RU2808031C2 - Foundation of multi-story building constructed on heaving soil foundations - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention is related in particular to foundations of multi-storey buildings erected on heaving soils. The foundation of a multi-storey building erected on heaving soils contains foundation slabs installed on a sand bedding with foundation blocks placed on them, on which brickwork is laid, with floor slabs. At the level of the day surface, on top of the sand bedding, there is a thermal insulation coating on both sides of the foundation, on top of which there is a blind area, and the dimensions of the thermal insulation coating are determined according to the given dependence.

EFFECT: increase of operational reliability of the foundation and elimination of forces of frost heaving.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к строительству, в частности, к фундаментам многоэтажных зданий, возводимых на пучинистых грунтах.The invention relates to construction, in particular, to the foundations of multi-story buildings erected on heaving soils.

Известен сборный ленточный фундамент, состоящий из одинарных плит (см. Справочник проектировщика. М. Стройиздат, 1985, с. 57,пункт4.3.4).A prefabricated strip foundation consisting of single slabs is known (see Designer's Handbook. M. Stroyizdat, 1985, p. 57, paragraph 4.3.4).

Недостатком его является низкая несущая способность в слабых неоднородных грунтах, и особенно в пучинистых грунтах, из-за недостаточной жесткости фундаментных плит, подверженных деформационным изменениям.Its disadvantage is the low bearing capacity in weak, heterogeneous soils, and especially in heaving soils, due to the insufficient rigidity of the foundation slabs, which are subject to deformation changes.

Наиболее близким, выбранным за прототип, является фундамент, возводимый на пучинистых грунтах, содержащий установленные на песчаной подсыпке фудаментные плиты с размещенными на них фундаментными блоками и плитами перекрытия соответственно (см. патент России на полезную модель №18406, МПК Е02Д 27/35, опубл. 20.06.2001 Бюл.17).The closest one, chosen as a prototype, is a foundation built on heaving soils, containing foundation slabs installed on a sand backfill with foundation blocks and floor slabs placed on them, respectively (see Russian patent for utility model No. 18406, MPK E02D 27/35, publ 06/20/2001 Bulletin 17).

Недостатком такой конструкции фундамента является низкая несущая способность в слабых водонасыщенных грунтах, так как при обводнении песчаной подушки в зимний период происходит ее замораживание и превращение в монолит. В результате монолит, находящийся в зоне промерзания, подвергается сильному воздействию силам морозного пучения, что приводит к значительным деформациям в конструкциях здания. Доказательством сказанному является пример реконструкции свайной опоры свайно-эстакадного автодорожного моста в Республике Тыва. Среднюю опору выпучивало каждый год в зимний период на 6-8 см. В результате пролетные строения с обеих сторон опоры были приподняты, что затрудняло движение автотранспорта. Дорожниками, эксплуатировавшими мостовое сооружение, было принято и осуществлено решение о замене пучинистого грунта вокруг свайной опоры на битумизированный щебенистый материал. Однако деформация пучения в последующий год эксплуатации за один только зимний период времени составила 50 см. Для ликвидации указанного явления была проведена дорогостоящая реконструкция свайно-эстакадной опоры.The disadvantage of this foundation design is the low bearing capacity in weak water-saturated soils, since when the sand cushion is watered in winter, it freezes and turns into a monolith. As a result, the monolith, located in the freezing zone, is strongly exposed to the forces of frost heaving, which leads to significant deformations in the building structures. Proof of this is the example of the reconstruction of the pile support of a pile-overpass road bridge in the Republic of Tyva. The middle support bulged every year in winter by 6-8 cm. As a result, the spans on both sides of the support were raised, which impeded the movement of vehicles. The road workers operating the bridge structure made and implemented a decision to replace the heaving soil around the pile support with bitumenized crushed stone material. However, the heaving deformation in the subsequent year of operation during the winter period alone amounted to 50 cm. To eliminate this phenomenon, an expensive reconstruction of the pile-overpass support was carried out.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности фундамента и ликвидация сил морозного пучения.The technical objective of the present invention is to increase the operational reliability of the foundation and eliminate the forces of frost heaving.

Указанная техническая задача достигается тем, что фундамент многоэтажного здания, возводимый на пучинистых грунтах, содержащий установленные на песчаной подсыпке фундаментные плиты с размещенными на них фундаментными блоками и плитами перекрытия, песчаная подсыпка с обеих сторон фундамента покрыта теплоизоляционным материалом, размеры которого определяются по формуле:This technical task is achieved by the fact that the foundation of a multi-story building, erected on heaving soils, containing foundation slabs installed on a sand bedding with foundation blocks and floor slabs placed on them, the sand bedding on both sides of the foundation is covered with heat-insulating material, the dimensions of which are determined by the formula:

где r_из - ширина слоя теплоизоляции;where r _from is the width of the thermal insulation layer;

d_из - глубина промерзания грунта под слоем теплоизоляции при отсутствии боковых тепловых потоков;d _from is the depth of soil freezing under the thermal insulation layer in the absence of lateral heat flows;

d_f - расчетная глубина промерзания грунта в зоне влияния фундамента без теплоизоляции;d _f - calculated depth of soil freezing in the zone of influence of the foundation without thermal insulation;

d_f.из - глубина промерзания грунта у фундамента с теплоизоляцией.d _f.iz - depth of soil freezing near the foundation with thermal insulation.

Пример расчета. Теплотехнический расчет грунтов основания исследуемого объекта.Calculation example. Thermal engineering calculation of the foundation soils of the object under study.

Причиной деформации части здания является резкое снижение прочностных свойств грунтов под подошвой фундамента вследствие морозного пучения этого грунта и последующего его оттаивания. Отметим, что глубина заложения фундамента в виде ленточной конструкции всего 0,6 метров, т.е. в пределах зоны промерзания, что для водонасыщенных пучинистых грунтов является нарушением существующих норм проектирования.The reason for the deformation of part of the building is a sharp decrease in the strength properties of the soil under the base of the foundation due to frost heaving of this soil and its subsequent thawing. Note that the depth of the foundation in the form of a strip structure is only 0.6 meters, i.e. within the freezing zone, which for water-saturated heaving soils is a violation of existing design standards.

Исключить морозное пучение под подошвой такого фундамента наиболее целесообразно с помощью устройства снаружи вокруг здания теплоизоляционного покрытия. В качестве такого покрытия лучше использовать прочный пенопласт с замкнутыми воздушными порами, что обеспечивает достаточную его морозостойкость и долговечность в условиях повышенной влажности. Таким требованиям отвечает пенополистирол с плотностью ρ=40 кг/м с теплопроводимостью λ_из=0,29 ккал/м.ч.°С согласно графика на рис. 11 «Пособие по физико-механическим характеристикам строительных пенопластов и сотопластов» М., Стройиздат, 1977. Стандартная величина толщины пенопластов δ_из=5,0 см, 7,5 см, 10 см. Размеры листов 1,0х1,0 м, 1,5х1,5 м, 2,0x2,0 м.It is most advisable to eliminate frost heaving under the base of such a foundation by installing a heat-insulating coating around the building outside. For such a coating, it is better to use durable foam plastic with closed air pores, which ensures sufficient frost resistance and durability in conditions of high humidity. Expanded polystyrene with a density ρ=40 kg/m and thermal conductivity λ _of =0.29 kcal/m.h.°C meets these requirements according to the graph in Fig. 11 “Manual on the physical and mechanical characteristics of construction foam plastics and honeycomb plastics” M., Stroyizdat, 1977. Standard thickness of foam plastics δ ₌ 5.0 cm, 7.5 cm, 10 cm. Sheet sizes 1.0x1.0 m, 1 ,5x1.5 m, 2.0x2.0 m.

Для определения параметров теплоизоляционного покрытия из такого пенопласта необходимо проведение следующих расчетов.To determine the parameters of a thermal insulation coating made from such foam plastic, the following calculations are necessary.

1. Расчетная глубина промерзания грунта в зоне влияния фундамента без теплоизоляции d_f=k_n⋅d_fn согласно СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений». Здесь d_fn - нормативная глубина промерзания для Новосибирска, определяемая согласно формуле (2) того же СНиПа, где M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур воздуха за зиму (для Новосибирска M_t=97,2 согласно СНиПу по строительной климатологии), d_o - 0,23 м согласно СНиП 2.02.01-83 для суглинков. Тогда 1. Estimated depth of soil freezing in the zone of influence of the foundation without thermal insulation d _f =k _n ⋅d _fn according to SNiP 2.02.01-83 “Foundations of buildings and structures”. Here d _fn is the standard freezing depth for Novosibirsk, determined according to formula (2) of the same SNiP, where M _t is a dimensionless coefficient, numerically equal to the sum of the absolute values of average monthly negative air temperatures during the winter (for Novosibirsk M _t =97.2 according to SNiP for construction climatology), d _o - 0.23 m according to SNiP 2.02.01-83 for loams . Then

k_n - коэффициент, учитывающий тепловое влияние здания (принимается по табл.1 того же СНиПа).k _n - coefficient taking into account the thermal influence of the building (accepted according to Table 1 of the same SNiP).

В рассматриваемом здании подвал отсутствует, полы устроены по плитам типа ПЖ с небольшим воздушным зазором под ними, как у полов по лагам. Для таких полов при температуре воздуха в помещениях 1 этажа не ниже 20°С (согласно табл.1 СНиП 2.02.01-83) k_n=0,6.In the building under consideration there is no basement; the floors are arranged on PZh-type slabs with a small air gap under them, like floors on joists. For such floors, when the air temperature in the premises of the 1st floor is not lower than 20°C (according to Table 1 of SNiP 2.02.01-83) k _n =0.6.

Тогда d_f=k_n⋅d_fn=0,6⋅0,27=1,36 м без учета термического сопротивления отмостки ввиду его незначительности.Then d _f =k _n ⋅d _fn =0.6⋅0.27=1.36 m without taking into account the thermal resistance of the blind area due to its insignificance.

2. По данным изысканий в верхнем слое значение плотности грунта в сухом состоянии ρ_d=1,54 т/м³ при величине влажности в естественном состоянии W=0,26. Теплопроводность такого грунта по табл.3 приложения СНиП 2.02.04 - 88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» λ_из=1,3 ккал/м.ч.°С.2. According to survey data in the upper layer, the value of soil density in the dry state is ρ _d = 1.54 t/m ³ with the moisture content in the natural state W = 0.26. The thermal conductivity of such soil according to Table 3 of Appendix SNiP 2.02.04 - 88 “Foundations and foundations on permafrost soils” λ _from = 1.3 kcal/m.h.°C.

3. Для расчета глубины промерзания у фундамента при наличии около него теплоизоляционного покрытия d_f.из воспользуемся формулой (Х.12) книги «Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений», В.О.Орлов и др. Стройиздат.1977:3. To calculate the depth of freezing at the foundation in the presence of a thermal insulation coating d _f. from it, we use the formula (X.12) of the book “Heaving of freezing soils and its influence on the foundations of structures”, V.O. Orlov et al. Stroyizdat.1977:

Здесь r_из - ширина слоя теплоизоляции, d_из - глубина промерзания грунта под слоем теплоизоляции при отсутствии боковых тепловых потоков (т.е. без учета размеров слоя теплоизоляции в плане) определяется по формуле 11.10 этой же книги:Here r _is the width of the thermal insulation layer, d _is the freezing depth of the soil under the thermal insulation layer in the absence of lateral heat flows (i.e., without taking into account the dimensions of the thermal insulation layer in plan) is determined by formula 11.10 of the same book:

где S_c - толщина слоя грунта, эквивалентного по термическому сопротивлению слою изоляции, определяемая по формуле:where S _c is the thickness of the soil layer equivalent in thermal resistance to the insulation layer, determined by the formula:

где α - коэффициент конвективного теплообмена на поверхности, принимаемый с запасом, α=20 ккал/м.ч.°С.where α is the coefficient of convective heat exchange on the surface, taken with a margin, α=20 kcal/m.h.°C.

Задачу установления размеров полосы теплоизоляции, исключающей пучение под фундаментом, с использованием формулы [1] целесообразно свести к определению минимального значения этой полосы r_из при одном из заданных стандартных значений δ_из. Поэтому преобразуем эту формулу с выходом сразу на r_из:It is advisable to reduce the task of establishing the dimensions of a thermal insulation strip that excludes heaving under the foundation using formula [1] to determining the minimum value of this strip r _from at one of the given standard values δ _from . Therefore, we transform this formula with output immediately to r _from :

Глубину промерзания у фундамента с теплоизоляцией, при которой под его подошвой не будет происходить пучение грунта, примем равной глубине заложения этого фундамента d_f.из=0,6 м. Это с запасом надежности, имея ввиду, что пучение глинистых грунтов начинается не при нулевых температурах (т.е. не на глубине промерзания), а при температурах порядка минус 1,0°С (для суглинков), т.е. при меньших глубинах.The freezing depth of a foundation with thermal insulation, at which soil heaving will not occur under its base, will be taken equal to the depth of this foundation d _f.from = 0.6 m. This is with a margin of safety, bearing in mind that the heaving of clay soils does not begin at zero temperatures (i.e. not at the freezing depth), but at temperatures of the order of minus 1.0 ° C (for loams), i.e. at shallower depths.

Теперь, задаваясь различной толщиной слоя теплоизоляции δ_из равных одному из ее стандартных значений (5,0 см, 7,5 см, 10,0 см) можно получать различные величины ширины слоя r_из, соответствующие этим значениям δ_из. Оптимальное решение с учетом технологических соображений и при наименьших нарушениях существующей вокруг здания отмостки представляется при ширине полосы теплоизоляции и, соответственно, полосы расположения отмостки в пределах 1,0 м.Now, given different thicknesses of the thermal insulation layer δ _from equal to one of its standard values (5.0 cm, 7.5 cm, 10.0 cm), it is possible to obtain different values of the layer width r _from , corresponding to these values δ _from . The optimal solution, taking into account technological considerations and with the least disruption to the existing blind area around the building, is presented with a width of the thermal insulation strip and, accordingly, the width of the blind area within 1.0 m.

Проведя подсчеты по формуле [4] с варьированием значений δ_из и r_из, получено, что близкое по упомянутым критериям оптимальности, является решение при значении δ_из=7,5 см.Having carried out calculations according to the formula [4] with varying the values of δ _from and r _from , it was found that the solution with a value of δ _from = 7.5 cm is close according to the mentioned optimality criteria.

Величина r_из при таком значении δ_из определится по формуле следующим образом.The value of r _from with such a value of δ _from will be determined by the formula as follows.

Для нахождения d_из по формуле [2] сначала вычисляем S_c по формуле [3]:To find d _from using formula [2], we first calculate S _c using formula [3]:

Тогда Then

Итак, подсчитываем r_из по формуле [4]:So, we calculate r _from using the formula [4]:

что близко к стандартным размерам листа пенопласта шириной 1,0 м.which is close to the standard dimensions of a 1.0 m wide foam sheet.

Окончательно принимаем пенопласт размером 1,0x1,0 м и толщиной d_из=7,5 см. Схема теплоизоляционного покрытия из такого пенопласта приведена на чертеже.Finally, we accept foam plastic with a size of 1.0 x 1.0 m and a thickness d _of = 7.5 cm. The diagram of a thermal insulation coating made from such foam plastic is shown in the drawing.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез фундамента здания.The proposed technical solution is illustrated by a drawing showing a cross-section of the building foundation.

Описанное устройство включает в себя песчаную подсыпку 1, фундаментные плиту 2 и блоки 3, кирпичную кладку 4, плиты перекрытия 5, теплоизолятор 6, отмостку 7.The described device includes sand bedding 1, foundation slab 2 and blocks 3, brickwork 4, floor slabs 5, heat insulator 6, blind area 7.

Устройство работает следующим образом. На песчаное основание (песчаную подсыпку) 1 устанавливают фундаментные плиты 2, на которые монтируют фундаментные блоки 3. Далее укладывают кирпичную кладку 4 и плиты перекрытия 5. По окончании монтажа здания вокруг его фундамента на уровне дневной поверхности поверху песчаной подсыпки 1 располагают теплоизоляционное покрытие 6 и проводят бетонирование отмостки 7. При плюсовых значениях температуры в подвальном помещении здания теплоизоляционное покрытие 6 внутри его не применяют (показано на рисунке).The device works as follows. On the sand base (sand bedding) 1, foundation slabs 2 are installed, on which foundation blocks 3 are mounted. Next, brickwork 4 and floor slabs 5 are laid. Upon completion of the installation of the building, a thermal insulation coating 6 is placed around its foundation at the level of the ground surface on top of the sand bedding 1 and Concreting of the blind area 7 is carried out. At positive temperatures in the basement of the building, the thermal insulation coating 6 is not used inside it (shown in the figure).

В качестве теплоизоляционного покрытия применяют, например, пенопласт с замкнутыми воздушными порами.For example, foam plastic with closed air pores is used as a thermal insulation coating.

В зимний период с наступлением низких отрицательных температур из-за наличия теплоизоляционного покрытия проявление воздействия сил морозного пучения не происходит. Морозное пучение не возникает также и в условиях водонасыщения грунтов оснований, что характерно для эксплуатируемых зданий, подвергающихся подтоплениям.In winter, with the onset of low negative temperatures, due to the presence of a thermal insulation coating, the effects of frost heaving forces do not occur. Frost heaving also does not occur in conditions of water saturation of the foundation soils, which is typical for buildings in use that are subject to flooding.

Применение теплоизоляционного покрытия снаружи по периметру здания, согласно приведенного расчета, обеспечивает безаварийную эксплуатацию фундаментов здания, заглубленных на глубину 0,6 м и более. При отсутствии в зимний период времени положительных температур в подвальном помещении теплоизоляционное покрытие устанавливают вдоль фундаментов во внутренней части здания (на чертеже не показано)The use of a thermal insulation coating on the outside along the perimeter of the building, according to the above calculation, ensures trouble-free operation of building foundations buried to a depth of 0.6 m or more. If there are no positive temperatures in the basement in winter, a thermal insulation coating is installed along the foundations in the interior of the building (not shown in the drawing)

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает эксплуатационную надежность здания, увеличивает срок службы за счет полной ликвидации неблагоприятного воздействия сил морозного пучения в различных условиях эксплуатации здания.The proposed technical solution, in comparison with the prototype, ensures the operational reliability of the building and increases its service life due to the complete elimination of the adverse effects of frost heaving forces in various operating conditions of the building.

Экспериментальная проверка предлагаемой конструкции устройства была успешно проведена в г. Новосибирске (ул. Толбухина 19а) в 2004 г. В результате проведения противопучинных мероприятий с использованием теплоизоляционного покрытия (пенопласта с замкнутыми воздушными порами) прекратились деформации фундаментов и трещинообразование в кирпичной кладке стен здания.An experimental test of the proposed device design was successfully carried out in Novosibirsk (Tolbukhina St. 19a) in 2004. As a result of anti-heaving measures using a thermal insulation coating (foam plastic with closed air pores), deformation of the foundations and cracking in the brickwork of the building walls stopped.

Использование описываемого устройства целесообразно при новом строительстве зданий, а также при реконструкции эксплуатируемых.The use of the described device is advisable for new construction of buildings, as well as for the reconstruction of existing ones.

Claims (6)

Фундамент многоэтажного здания, возводимого на пучинистых грунтах, характеризующийся тем, что содержит установленные на песчаной подсыпке фундаментные плиты с размещенными на них фундаментными блоками, на которых уложена кирпичная кладка, с плитами перекрытия, при этом на уровне дневной поверхности поверх песчаной подсыпки расположено теплоизоляционное покрытие с обеих сторон фундамента, поверх которого расположена отмостка, причем размеры теплоизоляционного покрытия определены по формуле:The foundation of a multi-storey building erected on heaving soils, characterized by the fact that it contains foundation slabs installed on a sand bedding with foundation blocks placed on them, on which brickwork is laid, with floor slabs, while at the level of the day surface on top of the sand bedding there is a thermal insulation coating with both sides of the foundation, on top of which the blind area is located, and the dimensions of the thermal insulation coating are determined by the formula: где r_из - ширина слоя теплоизоляции;where r _from is the width of the thermal insulation layer; d_из - глубина промерзания грунта под слоем теплоизоляции при отсутствии боковых тепловых потоков;d _from is the depth of soil freezing under the thermal insulation layer in the absence of lateral heat flows; d_f - расчетная глубина промерзания грунта в зоне влияния фундамента без теплоизоляции;d _f - calculated depth of soil freezing in the zone of influence of the foundation without thermal insulation; d_f.из - глубина промерзания грунта у фундамента с теплоизоляцией.d _f.iz - depth of soil freezing near the foundation with thermal insulation.

Images