1 показан пример размещения в стенах здания усиленных элементов (показаны сетчатой штриховкой), границ усиления основания под серединой (темная заливка) и ослабления под краями здания (светлая заливка). Таким образом можно добиться максимально равномерных осадок здания на слабом грунте, а следовательно, и максимального снижения уровня НДС здания при наименьших затратах.

В случае, когда основание сложено слабыми грунтами со значительными неоднородностями, применяют плитный фундамент. Имеет место возможность повышения экономической эффективности такого фундамента за счет оптимизации его формы.

Для выяснения эффективности воздействия на жесткость фундамента был рассчитан тестовый пример, представляющий собой плиту размерами 18 на 72 метра и толщиной 0,5 метра, загруженную нагрузкой, соответствующей нагрузке от дома, аналогичных размеров на основании, с физико-механическими свойствами, характерными для г.Тюмени. В процессе тестирования в плите вводились различные комбинации продольных и поперечных ребер жесткости различной длины и высоты. На основании проведенных расчетов выяснено следующее.

Применение поперечных ребер в середине плиты эффективнее продольных (фиг.2), учитывая то, что длина продольного ребра в 4 раза больше длины поперечного. Эффективность продольных и поперечных ребер увеличивается к центру плиты, причем расположение ребер у краев плиты ухудшает общее НДС (фиг.3). Поперечные ребра наиболее эффективно работают как дополнительные опоры в местах наибольших прогибов, а продольные непосредственно увеличивают изгибную жесткость плиты. В варианте, представленном на фиг.4, дополнительные затраты материала составляют 13,6%, а по уровню неравномерности осадок он идентичен плите толщиной 1 метр, т.е. увеличению затрат материала на 100%. Таким образом, для данного вида фундамента экономия по материалу составляет 100*(1296 м ³-738 м³)/1296 м³=43%.

При включении в работу части стен цокольного этажа, то есть если выполнить стены в некоторых местах монолитно с фундаментной плитой, эффективность плиты значительно увеличивается. Чтобы сэкономить материал и еще больше уменьшить осадки в центре плиты, среднее поперечное ребро можно заменить рядом буронабивных свай различной длины (фиг.5).

Также значительный эффект по снижению уровня неравномерности осадок наблюдается при отрывке щелей по торцовым гранями фундаментной плиты и достигает 15% при отрывке щели глубиной 7 м и шириной 0,5 м, При этом, если сплошную щель заменить рядом не соприкасающихся друг с другом скважин, эффективность метода существенно падает (при снижении объема земляных работ на 20% эффективность падает на 75%). Кроме того, наблюдался эффект "наложения" влияния различных типов воздействий, например воздействия на жесткость фундамента и воздействия на деформируемость основания. Так, если при увеличении жесткости фундамента наблюдался эффект снижения неравномерности на 14%, а при отрывке щели на 15%, то эффект при одновременном применении обоих способов равнозначен суммированию обоих эффектов в отдельности, то есть 14%+15%=29%.

Пример реализации способа

Для строительства 10-этажного здания типовой серии 121-Т с размерами в плане 54,5х14,5 м были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) системы "здание-фундамент-грунт". Грунт в расчетах имеет характеристики суглинка с модулем деформации Е=5-7 мПа, удельным сцепление С=40 кПа, углом внутреннего трения =23°, коэффициентом Пуассона =0,35, типовыми для г.Тюмени.

Для строительства здания подобного типа на указанном грунте толщина фундаментной плиты должна была составить 1,2 м.

Расчеты показали, что при строительстве здания необходимо внести в конструкцию вышеописанной фундаментной плиты подкрепляющие продольные и поперечные ребра толщиной 0,5 м и максимальной глубиной под центром плиты 2,4 м, аналогичные по форме приведенным на фиг.5. Это привело бы к уменьшению толщины верхней фундаментной плиты с 1,2 до 0,6 м.

Кроме того, при строительстве самого здания необходимо внести изменения в конструкцию здания, аналогично приведенным изменениям на фиг.5, а именно, увеличить жесткость, примыкающей к фундаменту части здания в центре и по периферии, ослабив жесткость между центром и периферией здания.

После завершения строительства здания с вышеуказанными изменениями в конструкции системы "грунт-фундамент-здание" уровень неравномерных осадок по сравнению с построенными ранее зданиями остался прежним, но материалоемкость уменьшилась на 38%.

Таким образом, разместив в зонах влияния жесткости несущих стен (нижней части, середине и по краям) усиленные элементы, усилив основание под серединой и ослабив под краями здания, можно добиться максимально равномерных осадок здания на слабом грунте, а следовательно, и максимального снижения уровня НДС здания при наименьших затратах.

Наблюдаемые эффекты наиболее заметны при строительстве на слабых грунтах, а также на большеразмерных фундаментах, когда неравномерность осадок между краем и серединой фундамента проявляется наиболее отчетливо.