Свайно-винтовой фундамент из коротких свай для строительства дома в промерзающих пучинистых грунтах

Предполагаемое изобретение относится к области строительства и используется при сооружении свайных фундаментов преимущественно малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов в промерзающих пучинистых грунтах.

Предлагаемая полезная модель включает одиночные или групповые (в виде кустов или лент в один или несколько рядов) короткие сваи, погруженные в промерзающий пучинистый грунт, и утепляющий элемент в виде круга, квадрата, прямоугольника или ленты из эффективного теплоизолирующего материала, устанавливаемый по верху погруженных свай до начала или после частичного промерзания грунта, параметры которого (форму, размеры в плане, толщину) определяются согласно теплотехническому расчету, причем ширину утепляющего элемента принимают равной нормативной глубине промерзания грунта.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность сооружения свайных фундаментов из коротких свай в условиях глубокого промерзания пучинистых грунтов.

1 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области строительства и используется при сооружении свайных фундаментов из коротких свай преимущественно для малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов и др. на промерзающих пучинистых грунтах. Под короткими сваями подразумеваются сваи, длина которых меньше, равна или несколько (на 30-50%) больше глубины сезонного промерзания грунтов.

Известен свайный фундамент, например, для малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов и др. (свайный фундамент-аналог), включающий короткие гладкие стальные или винтовые сваи (например, винтовые сваи «Krinner»), обвязочные стальные или деревянные балки-ростверки. (Рекламные материалы фирмы «Krinner» [1]).

Недостаток свайного фундамента-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 1.5-3.5 м, соизмеримую с глубиной промерзания грунтов в большинстве районов России (1.5-2.5 м и более), получают подъемы вместе с промерзающим пучинистым грунтом и не могут вернуться в проектное положение после оттаивания грунта. Как следствие, - они утрачивают значительную часть несущей способности. Кроме того, 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 объекту является свайный фундамент (свайный фундамент-прототип), включающий короткие стальные сваи, обвязочные балки-ростверки и утепляющий элемент из эффективного теплоизолирующего материала, например, из экструдированного пенополистирола, устанавливаемый по верху свай после частичного или полного промерзания грунта. (Заявка 2009141735/03 (059297) с приоритетом от 11.11.2009 г. «Способ сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах» [2]).

Недостаток свайного фундамента-прототипа состоит в том, что форма, толщина и размеры в плане утепляющего элемента в известных источниках [1-2] не установлены, поэтому они требуют обоснования и оптимизации.

Цель заявленного изобретения состоит в установлении формы, толщины и размеров в плане утепляющего элемента свайного фундамента из коротких стальных свай, которые, обеспечивали бы устойчивость свай и свайного фундамента в условиях глубокого промерзания пучинистых грунтов.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой полезной модели утепляющий элемент по верху погруженных свай выполнен над одиночной сваей в виде круга или квадрата, над кустом из свай - виде прямоугольника, над рядами свай - в виде ленты из эффективного теплоизолирующего материала (например, экструдированного пенополистирола), параметры которого (форму, размеры в плане, толщину) устанавливают согласно теплотехническому расчету, причем для минимизации затрат на устройство теплоизоляции свайного фундамента ширину утепляющего элемента принимают равной нормативной глубине промерзания грунта.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - обеспечения возможности сооружения свайных фундаментов из коротких стальных свай в промерзающих пучинистых грунтах.

При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны.

Также не выявлены признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.

Существо изобретения поясняется чертежами (фиг.1-3), на которых показаны свайные фундаменты из свай фирмы «Krinner» в соответствии с предлагаемым техническим решением:

- на фиг.1 - свайный фундамент для одиночной сваи - опоры мачты;

- на фиг.2 - то же, для кустов свай - для опирания колонны;

- на фиг.3 - то же, для углового участка ленточного фундамента малоэтажного дома.

Свайные фундаменты на фигурах 1-3 включают короткие винтовые сваи 1 фирмы «Krinner» и утепляющие элементы 2-4 по верху свай 1. На тех же фигурах показана глубина промерзания грунта - нормативная d_fn (поз. 5) и текущая d_f по состоянию на период сооружения свайного фундамента (поз. 6).

Фигуры 1-3 иллюстрирует период сооружения свайных фундаментов при наличии в грунте мерзлого слоя глубиной, равной d_f , меньшей или равной нормативной глубине промерзания d_fn . При соблюдении условий, сформулированных в заявке на патент [2], возможно сооружение свайного фундамента без последующего выдергивания свай силами морозного пучения.

Этот период сооружения свайного фундамента (до возведения надземного строения и до начала оттаивания мерзлого грунта) является самым опасным с точки зрения возможности выпучиваний свай 1, поскольку впоследствии, когда на сваи 1 будут передаваться нагрузки от строения, а также при уменьшении толщины слоя мерзлого грунта за счет естественного оттаивания, вероятность выпучиваний свай 1 существенно уменьшится.

Утепляющий элемент 2 над одиночной сваей 1 в плане может быть выполнен в виде квадрата, но более эффективной формой является круг. показанный на фиг.1 (поз.2). Утепляющие элементы 2 над кустом из свай 1 имеют форму прямоугольника (фиг.2), а для свай ленточного фундамента - форму ленты (фиг.3).

Наиболее эффективный материал утепляющего элемента - экструдированный пенополистирол (например, выпускаемый фирмами «Styrofoam», «BASF», «Пеноплэкс» и др.), имеющий высокое термическое сопротивление.

Теплотехническому расчету подлежат параметры утепляющего элемента 2 - толщина и размер вылета b_о за пределы осей крайних свай 1. Факторами управления, обеспечивающими тепловую защиту свай, служит дополнительный слой утеплителя 3 над головами свай 1 (фиг.1, 2), а для ленточных фундаментов - уширенные размеры b_у вылета утеплителя 2 в угловых участках длиной l от краев (поз.4 на фиг.3).

Моделирование задачи для установления перечисленных выше параметров утеплителя 2 производится с использованием лицензионного программного обеспечения COMSOL Multiphysics, пакет Heat Transfer. Программа основана на решении дифференциальных уравнений в частных производных (PDE) методом конечных элементов (FEM). Коэффициенты PDE задаются в виде понятных физических свойств и условий, таких как указанные выше характеристики теплопроводности, теплоемкости, коэффициенты теплоотдачи. Программное обеспечение ведет конечноэлементный анализ вместе с сеткой, учитывающей реальные размеры рассчитываемых объектов (см. фиг.1-3). В расчетах параметров утеплителя 2 - толщины и размера вылета b_о за пределы осей крайних свай 1 в программе учитывались значения температуры воздуха и геотермальный тепловой поток.

Расчеты были выполнены для трех районов, различающихся по характерным грунтовым и климатическим условиям и нормативной глубиной промерзания d_fn (поз.6): I - с относительно мягким (Ленинградская область, где d_fn около 1.5 м), II - средним (Свердловская область, где d _fn около 2 м) и III - относительно суровым климатом (Ханты-Мансийск, где d_fn около 2.5 м).

В расчетах, которые подвергаются постоянной экспериментальной проверке, были приняты следующие параметры утепляющего элемента 2 из пенополистирола (в частности, марки «Пеноплэкс»): коэффициент теплопроводности =0.03-0.04 Вт/м°С, прочность на сжатие R=2.0-2.5 кгс/см ². В примерах приняты типичные представители грунтов - тугопластичный суглинок (а). пылеватая супесь (б) и затофованный суглинок (в).

Очевидно, что размеры толщины б и размера (диаметра D на фиг.1, ширины В на фиг.2 или на фиг.3) утепляющего элемента 2 оказываются взаимно зависимыми: чем больше размер D, В или b, тем меньше толщина б, и наоборот - чем меньше D, В или b, тем больше .

Из расчетов следует, что если принять размер ширины утепляющего элемента 2 (D, В или b) равным нормативной глубине промерзания d_fn (поз.6), тогда для обеспечения устойчивости свай 1 в климатических районах I-III требуется толщина утепляющего элемента 2:

- для тугопластичного суглинка (а), имеющего коэффициент теплопроводности _th=1.33

Вт/м°С в талом _f=1.51 Вт/м°С в мерзлом состоянии - равная =8, 11 и 15 см;

- для пылеватой супеси (б), у которой коэффициенты выше (_th=1.62 Вт/м°С и _f=1.74 Вт/м°С), толщина элемента 2 больше - =9.5, 13 и 18 см;

- для заторфованного суглинка (в), у которого коэффициенты меньше (_th=0.80 Вт/м°С и _f=1.20 Вт/м°С), толщина элемента 2 меньше - =6.5, 8 и 11 см;

Далее: если принять размер элемента 2 равным полуторной величине d_fn (поз.6), тогда для тех же условий требуемая толщина уменьшается:

- для тугопластичного суглинка (а) - до =6.5,10 и 13 см;

- для пылеватой супеси (б) - до =8, 11 и 16 см;

- для заторфованного суглинка (в) - до =5, 6.5 и 9 см. Наконец, если принять размер элемента 2 равным удвоенной величине d_fn (поз. 6), тогда для тех же условий требуемая толщина уменьшается:

- для тугопластичного суглинка (а) - до =5.5, 8.5 и 11 см;

- для пылеватой супеси (б) - до =7, 9.5 и 14 см;

- для заторфованного суглинка (в) - до =4, 6.5 и 8 см.

Для рассмотренных и любых других типов промерзающих грунтов минимизация расходов на устройство свайных фундаментов требует нахождения оптимального соотношения между параметрами утепляющего элемента 2 - шириной (D, В или b) и толщиной . В рассмотренных выше примерах минимум затрат соответствует первоначально принятому размеру ширины элемента 2 (D, В или b), равной нормативной глубине промерзании d_fn (поз.6).

Преимущества предлагаемой полезной модели - свайного фундамента из коротких свай в промерзающих пучинистых грунтах по сравнению со свайным фундаментом - прототипом состоят в следующем:

- в обеспечении возможности сооружения фундаментов в зимний период, при наличии в основании пучинистых фунтов;

- в предотвращении возможного снижения несущей способности свай 1 за счет выдергивания их силами морозного пучения.

Список использованных материалов

1 Рекламные материалы Фирмы «Krinner» (выборка см. Приложение А).

2 Заявка 2009141735/03 (059297) с приоритетом от 11.11.2009 г. «Способ сооружения свайных фундаментов в промерзающих пучинистых грунтах».

Свайный фундамент из коротких свай, включающий одиночные или групповые в виде куста или ленты в один или несколько рядов короткие сваи, погруженные в промерзающий пучинистый грунт, в необходимых случаях обвязочную балку-ростверк и утепляющий элемент по верху погруженных свай, отличающийся тем, что утепляющий элемент выполнен над одиночной сваей в виде круга или квадрата, над кустом из свай - в виде прямоугольника, над рядами свай - в виде ленты из эффективного теплоизолирующего материала, толщину которого и размеры в плане устанавливают согласно теплотехническому расчету, а ширину утепляющего элемента принимают равной нормативной глубине промерзания грунта.