Способ сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах

Авторы патента:

E02D27/35 - возводимые в мерзлом грунте, например в вечномерзлом грунте

Владельцы патента RU 2430214:

Общество с ограниченной ответственностью "Экспертно-консультационная фирма "ГеоСтройЭксперт" (RU)

Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении свайных фундаментов преимущественно малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов на промерзающих пучинистых грунтах. Способ сооружения свайных фундаментов преимущественно для малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов в промерзающих пучинистых грунтах включает 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. Погружение свай производят в зимний период, после частичного или полного промерзания грунта. Длину свай принимают не менее расчетной глубины промерзания грунта. Затем монтируют балки-ростверки. К устройству слоя теплоизолирующего материала приступают после оттаивания грунтов до безопасной глубины, определяемой расчетом свай на устойчивость от действия сил морозного пучения. Надземные конструкции строений (домом, мачт, рекламных щитов) сооружают как до, так и после полного оттаивания грунтов до безопасной глубины. Технический результат состоит в повышении несущей способности, упрощении работ по сооружению фундаментов в зимний период, при наличии в основании пучинистых грунтов. 3 ил.

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 ε_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 ε_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=π D_в d_fn f_n=π·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^-/(π D_в f_n)=1.8/(π·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».

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.

Изобретение относится к области строительства сооружений в районах широкого распространения пластично-мерзлых грунтов, в том числе засоленных грунтов. .

Способ установки сваи открытого профиля в слабых сезоннопромерзающих пучинистых грунтах // 2394127

Изобретение относится к строительству, а именно к способам установки свай открытого профиля при возведении свайных фундаментов зданий и сооружений. .

Способ обеспечения проектного положения трубопроводов обвязки газо- или нефтедобывающих скважин в районах распространения вечномерзлых грунтов // 2390621

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при сооружении опорных конструкций надземных трубопроводов обвязки газо- и нефтедобывающих скважин на многолетнемерзлых грунтах.

Теплоизолированный фундамент // 2357044

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению зданий и сооружений на промерзающих пучинистых грунтах. .

Способ возведения свайного фундамента и свайный фундамент // 2348759

Изобретение относится к фундаментостроению и может быть использовано в способах возведения свайного фундамента в вечномерзлых грунтах. .

Конструкция обсыпки для защиты фундаментов от выпучивания и разрушения морозобойными трещинами // 2344233

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству в суровых природно-климатических условиях на пучинистых грунтах. .

Отапливаемое малоэтажное здание с полом по утепленному цокольному перекрытию, возводимое на пучинистом грунтовом основании // 2337211

Изобретение относится к области строительства, в частности к строительству малоэтажных (не более 2-х этажей) отапливаемых зданий с малозаглубленными фундаментами на пучинистых грунтовых основаниях.

Буроопускной способ возведения свайного фундамента в вечномерзлом грунте // 2320821

Изобретение относится к области строительства и предназначено для создания фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения в районах распространения вечномерзлых грунтов с сохранением грунтов основания в вечномерзлом состоянии в течение всего срока эксплуатации здания или сооружения.

Способ замедления процесса сезонного промерзания // 2318098

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

Способ управления нормальными силами пучения, действующими в направлении, противоположном действию касательных сил пучения // 2318097

Противопучинный фундамент здания с подвалом // 2440464

Изобретение относится к строительству, в частности к строительству малоэтажных зданий с подвалом, возводимых на пучинистых грунтах в районах с глубоким сезонным промерзанием, где глубина промерзания может достигать 4 м и более

Способ возведения малозаглубленных и поверхностных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов // 2465407

Изобретение относится к строительству, а именно к возведению малозаглубленных и поверхностных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов

Способ изготовления свайного фундамента для вечномерзлого грунта // 2469150

Изобретение относится к строительству, к способам расчетов оснований сооружений, в частности к расчету нагрузки свай, погружаемых в вечномерзлый грунт

Способ строительства фундамента в зимнее время // 2473742

Изобретение относится к строительству ленточных фундаментов под здания и сооружения различного назначения и может быть использовано при возведении мало- и многоэтажных зданий из монолитного бетона в зимнее время

Конструкция для предотвращения морозного пучения грунта // 2513078

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений, конкретно к защите от морозного выпучивания малозаглубленных фундаментов, дорожных покрытий и конструкций зданий, в частности крылец, пандусов и отмосток, окружающих здания. Конструкция для предотвращения морозного пучения грунта включает систему скважин, в том числе демпфирующих скважин, пробуренных вблизи или наклонно под фундамент в подстилающем слое грунта на глубину его промерзания и заполненных рабочим телом. Каждая демпфирующая скважина содержит гирлянду из взаимосвязанных емкостей, причем в нижней части скважины расположены преимущественно перфорированные емкости, заполненные сухой смесью «соль-песок» в соотношении 1:2, а в верхней части скважины размещена одна или несколько емкостей, заполненных солевым раствором составом не менее 0,5 кг соли на 10 л воды, при этом емкости снабжены диаметрально расположенными выпусками, сообщающимися с внутренним пространством скважин, закрытых съемными оголовками. Технический результат состоит в повышении надежности, долговечности и эффективности демпфирующих свай. 1 ил.

Способ предохранения опорных элементов от морозного выпучивания грунта (варианты) // 2515246

Изобретение относится к строительству, в частности к способам защиты одиночных опорных элементов (например, свай и столбов) от воздействия сил морозного пучения грунтов, в том числе в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Способ предохранения опорных элементов от морозного выпучивания грунта в фундаменте зданий, сооружений, возводимых на пучинистых грунтах, включает расположенный в грунте опорный элемент, вокруг боковой поверхности которого в запроектированной зоне сезонного промерзания-оттаивания, а при необходимости и ниже нее последовательно размещены слои незамерзающего материала и защитных оболочек, способные воспринять без разрушения боковое давление пучащегося грунта. Защитную оболочку изготавливают из материала, прочностные и деформационные характеристики которого обеспечивают возможность подъема оболочки на величину максимального выпучивания промерзающего слоя грунта и ее обратного возврата после полного оттаивания этого слоя. При этом один из концов оболочки прикрепляют к опорному элементу. Реактивные усилия на опорный элемент должны быть меньше несущей способности опорного элемента на выдергивающие нагрузки в грунте ниже нижней границы слоя сезонного слоя промерзания-оттаивания. Технический результат состоит в обеспечении надежности опорного устройства при воздействии сил морозного пучения грунта. 2 н. и 11 з.п.ф-лы, 13 ил.

Плитный фундамент в слабом вечномерзлом грунте // 2529976

Изобретение относится к сооружению оснований и фундаментов в вечномерзлых грунтах. Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости по сооружению фундаментов. Способ устройства плитного фундамента в слабом вечномерзлом грунте с дополнительным изменением температуры массива вечномерзлого грунта, осуществляемым методом принудительной регулируемой подачи термоагента от внешних источников по закольцованным распределительным магистралям с формированием грунтовой плиты, превышающей в плане размеры основного плитного фундамента, при этом подачу термоагента осуществляют по вертикальным термоэлементам, равным проектной толщине грунтовой плиты и изготовленным в форме петель, устанавливаемых в предварительно пробуренные скважины, соединенные с закольцованными магистралями, при этом скважины и траншеи, после установки в грунт вертикальных термоэлементов и магистралей, засыпают. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фундамент сооружения // 2531155

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении фундаментов с применением винтовых свай в мерзлых грунтах. Винтовые сваи оснащаются соосно размещенными в них трубами с открытым нижним и заглушенным верхним торцами. Трубы выполняют роль испарителя холодильной машины (ХМ) и присоединены через коллектор к нагнетательному патрубку компрессора ХМ, а стволы свай через другой коллектор присоединены к теплообменнику, выполненному из оребренных трубок и присоединенному к всасывающему патрубку компрессора. Теплообменник охлаждается атмосферным воздухом и выполняет роль конденсатора ХМ. В качестве двигателя компрессора используется роторный ветродвигатель с вертикальным валом, который осуществляет кинематическую связь с компрессором с помощью электромагнитной тормозной муфты (ЭТМ) и редуктора. ЭТМ электрически связана с термореле, чувствительный элемент которого расположен в грунте вблизи свай фундамента. При повышении температуры грунта выше 0°C термореле посылает сигнал в цепь питания ЭТМ, что приводит к включению последнего и запуску компрессора ХМ, нагнетающей пары хладагента в испаритель (трубы). В результате происходит охлаждение свай и грунта вокруг них, повышая при этом несущую способность винтовых свай фундамента. При понижении температуры грунта ниже 0°C термореле подает сигнал ЭТМ и последняя разрывает кинематическую связь ветродвигателя с редуктором, в результате ХМ прекращает работу. Охлаждение грунта осуществляется за счет энергии ветра без потребления электроэнергии от электрической сети, что обеспечивает ее экономию. 1 ил.

Способ укрепления грунтов основания зданий и земляного полотна линейных сооружений на вечномерзлых грунтах // 2537437

Изобретение относится к строительству сооружений, преимущественно на вечномерзлых грунтах и может быть применено для защиты основания на сильнольдистых вечномерзлых грунтах на слабом просадочном при оттаивании основании. Способ заключается в бурении скважин, разрушении через пробуренные скважины сильнольдистых фрагментов с последующим формированием в основании под сооружением армирующих элементов в виде свай путем заполнения образующихся полостей грунтоцементной пульпой. Формирование свай производят посредством образования грунтоцементного тела одновременно с бурением скважин путем нагнетания цементного раствора под высоким давлением с перемешиванием грунта при обратном движении бурового инструмента. Одновременно с формированием грунтоцементного тела производят оттаивание вечномерзлого грунта посредством добавления в нагнетаемый цементный раствор ускорителя набора прочности бетона для активизации гидратации бетона и увеличения экзотермии процесса. В качестве ускорителя набора прочности бетона в нагнетаемый цементный раствор добавляют негашеную известь-кипелку в количестве 10-15% и соляную кислоту в количестве 1-2%. Технический результат заключается в сокращении времени сооружения укрепляющих свай и ускорении набора прочности сооруженными сваями. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Конструкция для предотвращения морозного пучения грунта // 2538006

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий, конкретно к защите от выпучивания дорожных покрытий, входных крылец, пандусов и бетонных отмосток, окружающих здания. Конструкция для предотвращения морозного пучения грунта включает бетонную отмостку, уложенную вокруг здания и расположенную под ней засыпку. Засыпка выполнена в виде слоя керамзитного гравия, обернутого пленкой, при этом толщина слоя гравия определяется по приведенной зависимости. Технический результат состоит в повышении долговечности и срока эксплуатации отмостки. 1 ил.