конструкция обсыпки для защиты фундаментов от выпучивания и разрушения морозобойными трещинами

Формула изобретения

Конструкция обсыпки для предохранения фундаментов, заглубленных в сезонно промерзающий пучинистый грунт, от выпучивания и разрушения морозобойными трещинами, включающая траншею с пологими откосами, засыпанную непучинистым грунтом, отличающаяся тем, что обсыпку из непучинистого грунта выполняют с уширением в сторону его подошвы и углом наклона плоскости сдвига твердомерзлого слоя грунта к боковой поверхности фундамента, определяемым по формуле:

tg =0,34 R_p/R_sh ,

где R_p - расчетное сопротивление твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) из непучинистого грунта на растяжение с учетом длительности действия давления пучения, кН/м ²;

R_sh - расчетное сопротивление пучинистого грунта на сдвиг по грунту с учетом длительности действия давления пучения, кН/м²;

при этом обсыпку выполняют ступенчато с высотой ступени не более h _c=0,4 м и шириной ступени, равной расстоянию b _c=tg ·h_с, для обеспечения удобства технологии обсыпки с уплотнением непучинистого грунта.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к строительству, в частности к строительству в суровых природно-климатических условиях на пучинистых грунтах.

Известны многочисленные способы уменьшения касательных сил морозного пучения путем обмазки боковой поверхности фундамента битумной мастикой, дегтем, полимерными смолами и другими пластичными несмерзающимися веществами; полимерными пленками, рубероидом и другими рулонными материалами; устройством жестких подвижных оболочек вокруг фундамента, утеплением отмостки с увеличением ее ширины, описанных в работах [1, 2].

Основным недостатком указанных способов является недолговечность конструкций и возможность повреждения фундаментов от морозобойных трещин.

Наиболее близким по конструктивному решению по защите фундаментов от касательных сил морозного пучения и морозобойных трещин является использование для обсыпки пазух фундаментов непучинистого материала, например, песка [3]. Устройство обсыпок с пологими откосами со стороны пучинистого грунта исключает вредное воздействие касательных сил непосредственно на фундаменты. Морозобойные трещины при таких обсыпках для фундаментов не представляет опасности, так как затухают на откосах смерзающихся грунтов, ввиду того, что песчано-гравелистый грунт при промерзании отжимает влагу, а пучинистый подсасывает ее [3].

Основным недостатком принятого аналога [3] являются большие уклоны откосов обсыпок в пределах от 1:1,5 до 1:3 и вызванные этим большие расходы непучинистых материалов с учетом их транспортировки и укладки с послойным уплотнением.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении размеров обсыпки пазух фундаментов непучинистым материалом и снижении стоимости и трудоемкости устройства противопучинной обсыпки.

Указанный технический результат достигается за счет использования результатов рассмотрения напряженно-деформированного состояния (НДС) твердомерзлого грунта и материалов обсыпки и их взаимодействия в процессе промерзания грунтов. На чертеже 1а) - в) показаны конструкция обсыпки и расчетная схема взаимодействия пучинистого грунта с материалом обсыпки и боковой поверхностью фундамента. При послойном образовании твердомерзлого слоя грунта (ТСГ) в процессе промерзания боковая поверхность слоя песка смерзается с одной стороны с боковой поверхностью фундамента 1, а с другой стороны пучинистым грунтом 5. В процессе морозного пучения пластичномерзлого слоя грунта 7 происходит выпучивание слоя ТСГ 5 и сдвиг слоя песка силой f_fz (см. чертеж в)) и сжатие силой F_fh, максимально возможные значения которых определяются по формулам:

где R_sh - расчетное сопротивление грунта сдвигу по грунту, принимаемое согласно [4] с учетом длительности действия давления пучения, кН/м²;

P_f - давление морозного пучения, зависит от степени пучинистости грунта, определяемое в лабораторных условиях [5], кН/м²;

h_t - условная толщина ТСГ, принимаемая равной 0,125 м [4];

b - ширина полосы вдоль ленточного фундамента, принимаемая равной 1 м.

Горизонтальная проекция наклонной плоскости сдвига определяется по известной формуле [6]:

где с - горизонтальная проекция плоскости сдвига, м;

М_max - максимальный изгибающий момент, воспринимаемый мерзлым песком толщиной _ht=0,125 м; определяемый согласно [6]:

где R_p - расчетное сопротивление ТСГ из песка на растяжение, определяемое согласно [4] с учетом длительности действия давления пучения, кН/м² ;

W_f - момент сопротивления ТСГ из песка с учетом неупругих деформаций, м³ , определяемый согласно [6];

Y_с - коэффициент условий работы, учитывающий сжатие консоли из ТСГ силой F_fh, принимаемый в среднем по глубине промерзания равным 1,2;

Q - поперечная сила, действующая на консоль, равная F_fz, кН. Тогда угол наклона плоскости сдвига к боковой поверхности фундамента определится из формулы:

Подставляя в выражение (5) значение с из уравнения (3), а значение М_max из уравнения (4) и Q=F_fz из уравнения (1) и производя преобразования окончательно получим:

Таким образом, угол наклона плоскости сдвига ТСГ из песка к боковой поверхности фундамента будет постоянным по высоте обсыпки и будет изменяться в зависимости от вида пучинистого грунта (пылеватый песок, супесь, суглинок или глина) и его прочностных характеристик R_p; R_sh и этот угол будет соответствовать требуемому углу засыпки пазухи непучинистым песком. Однако реализовать подобный уклон отсыпки песком в натурных условиях представляется достаточно сложным. Поэтому предлагается обратную засыпку пазухи песком выполнить ступенчато, высотой ступени h_c не более 0,4 м, а ширину b_c принять на пересечение прямой плоскости сдвига и горизонтальной поверхности уступа ( см. чертеж а)) по формуле b_c=h _c·tg .

Изобретение поясняется графически, где на чертеже

- а) показан схематический разрез фундамента 1 и обсыпки пазухи непучинистым песком 4, 2 - стена, 3 - отмостка, 5 - пучинистый грунт, 6 - плоскость сдвига ТСГ из песка, 7 - граница откоса;

- б) показана схема взаимодействия ТСГ из пучинистого грунта 7 с ТСГ из песка подсыпки 4, 8 - граница ТСГ;

- в) показана расчетная схема консоли из ТСГ песка и угол сдвига от поперечной силы F_fz и сжимающей силы F _fh.

Предлагаемая конструкция отсыпки из непучинистого грунта работает следующим образом.

По мере промерзания грунта образуется слой ТСГ из пучинистого грунта 5 и песка 4, а под твердомерзлым слоем из пучинистого грунта действуют напряжения морозного пучения 7, стремящиеся сдвинуть ТСГ из песка по плоскости их стыка силой F_fz, кроме этого перпендикулярно этому стыку действует сжимающая сила F_fh . Таким образом, на консоль из ТСГ (см. чертеж в)) действуют поперечная сила Q=F_fz и сжимающая сила F_fh в результате чего в консоли появляется трещина в плоскости сдвига с горизонтальной проекцией с и углом наклона к боковой поверхности фундамента и она поворачивается вокруг верхней сжатой зоны. По мере охлаждения грунта образуется следующий слой из ТСГ и аналогичное разрушение консоли из песка. Длина разрушенной консоли из песка со стороны боковой поверхности фундамента 1 постепенно увеличивается и достигает своей максимальной длины на уровне подошвы фундамента, которая равна:

где h_ф - высота фундамента, м.

Максимальная ширина отсыпки пазухи фундамента на уровне подошвы соответствует длине консоли 1.

Пример конкретного исполнения

В качестве примера взят малозаглубленный фундамент под одноэтажное здание высотой h_ф=0,6 м, опирающийся на мягкопластичный суглинок. В качестве противопучинистой обсыпки используется мелкозернистый песок. Минимальная температура ТСГ толщиной 0.125 м суглинка - 1°С [4], его R _sh=180 кН/м²; расчетное сопротивление песка на растяжение при t=-1°C R_p=340 кН/м². Тогда по формуле (6) tg =0,34·340/180=0,648; =33°, а максимальная ширина подсыпки на уровне подошвы фундамента определяем по формуле (7) 1=h_f ·tg =0,6·0,648 0,40 м. Ширину подсыпки пазухи из мелкозернистого песка на уровне подошвы фундамента принимаем равным 0,4 м. Высоту уступа принимаем равным h_c=0,3 м, тогда ширина уступа составит: b_c=0,3·0,648 0,2 м. Аналогично определяем угол наклона плоскости сдвига и формулу подсыпки для других пучинистых грунтов с учетом температуры и прочности ТСГ.

Предложенная форма противопучинной обсыпки пазух фундаментов из непучинистого грунта, например мелкозернистого песка, позволяет в несколько раз снизить объем противопучинной подсыпки, соответственно снизить стоимость и трудоемкость строительства.

Литература

1. А.Л.Невзоров. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: изд-во Ассоциации строительных вузов. 2000,- 152 с.

2. М.Ф.Киселев. Мероприятия против деформации зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов. М.: Стройиздат, 1971, - 103 с.

3. С.И.Гапеев. Обсыпки для предохранения фундаментов от выпучивания и разрушения морозобойными трещинами. // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967, №6, с.26-27.

4. Р.Ш.Абжалимов, И.Н.Любчич. К определению прочностных и деформационных характеристик сезоннопромерзающих грунтов. // «Промышленное и гражданское строительство», 2005, №9, с.9-11.

5. Р.Ш.Абжалимов. Лабораторные исследования морозного пучения. // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1982, №5, с.20-22.

6. Р.Ш.Абжалимов. К расчетной схеме взаимодействия пучинистого грунта с боковой поверхностью мелкозаглубленного ленточного фундамента. // Промышленное и гражданское строительство. 2003, №3, 43-45.