RU2270295C2 - Method for deformation prevention in foundations built on permafrost ground - Google Patents

Abstract

FIELD: construction, particularly to erect buildings and building structures on permafrost ground, which may thaw during building or building structure usage.

SUBSTANCE: method involves digging-out pit; filling the pit with nonfrost-susceptible material; introducing reinforcing members in the nonfrost-susceptible material and mounting foundations. The reinforcing member is made as rigid reinforced concrete panel arranged in compacted nonfrost-susceptible material layer. Distance between foundation bottom and panel top is selected to provide uniform load transmission from the foundations to the panel. Upper panel surface is formed of heat-insulation material and sloped parts inclined from panel center to panel periphery are created. Panel rigidity is related with thawing permafrost ground deformation extent.

EFFECT: reduced building deformation caused by non-uniform deformation of thawing permafrost ground.

1 dwg

Description

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), оттаивающих в период их эксплуатации.The invention relates to the construction of buildings and structures on permafrost soils (MMG), thawing during their operation.

Известен способ создания армированных подушек для фундаментов, когда для обеспечения их устойчивости и уменьшения осадок грунт армируется сетками и полосами из синтетических материалов (Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. - М.: Стройиздат, 1989. - 280 с., с.21). Ограниченность рассматриваемого способа применительно к сооружениям на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) заключается в недостаточной способности сеток и полос, ввиду их гибкости, распределить напряжения в грунте, вызванные нагрузкой от фундаментов, а также невозможности снизить деформации слоев грунта, вызванные оттайкой многолетнемерзлых грунтов.There is a method of creating reinforced pillows for foundations, when to ensure their stability and reduce sediment, the soil is reinforced with nets and strips of synthetic materials (Jones K.D. Constructions from reinforced soil. - M .: Stroyizdat, 1989. - 280 p., P. 21). The limitations of the considered method with respect to structures on permafrost soils (MMG) are the insufficient ability of grids and strips, due to their flexibility, to distribute stresses in the soil caused by the load from the foundations, as well as the inability to reduce deformation of soil layers caused by thawing of permafrost soils.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ увеличения несущей способности основания и снижения деформаций фундамента путем армирования оснований сетками из стальных стержней (см. "Влияние циклических нагрузок на развитие деформаций в армированном основании". Антонов В.М., Илясов Ю.А., Леденев В.В. Труды НГАСУ. Т.6, №5 (26).- Новосибирск, 2003. - 232 с., с.174-178).Closest to the proposed method is a method of increasing the bearing capacity of the base and reducing base deformations by reinforcing the bases with grids of steel rods (see "The influence of cyclic loads on the development of deformations in a reinforced base". Antonov VM, Ilyasov Yu.A., Ledenev V.V. Proceedings of NGASU.T.6, No. 5 (26) .- Novosibirsk, 2003 .-- 232 p., Pp. 174-178).

В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующие:As the disadvantages of the known method, the following can be listed:

- чрезмерно высокие величины осадок отдельных фундаментов;- excessively high sediment values of individual foundations;

- недопустимые величины неравномерности осадок фундаментов (согласно СНиП 2.02.01-83 - относительные разности осадок соседних фундаментов) вызванные различиями в глубинах оттаивания грунтов;- unacceptable values of unevenness of foundation sediments (according to SNiP 2.02.01-83 - relative differences of precipitation of neighboring foundations) caused by differences in the depths of thawing of soils;

- значительные деформации армирующего элемента, вызванные его низкой изгибной жесткостью;- significant deformation of the reinforcing element caused by its low bending stiffness;

- невозможность исключения осадки ММГ вследствие отепляющего влияния здания и утечек из систем тепло-, водоснабжения и канализации.- the inability to exclude MMG rainfall due to the warming effect of the building and leaks from heat, water and sewage systems.

Данный способ нельзя применять для строительства объектов на ММГ, особенно высокотемпературных, с допущением их оттаивания во время эксплуатации.This method cannot be used for the construction of facilities at MMG, especially high-temperature ones, with the assumption of their thawing during operation.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности защиты от деформаций фундаментов зданий за счет ликвидации развития неравномерных осадок грунтового основания, а также уменьшения глубины оттаивания грунтов.The technical result of the invention is to increase the reliability and effectiveness of protection against deformation of the foundations of buildings by eliminating the development of uneven sediments of the soil base, as well as reducing the depth of thawing of soils.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах, включающем разработку котлована, засыпку его непучинистым материалом с введением в него армирующих элементов и установку фундаментов, армирующий элемент выполняют в виде жесткой железобетонной плиты, расположенной в слое уплотненного непучинистого материала, при этом расстояние от подошв фундаментов до верха плиты выбирают из условия равномерности передачи давления от фундаментов на плиту, при этом верхний слой плиты выполняют из теплоизоляционного материала с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирают в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.The essence of the invention lies in the fact that in the method of preventing deformation of foundations erected on permafrost soils, including the development of a pit, filling it with non-porous material with the introduction of reinforcing elements and installing foundations, the reinforcing element is made in the form of a rigid reinforced concrete slab located in a layer of compacted non-porous material, while the distance from the soles of the foundations to the top of the plate is selected from the condition of uniform pressure transfer from the foundations to the plate, with the top The top layer of the slab is made of heat-insulating material with slopes from the center of the slab to the edges, and the stiffness of the slab is selected depending on the amount of deformation of thawing permafrost soils.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве армирующего элемента, повышающего надежность и эффективность защиты деформаций фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, используют жесткую железобетонную плиту с теплоизолирующими слоем, имеющим уклоны, причем расстояние от подошв фундаментов до верха плиты назначают из условия равномерности передачи давлений на плиту, а жесткость плиты компенсирует изгибающие усилия, возникающие от неравномерных деформаций основания при его оттайке.The claimed technical solution differs from the prototype in that a rigid reinforced concrete slab with a heat-insulating layer having slopes is used as a reinforcing element that increases the reliability and effectiveness of protecting foundation deformations on permafrost soils, and the distance from the soles of the foundations to the top of the slab is prescribed from the condition of uniform pressure transmission on the plate, and the rigidity of the plate compensates for the bending forces arising from uneven deformations of the base during defrosting.

Способ строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах можно объяснить следующим образом. Согласно второму принципу устройства фундаментов на многолетнемерзлых грунтах в грунтах основания допускается полное или частичное оттаивание - предварительное или в период их строительства и эксплуатации. Оттаивание под зданием ММГ обычно происходит неравномерно - под краями оно запаздывает по сравнению с оттаиванием в середине. В основании формируется "чаша" оттаивания, и глубины зон оттаивания по площади, занимаемой зданием, будут неодинаковы. Форма и размеры "чаши" оттаивания на стадии проектирования определяются с помощью теплотехнических расчетов. При этом не учитываются изменения температурного режима многолетнемерзлых пород вследствие возможных утечек систем канализации, тепло- и водоснабжения. Инфильтрация воды техногенного происхождения в толщу многолетнемерзлых грунтов вызовет их неравномерную фильтрационную деградацию. Особенно это касается высокотемпературных ММГ, которые по сути образуют в основании сооружения термодинамически неустойчивый криогенный массив, чрезвычайно чувствительный к малейшему изменению естественного температурного режима. В этой связи, под отдельными фундаментами здания возникают значительные и неравномерные по величине дополнительные осадки, которые приводят к аварийным деформациям здания, препятствующим дальнейшей его эксплуатации. Для исключения таких деформаций между подошвами фундаментов здания и дном котлована вводится армирующий элемент в виде сплошной жесткой железобетонной плиты, которая обеспечивает комплексное решение следующих задач:The method of construction of buildings and structures on permafrost can be explained as follows. According to the second principle of the construction of foundations on permafrost soils in base soils, full or partial thawing is allowed - preliminary or during their construction and operation. Defrosting under the MMG building is usually uneven - under the edges it is late compared to defrosting in the middle. At the base, a “bowl” of thawing is formed, and the depths of the thawing zones will vary according to the area occupied by the building. The shape and dimensions of the thawing “bowl” at the design stage are determined using heat engineering calculations. In this case, changes in the temperature regime of permafrost due to possible leaks of sewage systems, heat and water supply are not taken into account. Infiltration of water of technogenic origin into the thickness of permafrost soils will cause their uneven filtration degradation. This is especially true for high-temperature MMGs, which essentially form a thermodynamically unstable cryogenic massif at the base of the structure, which is extremely sensitive to the slightest change in the natural temperature regime. In this regard, under separate foundations of the building significant and uneven in size additional precipitation occurs, which lead to emergency deformations of the building, which impede its further operation. To exclude such deformations, a reinforcing element is introduced between the soles of the foundations of the building and the bottom of the pit in the form of a continuous rigid reinforced concrete slab, which provides a comprehensive solution to the following tasks:

Перераспределение давлений, передаваемых фундаментами на основание. Это достигается путем подбора глубины заложения жесткого армирующего элемента - плиты, считая от подошв фундаментов с учетом расстояния между ними. Здесь основным условием является обеспечение равномерности передачи давлений от фундаментов на жесткую плиту с целью исключения или минимизации возможности возникновения изгибающих усилий. Другим положительным моментом введения в основание фундаментов жесткого армирующего элемента - плиты является повышение несущей способности грунтов основания и снижение осадок фундаментов, вызванных эксплуатационной нагрузкой от здания или сооружения.Redistribution of pressures transmitted by the foundations to the foundation. This is achieved by selecting the depth of the hard reinforcing element - the plate, counting from the soles of the foundations, taking into account the distance between them. Here, the main condition is to ensure uniform pressure transfer from the foundations to the rigid plate in order to eliminate or minimize the possibility of bending forces. Another positive aspect of introducing a hard reinforcing element - a slab into the foundation foundation is an increase in the bearing capacity of the foundation soils and a decrease in foundation precipitation caused by the operational load from the building or structure.

Уменьшение до нормативных значений и менее осадок отдельных фундаментов, так и их неравномерности, вызванных оттаиванием слоев грунтового основания, расположенных ниже армирующего элемента. Это становится возможным за счет восприятия жестким армирующим элементом - плитой, деформаций, оттаивающих во время строительства и эксплуатации слоев ММГ, находящихся ниже армирующего элемента и обладающих разной сжимаемостью. Возможность восприятия изгибающих усилий, возникающих в армирующем элементе от неравномерных деформаций оттаявшего основания. Это происходит потому, что параметры жесткого армирующего элемента - плиты, например диаметр и характер расположения арматуры, подбираются заранее с учетом возможных неравномерных деформаций основания в период эксплуатации здания или сооружения.Reduction to standard values and less precipitation of individual foundations, as well as their unevenness caused by thawing of the soil base layers located below the reinforcing element. This becomes possible due to the perception of a rigid reinforcing element - a plate, deformations that thaw during the construction and operation of MMG layers below the reinforcing element and have different compressibility. The possibility of perceiving bending forces arising in the reinforcing element from uneven deformations of the thawed base. This is because the parameters of the rigid reinforcing element - the plate, for example, the diameter and nature of the location of the reinforcement, are selected in advance taking into account possible uneven deformations of the base during the operation of the building or structure.

Снижение теплового влияния здания на ММГ. Это обеспечивается за счет того, что верх плиты выполняют из теплоизоляционного материала с необходимыми по расчету параметрами теплопроводности и прочности на сжатие, например конструкционного пенобетона. Традиционно считается, что максимальные деформации плиты будут под средней частью здания, если сама возможность формирования "чаши" оттаивания полностью не исключена. Соответственно нижняя часть плиты при такой расчетной схеме будет работать на растяжение, а верхняя - на сжатие.Decrease in thermal influence of the building on MMG. This is due to the fact that the top of the slab is made of a heat-insulating material with the necessary parameters of thermal conductivity and compressive strength, for example, structural foam. It is traditionally believed that the maximum deformation of the slab will be under the middle part of the building, if the very possibility of forming a “bowl” of thawing is not completely excluded. Accordingly, the lower part of the plate with this design will work in tension, and the upper in compression.

Исключение фильтрационной деградации ММГ вследствие возможных утечек из систем тепло- водоснабжения и канализации. С этой целью в процессе изготовления армирующего элемента - плиты ее верхняя часть устраивается с уклонами в противоположные стороны от середины. Такое конструктивное решение плиты позволяет удалять возможные утечки систем тепло- водоснабжения и канализации за пределы контура здания и тем самым устранять фильтрационную деградацию ММГ, находящихся непосредственно под зданием.The exclusion of filtration degradation of MMG due to possible leaks from heat and water supply and sewage systems. For this purpose, in the process of manufacturing a reinforcing element - a plate, its upper part is arranged with slopes in opposite directions from the middle. Such a constructive solution of the slab allows you to remove possible leaks of heat and water supply systems and sewage systems outside the contour of the building and thereby eliminate the filtration degradation of MMG located directly under the building.

Таким образом, создание (введение) в слой уплотненного непучинистого материала армирующего элемента - плиты, обеспечивающей равномерную передачу давлений от фундаментов и восприятие изгибающих усилий от неравномерных деформаций оттаивающего основания, а также применение в верхней части плиты теплоизолирующего слоя и выполнение ее с уклонами является, с одной стороны, профилактическим средством минимизации теплового влияния здания на кровлю ММГ, а с другой стороны - способом исключения неравномерных осадок здания, вызванных возможным в процессе его эксплуатации оттаиванием ММГ. Реализация такого комплексного подхода позволит повысить надежность функционирования зданий и сооружений на ММГ. В отличие от прототипа, где допускается оттаивание ММГ в процессе эксплуатации здания и возникновение неравномерных деформаций основания, а также передача фундаментами этих деформаций на каркас здания, в заявленном способе такая возможность исключается или сведена к минимуму.Thus, the creation (introduction) of a reinforcing element — a plate — into the layer of compacted non-porous material — providing a uniform transmission of pressure from the foundations and the perception of bending forces from uneven deformations of the thawing base, as well as applying a heat-insulating layer to the top of the plate and performing it with slopes, is on the one hand, as a preventive measure to minimize the thermal effect of the building on the MMG roof, and on the other hand, by eliminating uneven building deposits caused by possible during its operation by thawing of MMG. The implementation of such an integrated approach will improve the reliability of the functioning of buildings and structures at MMG. Unlike the prototype, where MMG thawing is allowed during the operation of the building and the occurrence of uneven base deformations, as well as the transfer of these deformations to the building frame by the foundations, in the claimed method this possibility is eliminated or minimized.

На чертеже показаны котлован 1, кровля ММГ 2, слой уплотненного непучинистого материала 3, жесткая плита 4, верхний теплоизолирующий слой плиты 5, песчано-гравийная подушка 6, фундаменты 7, отмостки 8. Способ осуществляется следующим образом:The drawing shows a pit 1, a roof MMG 2, a layer of compacted non-porous material 3, a rigid plate 4, an upper heat-insulating layer of a plate 5, a sand and gravel cushion 6, foundations 7, blind areas 8. The method is as follows:

- с целью минимизации отепляющего воздействия воздушной среды на кровлю ММГ 2 разработку котлована 1 начинают с началом периода промерзания грунтов;- in order to minimize the warming effect of the air on the roof of MMG 2, the development of pit 1 begins with the beginning of the period of freezing of soils;

- на дно котлована 1 укладывают с уплотнением слой непучинистого материала 3, играющего роль дренирующей прослойки при возможной фильтрации поровой воды из нижележащих водонасыщенных грунтов в процессе их уплотнения и оттаивания;- at the bottom of the pit 1, a layer of non-porous material 3 is laid with compaction, playing the role of a draining layer with the possible filtration of pore water from the underlying water-saturated soils during compaction and thawing;

- определяют согласно расчету расстояние h от подошв фундаментов 7 до верха плиты 4, обеспечивающего равномерность передачи давлений на плиту 4 от фундаментов 7. Для этого используют справочные данные по углу α распределения давлений от фундаментов 7;- determine, according to the calculation, the distance h from the soles of the foundations 7 to the top of the plate 4, which ensures uniform pressure transmission to the plate 4 from the foundations 7. For this, reference data on the angle α of the pressure distribution from the foundations 7 are used;

- на слое непучинистого материала 3 устанавливают опалубку, арматурный каркас и производят бетонирование жесткой плиты 4, при этом ее верхний слой 5 выполняют из теплоизолирующего материала с необходимыми для прочности механическими свойствами, например из конструктивного пенобетона, обеспечивая при этом необходимые уклоны i верха плиты;- on the non-porous material layer 3, formwork, reinforcing cage are installed and the rigid plate 4 is concreted, while its upper layer 5 is made of heat-insulating material with the mechanical properties necessary for strength, for example, structural foam concrete, while ensuring the necessary slopes i of the top of the plate;

- поверх плиты 4 до отметки подошв фундаментов 7 производят послойную укладку с уплотнением непучинистого материала, например песчано-гравийного, для устройства подушки 6;- on top of the plate 4 to the level of the soles of the foundations 7, layering is performed with compaction of non-porous material, for example sand and gravel, for the device of the pillow 6;

- после формирования песчано-гравийной подушки 6 производят монтаж или изготовление на месте фундаментов 7, с необходимыми мероприятиями по их гидроизоляции;- after the formation of the sand and gravel cushion 6, installation or manufacture on the site of the foundations 7 is carried out, with the necessary measures for their waterproofing;

- обратные пазухи фундаментов 7 заполняют с уплотнением непучинистым материалом, например песчано-гравийным;- the back sinuses of the foundations 7 are filled with a seal with non-porous material, for example, sand and gravel;

- для исключения попадания в обратные пазухи фундаментов 7 атмосферных осадков по периметру здания устраивают отмостки 8 из асфальтобетона.- to exclude the entry into the back sinuses of the foundations 7 atmospheric precipitations along the perimeter of the building arrange blind areas 8 of asphalt concrete.

В период эксплуатации здания верхний теплоизолирующий слой 5 плиты 4, выполненный с уклонами от ее центра к краям, снижает до минимума отепляющее влияние здания на кровлю ММГ 2, в том числе и фильтрационную деградацию ММГ, вызванную неизбежными утечками из систем тепло-, водоснабжения и канализации. Неравномерные деформации ММГ в случае допущения их частичного оттаивания будут восприниматься жесткой железобетонной плитой 4.During the operation of the building, the upper heat-insulating layer 5 of plate 4, made with slopes from its center to the edges, minimizes the building’s heating effect on the MMG 2 roof, including the MMG filtration degradation caused by inevitable leaks from heat, water and sewage systems . Uneven deformations of MMG, if they are partially thawed, will be perceived by a rigid reinforced concrete slab 4.

В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:In the present invention, the positive effect is as follows:

- в возможности уменьшения абсолютных осадок отдельных фундаментов до величин, регламентированных нормами;- the possibility of reducing the absolute precipitation of individual foundations to values regulated by norms;

- в возможности выравнивания деформаций в области грунтового основания, расположенной ниже армирующего элемента;- the ability to align deformations in the area of the soil base located below the reinforcing element;

- в возможности исключения недопустимой неравномерности осадок фундаментов здания, вызванных различиями в глубине самооттайки грунтов и их сжимаемости;- the possibility of eliminating unacceptable unevenness of the precipitation of the foundations of the building caused by differences in the depth of soil self-defrosting and their compressibility;

- имеется достаточная изгибная жесткость армирующего элемента в целом по отношению к возникающим в нем изгибающим моментам (усилиям) от неравномерных деформаций оттаявшего основания;- there is sufficient bending stiffness of the reinforcing element as a whole with respect to the bending moments (forces) arising from it from uneven deformations of the thawed base;

- имеется достаточная распределительная способность армирующего элемента по отношению к действующим в грунтовом основании напряжениям;- there is sufficient distribution ability of the reinforcing element with respect to the stresses acting in the soil base;

- в возможности уменьшить тепловое влияние здания на многолетнемерзлый грунт (ММГ);- the ability to reduce the thermal effect of the building on permafrost (MMG);

- в возможности изоляции ММГ в пределах контура здания от утечек систем тепло-, водоснабжения и канализации.- the possibility of isolation of MMG within the building contour from leaks of heat, water supply and sewage systems.

Claims (1)

Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах, включающий разработку котлована, засыпку его непучинистым материалом с введением в него армирующих элементов и установку фундаментов, отличающийся тем, что армирующий элемент выполняют в виде жесткой железобетонной плиты, расположенной в слое уплотненного непучинистого материала, при этом расстояние от подошв фундаментов до верха плиты выбирают из условия равномерности передачи давления от фундаментов на плиту, при этом верхний слой плиты выполняют из теплоизоляционного материла с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирают в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов.A method for preventing deformation of foundations erected on permafrost soils, including the development of a pit, filling it with non-porous material with the introduction of reinforcing elements and installation of foundations, characterized in that the reinforcing element is made in the form of a rigid reinforced concrete slab located in a layer of compacted non-porous material, while the distance from the soles of the foundations to the top of the slab is chosen from the condition of uniform pressure transfer from the foundations to the slab, while the top layer of the slab is made yayut of thermally insulating mater deviations from the plate center to the edge, and the rigidity of the plate is selected depending on the strain amount thawing permafrost.