ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ

ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ


RU (11) 2237780 (13) C2

(51) 7 E02D27/01, E02D27/35 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 19.01.2009 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002118813/03 
(22) Дата подачи заявки: 2002.07.12 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.07.12 
(43) Дата публикации заявки: 2004.01.27 
(45) Опубликовано: 2004.10.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2135693, 27.08.1999. SU 1539261 А2, 30.01.1990. SU 1758169 A1, 30.08.1992. WO 90/07612 A1, 12.07.1990. 
(72) Автор(ы): Лушников В.В. (RU); Оржеховский Ю.Р. (RU); Веселов В.В. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Экспертно- консультационная фирма "Геотехника и строительство" (RU) 
Адрес для переписки: 620077, г.Екатеринбург, а/я 76 (ООО "ЭКФ "Геотехника и строительство") 

(54) ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫЙ ФУНДАМЕНТ 
Изобретение относится к строительству, а именно к возведению зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах. Фундамент на промерзающем грунте включает жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, вкладышами в штрабах фундамента, выполненными из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие. Фундамент также содержит дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента. Новым является то, что крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента. Технический результат заключается в обеспечении возможности заложения фундамента выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов и передачи нагрузки по всей поверхности фундамента, чем обеспечивается сокращение объемов земляных работ и материалоемкости фундамента. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.





ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах.

Известен фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента из материала, имеющего модуль деформации, отличный от модуля деформаций материала выступов (SU 1539211, МКИ7 Е 02 D 27/01. Фундамент на естественном основании).

Недостаток фундамента состоит в невозможности устройства его на промерзающих пучинистых грунтах выше расчетной глубины промерзания.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например из пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, рядом с фундаментом (RU 2135693, МКИ7 Е 02 D 27/01, 27/35, Теплоизолированный фундамент).

Недостаток фундамента-прототипа состоит в его недостаточной теплоизолирующей способности для целей защиты грунтов от промерзания.

Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания и снижения материалоемкости, в частности, за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя фундамента и сокращения объемов земляных работ.

Поставленная цель достигается тем, что в фундаменте на промерзающем грунте, включающем жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей - не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, рядом с фундаментом, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента.

Кроме того, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, причем относительная площадь =Aпр.вк./А0 прерывистых вкладышей принимается из соотношения

1-max/R,

где Апр.вк. - площадь сечения прерывистых вкладышей, м2;

A0 - площадь сечения фундамента брутто в месте установки вкладышей, м2;

mах - максимально напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, кПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, кПа.

Толщина вкладыша в штрабах hвк устанавливается по теплотехническому расчету из условия недопущения промораживания грунта через тело фундамента в пределах вкладышей. В результате в предлагаемом фундаменте промораживание становится возможным только через тело выступов. Из теплотехнических расчетов следует, что при установке крайних рядов штраб с вкладышами со стороны каждого наружного края фундамента тепловой поток из грунта существенно уменьшается по сравнению с фундаментом-прототипом.

Эффективность теплозащиты возрастает, если верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента.

Устойчивость фундамента при действии нормальных сил морозного пучения в промерзающем грунте обеспечивается тем, что передаваемое на грунт давление в пределах выступов pвc принимается таким, чтобы оно было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта pn,f. Известно, что при давлении по подошве фундамента, превышающем pn,f деформации пучения не проявляются.

Очевидно, что давление на грунт в пределах вкладышей в штрабах pвк не должно превышать расчетного сопротивления материала вкладышей Rсж, а осадка фундамента Scp, вычисленная с учетом повышенной сжимаемости вкладышей, - величины нормируемой предельно допустимой осадки Su.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - более эффективную по сравнению с фундаментом-прототипом защиту пучинистых грунтов от промерзания и снижение материалоемкости за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя за пределами фундамента, сокращение объемов земляных работ.

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: на фиг.1 изображен теплоизолированный ленточный фундамент, нагруженный линейной нагрузкой n и заглубленный в грунт на глубину d; на фиг.2 - сечение 1-1; на фиг.3 - расчетная схема и эпюры распределения давлений по подошве фундамента.

Фундамент (фиг.1, 2) включает жесткое тело 1, выполненное из железобетона, с выступами 2 и штрабами 3 со стороны, обращенной к грунту, вкладышами 4 из пенополистирола, размещенными в штрабах 3, и дополнительный утеплитель 5, размещенный за пределами фундамента 1. Верхние участки дополнительного утеплителя 5, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущены в виде прерывистых вкладышей 6 через тело фундамента 1 и соединены с верхними участками дополнительного утеплителя 5, размещенными с противоположной стороны фундамента 1.

Для примера, иллюстрирующего существо изобретения, приняты следующие исходные данные:

- нагрузка на 1 м длины (1=1.0 м) фундамента 1: n=350 кН/м;

- ширина подошвы фундамента 1: b=2.0 м, верхней его части b0=0.5 м;

- площадь подошвы фундамента 1: А =1b=1.0 м2/м;

- площадь фундамента 1 брутто в сечении, где установлены прерывистые вкладыши 6: A0=1b0=0.5 м2/м;

- длина прерывистых вкладышей 6: l0=0.4 м, ширина b0=0.5 м, расстояние между ними с=0.5 м;

- среднее давление по подошве фундамента 1: pcp=n/A=175 кПа;

- глубина заложения фундамента 1: d=0.50 м;

- модуль деформации вкладышей 3 (пенополистирола): Евк=1.0 МПа;

- расчетная толщина вкладышей 3: Hвк=0.1 м;

- расчетное сопротивление пенополистирола вкладышей 3: Rсж= 150 кПа;

- расчетная глубина промерзания грунта: df=1.9 м;

- нормальное давление морозного пучения: pn,f=200 кПа;

- расчетное сопротивление грунта: Rгp=220 кПа;

- осадка фундамента 1 без учета сжимаемости вкладышей: Scp=4.5 см;

- коэффициент жесткости основания: К0=pcp/Scp=3.89 МПа/м.

Для выбора рационального соотношения =Авс/А площадей выступов 2 к общей площади фундамента 1 выполнены вычисления давлений на грунт по нижней поверхности выступов 2 - рвс и вкладышей 4 - рвк, а также возникающих осадок фундамента 1 - S с учетом сжимаемости вкладышей 4. Вычисления выполнены по формулам:

pвс=pср(Евк+К0hвк/(Евк+К0hвк);

pвк=pсрЕвк/(Eвк+К0hвк);

S=Sсрpвс/pср.

Результаты вычислений при различных значениях относительной площади выступов представлены в таблице.

Из таблицы следует, что оптимальным является соотношение =0.5, отмеченное звездочкой. При этом наибольшее давление на грунт по нижней поверхности выступов 2 - рвс=203 кПа не превышает расчетного сопротивления грунта Rгp=220 кПа, а также выполняются условия, определенные ограничительной частью формулы изобретения:

рвс=203>рn,f=200 кПа;

рвк=147<R=150 кПа;

S=5.23<S=10.0 см.



Проверка возможности устройства прерывистых вкладышей 6:

1-max/R: 0.44<1-1260/5200=1-0.24=0.76,=Апр.вк/А0=0.2/0.45=0.44;

Апр.вк.=l0b0=0.4-0.5=0.2 м2 - площадь сечения прерывистых вкладышей 6;

A0=(l0+с)b0=(0.4+0.5)0.5=0.45 м2 - площадь сечения фундамента 1 брутто в месте установки прерывистых вкладышей 6;

mах=n(l0+с)/(сb0)=350(0.4+0.5)/(0.5-0.5)=1260 кПа – максимальное напряжение в материале фундамента 1 от внешних нагрузок;

R=Rb=5.2 МПа=5200 кПа - расчетное сопротивление бетона.

Таким образом, предъявляемые требования к проектированию фундаментов в рассмотренном примере удовлетворяются.

На фиг.2 показано положение и размеры прерывистых вкладышей 6;

на фиг.3 - размеры фундамента и распределение давлений по подошве фундамента 1 при принятом значении =0.5 в виде эпюр: поз. 7 - давление по поверхности вкладышей 4 (pвк), поз. 8 - давление по поверхности выступов 2 (рвс), поз. 9 - среднее давление по поверхности фундамента 1 в целом (рср).

Кроме того, из теплотехнического расчета, выполненного по программе “НЕАТ-ПТФ”, следует:

- при выполнении крайних рядов штраб 3 с вкладышами 4 со стороны каждого наружного края фундамента 1 ширина дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента 1 уменьшается с 0.8 до 0.4 м с каждой из сторон; соответственно на 40% уменьшается объем земляных работ;

- в случае, когда верхний край дополнительного утеплителя 5, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента 1 пропущен в виде прерывистых вкладышей 6 через жесткое тело фундамента 1 и соединен с дополнительным утеплителем 5 противоположного наружного края фундамента 1, ширина дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента уменьшается до 0.20 м, а объем земляных работ - на 55%.

Преимущества предлагаемого решения теплоизолированного фундамента на промерзающих пучинистых грунтах состоят:

- по сравнению с фундаментом-аналогом - в обеспечении возможности заложения фундамента 1 выше расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов;

- по сравнению с фундаментом-прототипом - в обеспечении более эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания и снижения материалоемкости, в частности, за счет уменьшения размеров дополнительного утеплителя 5 за пределами фундамента 1 и сокращения объемов земляных работ. 



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Фундамент на промерзающем грунте, включающий жесткое тело с выступами и штрабами со стороны, обращенной к грунту, и вкладыши в штрабах фундамента, выполненные из теплоизоляционного материала, например пенополистирола, причем соотношение площадей выступов и штраб фундамента принимается таким, чтобы давление на грунт по нижней поверхности выступов было не менее величины нормального давления морозного пучения грунта, а давление на грунт по нижней поверхности вкладышей не более величины расчетного сопротивления материала вкладышей на сжатие, а также дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента, отличающийся тем, что крайние ряды штраб с вкладышами выполнены со стороны каждого наружного края фундамента.

2. Фундамент по п.1, отличающийся тем, что верхний край дополнительного утеплителя, размещенного за пределами фундамента, со стороны наружного края фундамента пропущен в виде прерывистых вкладышей через жесткое тело фундамента и соединен с дополнительным утеплителем противоположного наружного края фундамента, причем относительная площадь =Апр. вк/А0 прерывистых вкладышей принимается из соотношения

1-max/R,

где Апр.вк - площадь сечения прерывистых вкладышей, м2;

А0 - площадь сечения фундамента брутто в месте установки вкладышей, м2;

мах - максимальное напряжение в материале фундамента от внешних нагрузок, МПа;

R - расчетное сопротивление материала фундамента, МПа.