способ сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах

Формула изобретения

Способ сооружения свайных фундаментов преимущественно для малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов в промерзающих пучинистых грунтах, включающий погружение в грунт коротких стальных свай путем их завинчивания на проектную глубину, устройство обвязочных балок-ростверков, укладку над сваями и под балками-ростверками слоя теплоизолирующего материала, отличающийся тем, что погружение свай производят в зимний период, после частичного или полного промерзания грунта, причем длину свай принимают не менее расчетной глубины промерзания грунта, затем монтируют балки-ростверки, а к устройству слоя теплоизолирующего материала приступают после оттаивания грунтов до безопасной глубины, определяемой расчетом свай на устойчивость от действия сил морозного пучения, причем надземные конструкции строений (домом, мачт, рекламных щитов) сооружают как до, так и после полного оттаивания грунтов до безопасной глубины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении свайных фундаментов, преимущественно малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов, заборов на промерзающих пучинистых грунтах.

Известен способ сооружения свайных фундаментов, например, малоэтажных домов (способ-аналог), включающий погружение в грунт коротких стальных винтовых свай путем их завинчивания на проектную глубину, устройство над ними в необходимых случаях обвязочных стальных или деревянных балок-ростверков и возведение домов, мачт, рекламных щитов (Рекламные материалы фирмы «Krinner» [1]).

Недостаток способа-аналога состоит в том, что он непригоден при сооружении свайных фундаментов на промерзающих пучинистых грунтах в зимний период. Эти сваи (например, винтовые сваи фирмы «Krinner», имеющие длину от 0.5 до 1.5-2.5 м) получают повреждения при применении в пучинистых грунтах с глубиной промерзания 1.5-2.5 м и более, за счет их подъема под действием сил морозного пучения, возникающих в результате промерзания грунта.

Известно, что пучение (объемное расширение) грунтов, характеризуемое относительной деформацией морозного пучения _fn=0.01-0.07 и выше, приводит к подъему поверхности промерзающего грунта на 1.0-7.0 см и более на каждый метр промерзающего слоя. В результате короткие винтовые сваи, которые получают подъемы вместе с промерзающим пучинистым грунтом, не могут вернуться в проектное положение после оттаивания грунта и утрачивают значительную часть несущей способности. Кроме того, при сооружении свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах существует возможность консервации мерзлого грунта в основании, что приводит к снижению несущей способности свай после оттаивания грунта и образованию длительных деформаций домов, мачт, рекламных щитов после их сооружения.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте, включающий бурение скважины диаметром, близким к диаметру сваи, засыпку скважины извлеченным в процессе бурения грунтом, введение паровой иглы и пропаривание грунта, погружение в протаявшую массу сваи, причем время вмерзания сваи в грунт определяют расчетом (патент RU 2133316 «Способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте» [2]).

Недостаток способа-прототипа состоит в невозможности использования его при сооружении свайных фундаментов в зимний период в условиях сезонного глубокого промерзания пучинистых грунтов, характерных для условий России. После сооружения фундамента согласно способу-прототипу в зимний период при наличии пучинистого грунта, образовавшаяся мерзлота сохраняется на длительный период за счет высокого термического сопротивления слоя теплоизолирующего материала над сваями и под балками-ростверками. После постепенного оттаивания мерзлоты, которое может развиваться несколько лет, несущая способность ранее промороженных пучинистых грунтов значительно уменьшается, что приводит к снижению несущей способности свайного фундамента, образованию длительных деформаций фундаментов и построенных на них объектов. Кроме того, способ-прототип включает сложные технологические операции (бурение, пропаривание).

Цель изобретения состоит в обеспечении возможности сооружения свайных фундаментов из коротких стальных свай в условиях глубокого промерзания пучинистых грунтов и упрощении работ по сооружению фундаментов.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе сооружения свайных фундаментов, включающем погружение в грунт коротких стальных свай, устройство обвязочных балок-ростверков, укладку над сваями и под балками-ростверками слоя теплоизолирующего материала, для обеспечения возможности сооружения фундаментов в условиях глубокого промерзания пучинистых грунтов, длину свай принимают не менее расчетной глубины промерзания грунта, погружение свай производят в зимний период после частичного или полного промерзания грунта, затем монтируют балки-ростверки, а к устройству слоя теплоизолирующего материала приступают после оттаивания грунтов до безопасной глубины, определяемой расчетом свай на устойчивость от действия сил морозного пучения, причем надземные конструкции (дома, мачты, рекламные щиты и др.) сооружают как до, так и после полного оттаивания грунтов до безопасной глубины.

Преимущества предлагаемого способа следующие. После промерзания пучинистых грунтов на достаточную глубину образуются деформации подъема поверхности грунта за счет его объемного расширения. Погруженные в грунт сваи уже не получат деформаций подъема, поскольку процесс пучения к этому времени практически закончился или заканчивается. После оттаивания образуются осадки поверхности на величину ранее полученных деформаций подъема при промерзании грунта. При этом силы сопротивления грунта на боковой поверхности свай, направленные вниз (соответственно направлению осадок оттаивания), увеличивают несущую способность свай по сравнению с несущей способностью таких же свай, но погруженных в талые (немерзлые) грунты.

Устройством слоя теплоизолирующего материала после полного оттаивания грунтов предотвращается возможность повторного промораживания и пучения грунтов после сооружения фундаментов, а также самого надземного строения в период его сооружения и последующей эксплуатации. Очевидно, что устройство теплоизоляции должно быть закончено до наступления следующего зимнего периода.

Известно, что пучение грунтов при промерзании происходит в результате роста кристаллов льда за счет миграции (движения) к ним подземной воды. Интенсивность льдообразования зависит от скорости увеличения глубины промерзания: чем выше скорость, тем меньше льдообразования, и наоборот. Наибольшая скорость возникает в начале воздействия на грунты отрицательных температур, и замедляется в конце всего периода промерзания. В связи с тем, что область наибольшего льдообразования образуется в нижних слоях промерзающей зоны, где скорость промерзания минимальна и соответственно - где льдообразование наибольшее, длина свай должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания грунта. Этим исключается возможность попадания концов свай в зону наибольшего льдообразования и снижения несущей способности свай.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - обеспечения возможности сооружения свайных фундаментов из коротких стальных свай в условиях глубокого промерзания пучинистых грунтов.

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 чертежами (фиг.1-3), на которых показана последовательность сооружения фундамента малоэтажного дома в г.Екатеринбурге на сваях фирмы «Krinner» в соответствии с предлагаемым способом:

- на фиг.1 - погружение свай «Krinner» в мерзлый грунт;

- на фиг.2 - устройство обвязочной балки-ростверка и стены дома;

- на фиг.3 - устройство утепления фундамента и сооружение надземной конструкции.

Свайный фундамент, сооружаемый по предлагаемому способу, показан на фиг.3. Фундамент включает винтовые сваи 1 фирмы «Krinner» длиной L=2.5 м и приведенным диаметром D_в=0.20 м вверху и D_н=0.15 м внизу, погруженные в грунт с шагом 2.5 м, и железобетонную балку-ростверк 2. Несущая способность свай на вертикальную нагрузку составляет Fu⁺=6.5 тс, на выдергивающую Fu^-=1.8 тс [2].

Для дома предусматривается сооружение пола 3 с утеплителем 4 (слоем экструдированного пенополистирола толщиной 7.0 см) и дополнительным утеплителем 5 с внешней стороны свайного фундамента. Над балкой-ростверком 2 планируется сооружение стен дома 6.

Строительство фундамента ведется в начале января, когда глубина промерзания составила d_f=1.2 м и не достигла нормируемой величины d_fn=1.9 м, которая образуется к концу зимнего периода. На фиг.1-3 показаны глубины промерзания:

- на фиг.1 - образовавшаяся к началу января d_f (позиция 7);

- на фиг.2 - текущая d_ft, меняющаяся в процессе сооружения свайного фундамента и дома за время t (позиция 8);

на фиг.3 - минимальная d_f,min, безопасная по условиям устойчивости сваи от действие сил морозного пучения грунта (позиция 9);

на фиг.1-3 - нормативная d_fn, совпадающая с расчетной при отсутствии снегового покрова и снятого почвенного слоя (позиция 10).

Грунт в основании свайного фундамента представлен суглинком полутвердой консистенции (показатель текучести I_L=0.25), который в соответствии со стандартом (ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация» [3]) характеризуется относительной деформацией морозного _fn=0.04. Среднее значение нормального давления морозного пучения составляет f_n=5.0 тс/м³ (Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. / НИИОСП им. Н.М.Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1979 [4]).

Вертикальная сила выдергивания сваи 1, возникающая в результате пучения грунта, промерзающего на глубину d_fn (см. поз.10 на фиг.1-3), составляет N= D_в d_fn f_n= ·0.20·1.9·5.0=5.96 тс, что превышает несущую способность сваи 1 на выдергивающую нагрузку, равную Fu^- =1.8 тс, и предопределяет возможность подъема сваи 1 в результате пучения грунта с соответствующим снижением ее несущей способности после оттаивания грунта.

Из расчета следует, что минимальная, безопасная глубина промерзания d_f,min (см. поз.9 на фиг.3), при которой подъема сваи 1 не произойдет, равна d_f,min=Fu^-/( D_в f_n)=1.8/( ·0.20·5.0)=0.58 м.

Свайный фундамент в соответствии с предлагаемым способом выполняется в следующем порядке. Вначале, после промерзания грунта на глубину d_f (поз.7), производят погружение свай 1 путем завинчивания на проектную глубину (фиг.1). В необходимых случаях для обеспечения проходки твердого мерзлого грунта, технология предусматривает бурение скважин малого сечения до глубины промерзания на момент погружения сваи 1 d_f (поз.7).

После погружения свай 1, как показано на фиг.2, сооружается балка-ростверк 2. За время работ глубина промерзания грунта d_ft (8) может несколько измениться - уменьшиться или увеличиться против значения d_f (поз.7). Чтобы уменьшить дополнительное промерзание после погружения сваи 1, над ней устанавливается утеплитель (см. поз.11 на фиг.1).

Наконец, после того, как глубина промерзания уменьшится до безопасной величины d_f,min=0.58 м (поз.9 на фиг.3), сооружается пол 3 с утеплителем 4 и наружным утеплителем 5.

Преимущества предлагаемого способа сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах, включающего погружение в грунт коротких свай, устройство обвязочных балок-ростверков и укладку над сваями и под балками-ростверками слоя теплоизолирующего материала, по сравнению с фундаментом-аналогом и фундаментом-прототипом состоят в следующем:

- в обеспечении возможности сооружения фундаментов в зимний период, при наличии в основании пучинистых грунтов;

- в исключении сохранения мерзлого грунта в основании после сооружения дома;

- в предотвращении возможного снижения несущей способности свай 1 за счет выдергивания их силами морозного пучения.

Источники информации

1. Рекламные материалы фирмы «Krinner» (выборка см. Приложение А).

2. Патент RU 2133316 С1, E02D 27/35, E02D 7/26. Способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте. / Л.С.Чугунов, А.И.Березняков, А.Х.Дацковский, Б.В.Дегтярев, Л.С.Забелина и В.А.Хилько. - 20.07.1999, 4 с.

3. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.

4. Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. / НИИОСП им. Н.М.Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1979.

Приложения

А - Титульный лист фирмы «Krinner».

Б - Выборка из проспекта фирмы «Krinner».