Способ защиты фундамента от морозного пучения

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при проведении мероприятий по защите фундаментов зданий и сооружений от морозного пучения в сезонно-промерзающих пучинистых грунтах. Способ защиты фундамента от морозного пучения предусматривает управление процессом сезонного промерзания окружающего фундамент грунта, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта глубиной, равной глубине залегания слоя сезонного промерзания-оттаивания и шириной, равной двойной ширине фундамента. Искусственное промораживание массива грунта начинают при температуре окружающего воздуха, равной в дневное время суток от -2 до -4°С, и производят промораживание грунта последовательно снизу вверх, начиная от нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания, с доведением температуры массива промороженного грунта до температуры, не превышающей -6°С, и поддерживают окружающий фундамент массив грунта в промороженном состоянии до наступления положительных температур наружного воздуха в ночное время суток. Технический результат состоит в упрощении технологии противопучинных мероприятий, повышении оперативности их выполнения, снижении трудоемкости и стоимости, повышении эффективности и надежности. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам и приемам защиты фундаментов зданий и сооружений от морозного пучения в сезонно-промерзающих пучинистых грунтах.

В настоящее время известны следующие способы снижения морозного пучения фундаментов.

1. Замена пучинистого грунта в основании фундамента на непучинистый. Этот способ достаточно эффективен, но нецелесообразен по экономическим соображениям, поскольку связан с большим объемом земляных работ. Кроме того, он осуществим только при строительстве сооружения, но не после его возведения.

2. Снижение обводненности промерзающего массива грунта в основании фундамента. Этот способ достаточно эффективен, но требует проведения дорогостоящих работ по устройству дренажной системы для отвода поверхностных и грунтовых вод.

3. Увеличение глубины заложения свайных фундаментов с целью усиления защемления свай в грунте ниже глубины сезонного промерзания. Этот способ недостаточно эффективен, так как не обеспечивает достаточную величину удерживающих сил, а также нетехнологичен и неэкономичен.

4. Применение обмазок и покрытий фундаментов, предотвращающих их смерзание с грунтом. Практика показывает, что полезное действие их является временным и ненадежным, так как многократное замерзание и оттаивание пучинистого грунта, контактирующего с обмазками, вызывает быструю потерю свойств смазочного материала.

5. Замедление процесса промерзания грунтов в контактной зоне путем их засоления. Этот способ достаточно эффективен, но обладает кратковременностью положительного действия из-за быстрого опреснения под действием грунтовых и поверхностных вод [1].

Описание всех перечисленных известных способов дано в приведенном ниже источнике информации.

1. М.Ф. Киселев. Предупреждение деформации грунтов от морозного пучения. Стройиздат, Ленинградское отделение, 1985.

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. RU 2024691 C1, 15.12.1994).

Недостатком способа является технологическая сложность, большой объем земляных работ, а также высокая трудоемкость и стоимость.

Задачей изобретения является упрощение технологии выполнения способа, а также снижение трудоемкости и стоимости при повышении эффективности и надежности.

Задача решается за счет того, что предложен способ защиты фундамента от морозного пучения, характеризующийся тем, что он предусматривает управление процессом сезонного промерзания окружающего фундамент грунта, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта глубиной, равной глубине слоя сезонного промерзания-оттаивания, и шириной, равной двойной ширине фундамента, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при температуре окружающего воздуха, составляющей в дневное время суток от -2 до -4°С, и производят промораживание грунта последовательно снизу вверх, начиная от нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания с доведением температуры массива промораживаемого грунта до температуры, не превышающей -6°С, и поддерживают окружающий фундамент массив грунта в промороженном состоянии до наступления положительных среднесуточных температур наружного воздуха.

При этом поверхность массива грунта, окружающего фундамент, на период искусственного промораживания слоя сезонного промерзания-оттаивания могут термоизолировать от охлаждения наружным воздухом; перед искусственным промораживанием массива окружающего фундамент слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта он может быть термоизолирован от остального грунтового массива в пределах залегания этого слоя; искусственное промораживание окружающего фундамент грунта могут осуществлять с помощью сезонно-действующих устройств для охлаждения и замораживания грунта, включающих грунтовый и воздушный теплообменники и соединительный термоизолированный теплопровод, причем устройства устанавливают в грунт вертикально по наружному контуру фундамента с размещением грунтового теплообменника на нижней границе слоя сезонного промерзания-оттаивания массива грунта, подлежащего промораживанию.

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

Это достигается за счет исключения необходимости проведения земляных и гидромелиоративных работ с заменой пучинистого грунта на непучинистый, увеличения глубины заложения фундамента, применения обмазок и покрытий фундаментов, а также введения химических компонентов. Все перечисленные мероприятия (кроме первого) носят временный характер.

Способ осуществляют следующим образом. Вокруг предохраняемой от морозного пучения сваи на расстоянии, равном двойному размеру ее поперечного сечения, устанавливают сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ), заглубляемые в грунт до нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания.

При установлении отрицательной температуры наружного воздуха СОУ включаются в работу и осуществляют промораживание грунта вокруг сваи, начиная от нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания с доведением температуры массива промораживаемого грунта до температуры, не превышающей -6°С и поддерживанием окружающего фундамент массива грунта в промороженном состоянии до наступления положительных температур наружного воздуха в ночное время суток.

Поскольку силы пучения всегда направлены к фронту холода, то при промораживании деятельного слоя снизу вверх пучение будет происходить в противоположном направлении. Но так как ниже границы слоя сезонного промерзания всегда залегает плотный несжимаемый слой грунта, то деформаций и перемещений промораживаемого грунта и смерзшейся с ним сваи происходить не будет. Противопучинный эффект усиливается тем, что поверхность массива грунта, окружающего фундамент, на период искусственного промораживания слоя сезонного промерзания-оттаивания термоизолируют от охлаждения наружным воздухом, а также от остального грунтового массива в пределах глубины залегания слоя сезонного промерзания. Кроме того, с помощью СОУ промерзание грунта в сезонно-промерзающем слое снизу вверх будет происходить интенсивнее, чем сверху вниз из-за наличия почвенно-растительного, торфяного слоя, снегового покрова или каких-либо других термоизолирующих покрытий.

Таким образом, к тому времени, когда верхний слой грунта промерзнет до глубины, сопровождающейся его пучением и перемещением сваи, промерзший грунт в нижнем интервале слоя сезонного промерзания прочно смерзнется со сваей и удержит ее от перемещения вместе с верхним промерзающим слоем в сторону дневной поверхности. Кроме того, в процессе промерзания деятельного слоя грунта снизу вверх происходит криогенная миграция грунтовой воды к фронту промерзания от дневной поверхности, что существенно уменьшает пучинистость грунта в верхнем слое за счет его обезвоживания [1].

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 на глубину 2,5 м, равную глубине сезонного промерзания. Соединительные теплопроводы охлаждающих устройств были термоизолированы от окружающего грунта. Для чистоты эксперимента, подтверждающего эффективность принципа терморегулирования процесса сезонного промерзания окружающего фундамент грунта, положенного в основу предложенного способа, термоизоляция грунтового массива вокруг сваи как с поверхности, так и по глубине не осуществлялась.

При установлении дневной температуры воздуха минус 2-3°С начался процесс промораживания грунта вокруг сваи у нижней границы деятельного слоя, который контролировался с помощью наблюдательных температурных скважин, пробуренных в зоне промораживания. Когда температура грунта в промораживаемой зоне достигла -6°С, ее мощность составила 0,8 м. При этом глубина естественного промерзания грунта с поверхности составила 0,2 м. В процессе дальнейшего промораживания мощность промораживаемого слоя достигла 2,0 м, а глубина промерзания с поверхности составила 0,5 м и произошло смыкание обеих зон и завершение процесса промерзания грунта в слое сезонного промерзания. За этот период произошло промораживание 4/5 мощности деятельного слоя без его пучения, направленного в сторону дневной поверхности, а также смерзание грунта со сваей, удерживающей ее от перемещений при пучении грунта в поверхностном слое при его промерзании.

Таким образом, устойчивость сваи против пучения в процессе промерзания деятельного слоя было полностью обеспечено. При этом перемещения сваи в течение последующего зимнего сезона также не наблюдалось.

Защита фундамента от морозного пучения описанным способом упрощает технологические операции, не требует выполнения большого объема трудоемких земляных работ по замене пучинистых грунтов в основании фундамента и применения специальной техники, а также обеспечивает надежность предохранения фундаментов от морозного пучения и поддержания их функционального состояния на весь срок эксплуатации сооружения.

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

Формула изобретения

1. Способ защиты фундамента от морозного пучения, характеризующийся тем, что он предусматривает управление процессом сезонного промерзания окружающего фундамент грунта, которое осуществляют путем искусственного промораживания массива окружающего фундамент грунта глубиной, равной глубине залегания слоя сезонного промерзания-оттаивания, и шириной, равной двойной ширине фундамента, причем искусственное промораживание массива грунта начинают при температуре окружающего воздуха, равной в дневное время суток от -2 до -4°С, и производят промораживание грунта последовательно снизу вверх, начиная от нижней границы слоя сезонного промерзания-оттаивания, с доведением температуры массива промороженного грунта до температуры, не превышающей -6°С, и поддерживают окружающий фундамент массив грунта в промороженном состоянии до наступления положительных температур наружного воздуха в ночное время суток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность массива грунта, окружающего фундамент, на период искусственного промораживания слоя сезонного промерзания-оттаивания термоизолируют от охлаждения наружным воздухом.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед искусственным промораживанием массива окружающего фундамент грунта в слое сезонного промерзания-оттаивания его термоизолируют от остального грунтового массива в пределах глубины залегания этого слоя.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что искусственное промораживание окружающего фундамент грунта производят с помощью сезоннодействующих устройств для охлаждения и замораживания грунта, включающих грунтовый и воздушный теплообменники и соединительный термоизолированный теплопровод, причем устройства устанавливают в грунт по наружному контуру фундамента с размещением грунтового теплообменника на нижней границе слоя сезонного промерзания-оттаивания массива грунта, подлежащего промораживанию.