Теплоизолированный фундамент

Изобретение относится к возведению фундаментов преимущественно малоэтажных зданий на сезонно промерзающих пучинистых грунтах. Технический результат предполагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности сооружения поверхностных теплоизолированных фундаментов в пучинистых грунтах в зимний период. Теплоизолированный фундамент включает стену и подошву, подушку из непучинистого материала, прокладку из теплоизоляционного материала по низу подушки из непучинистого материала, при необходимости - дополнительный утеплитель вокруг тела фундамента, под перекрытием и отмосткой. В предлагаемом фундаменте толщина подушки из непучинистого материала принимается равной толщине слоя мерзлого грунта ниже подошвы фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента, а толщину и размеры в плане теплоизолирующей прокладки устанавливают по теплотехническому расчету из условия недопущения промерзания грунта ниже прокладки. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к возведению фундаментов преимущественно малоэтажных зданий на сезонно промерзающих пучинистых грунтах.

Известен фундамент на промерзающем грунте (фундамент-аналог), включающий подошву и стену фундамента с прокладкой со стороны подошвы, обращенной к грунту, выполненной из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола, дополнительный утеплитель, размещенный за пределами фундамента и соединенный с утеплителем перекрытия и отмостки (Патент RU 2357044, МПК E02D 27/01, 27/35 «Теплоизолированный фундамент» [1]).

Недостаток фундамента-аналога состоит в невозможности сооружения его в зимний период, когда до начала строительства уже произошло частичное промерзание и пучение грунтов ниже нижней поверхности прокладки. Образовавшаяся мерзлота под теплоизолированным фундаментом-аналогом сохраняется долгое время. Последующее же оттаивание промороженных и распученных грунтов, также протекающее длительное время, приводит к неизбежным неравномерным осадкам фундамента и сооруженного на нем строения.

Наиболее близким к заявляемому объекту техническим решением является фундамент на многолетнемерзлых грунтах (фундамент-прототип), в состав которого входит засыпка котлована из непучинистого материала ниже фундамента с введением в нее армирующих элементов в виде жесткой железобетонной, при этом верхний слой плиты выполнен из теплоизоляционного материла с уклонами от центра плиты к краям, а жесткость плиты выбирается в зависимости от величины деформации оттаивающих многолетнемерзлых грунтов (Патент РФ 2270295, МПК E02D 27/01, 27/35 «Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах [2]).

Недостаток фундамента-прототипа состоит в невозможности сооружения его в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда к моменту работ по сооружению фундамента произошло частичное промерзание грунта.

Цель заявленного изобретения состоит в обеспечении возможности устройства теплоизолированного фундаментов в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда до начала строительства уже произошло частичное промерзание и пучение грунта.

Цель достигается тем, что в теплоизолированном фундаменте, включающем стену и подошву, подушку из непучинистого материала, прокладку из теплоизоляционного материала, например, из пенополистирола по низу подушки из непучинистого материала, при необходимости - дополнительный утеплитель, размещенный вокруг тела фундамента, под перекрытием и отмосткой, в предлагаемом теплоизолированном фундаменте толщина подушки из непучинистого материала между теплоизолирующей прокладкой и подошвой фундамента принимается равной толщине слоя мерзлого грунта ниже фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента, а толщину и размеры в плане теплоизолирующей прокладки под подушкой из непучинистого материала устанавливают по теплотехническому расчету из условия недопущения промерзания грунта ниже прокладки.

Совокупность сформулированных выше предложений практически полностью исключает промерзание и пучение грунта ниже подушки из непучинистого материала и теплоизолирующей прокладки, что обеспечивает реализацию поставленной цели - повышения устойчивости теплоизолированного фундаментов в сезонно промерзающих пучинистых грунтах в зимний период, когда до начала строительства произошло частичное промерзание и пучение грунта.

В отличие от фундамента-прототипа [2], в предлагаемом теплоизолированном фундаменте не требуется введения в состав подушки из непучинистого материала армирующих элементов в виде жесткой железобетонной плиты, а также изменения размеров теплоизолирующей прокладки от центра к краям.

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 чертежом (фиг. 1), на котором изображен теплоизолированный ленточный фундамент для двухэтажного дома.

Теплоизолированный ленточный фундамент включает подошву 1 и стену 2, выполненные из жесткого материала (железобетона). С внешней стороны фундамента существует отмостка 3; на стену 2 опирается перекрытие 4. Со стороны подошвы фундамента 1, обращенной к грунту, размещена подушка из непучинистого материала 5, а ниже ее прокладка 6 из экструдированного пенополистирола. По наружной и внутренней поверхностям подошвы 1 и стены 2 размещен дополнительный утеплитель (соответственно поз. 7 и 8), который в общем случае может быть соединен с утеплителем перекрытия 4 (поз. 9) и отмостки 3 (поз. 10).

На стену фундамента 2 опирается стена надземного строения 11 с наружным и внутренним утеплителем. В состав теплоизолированного фундамента входит также бетонная подготовка 12 и обратная засыпка 13. Позицией 14 показана нижняя граница промерзания грунта d_f, образовавшегося к началу работ по сооружению теплоизолированного фундамента, а позицией 15 - нормативная глубина промерзания d_f,n. Контуры траншеи для устройства теплоизолированного фундамента показаны на фиг. 1 позицией 16.

Для устройства теплоизолированного фундамента в зимний период производится выемка мерзлого грунта до нижней границы промерзания d_f (поз. 14) в виде траншеи; на выровненное ее дно укладывается прокладка 6 и делается насыпка подушки из непучинистого материала 5 с необходимым уплотнением. Далее делается бетонная подготовка и фундамент с необходимым электропрогревом.

Для примера, иллюстрирующего существо изобретения, предполагается, что сооружение теплоизолированного фундамента ведется в г. Екатеринбурге в начале декабря при температуре наружного воздуха -15°C; нормативная глубина промерзания 15 d_f,n=1.9 м; глубина промерзания 14 грунта на момент начала работ по сооружению фундамента d_f=0.7 м.

Глубина заложения подошвы фундамента 1 принята равной d=0.3 м, а толщина подушки 5 из непучинистого материала h _п - равной толщине слоя мерзлого грунта ниже подошвы 2 фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента h_п=d_f-d=0.7-0.3=0.4 м, т.е. разнице между глубиной промерзания 15 d_f и глубиной заложения d подошвы 2 теплоизолированного фундамента.

Грунт в основании теплоизолированного фундамента представлен сильнопучинистым делювиальным суглинком, пучинистые свойства которого характеризуются относительной деформацией морозного пучения _fh=0.075. Расчетное сопротивление грунта R _гр=220 кПа, модуль деформации Е_гр.=10 МПа, теплопроводность суглинка в талом состоянии _th=1.57 Вт/(м·°C), объемная теплоемкость C_th=3.17 Дж/(м³·°C)10^-6 . Температура грунта на дне котлована 16+1.5°C.

Для устройства подушки 5 использован непучинистый материал -гранитный щебень, который во время работ по устройству теплоизолированного фундамента имеет температуру наружного воздуха -15°C; удельный вес 21 кН/м³, расчетное сопротивление R_под. =500 кПа, модуль деформации E_под.=40 МПа, теплопроводность в мерзлом состоянии _f=2.90 Вт/(м·°C), объемную теплоемкость C_f=2.26 Дж/(м³·°C)10^-6 .

Для теплоизолирующей прокладки 6 использован экструдированный пенополистирол «Пеноплэкс», имеющий расчетное сопротивление на сжатие R_сжпр. =150 кПа, модуль деформации Е_пр.=1.0 МПа, коэффициент теплопроводности _пр.=0.042 Вт/(м°C).

В расчетах толщины прокладки 6 приняты следующие дополнительные исходные данные:

- нагрузка на 1 м длины (l=1.0 м) подошвы 1 фундамента: n=250 кН/м;

- ширина подошвы фундамента 2: b=2.0 м;

- площадь подошвы 1 фундамента 1: А=lb=1.0·2.0=2.0 м²/м;

- вес фундамента и грунта на его уступах G=40 кН/м;

- глубина заложения подошвы 2 фундамента: d=0.30 м.

Расчет теплоизолированного фундамента ведется в соответствии с требованиями главы СП22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений», а параметры прокладки 6 из экструдированного пенополистирола определяются согласно теплотехническому расчету по программе «НЕАТ-ПТФ₂ » (двумерная).

Из расчета согласно указаниям главы СП22.13330.2011 следует:

- среднее давление по подошве 1 фундамента: p_ср=(n+G)/A=(125+40)/2.0=82.5 кПа < R_гр=220 кПа;

- среднее давление на прокладку 6: p_ср=(n+G)/А+_под.·h_под.=(125+40)/2.0+21·0.7=94.5 кПа < R_сж,пр.=150 кПа;

- осадка фундамента 1 (с учетом сжимаемости подушки 5, прокладки 6 и природного грунта S=0.7 см < [S]_u=10 см.

Требования главы СП22.13330.2011 выполняются.

В теплотехнических расчетах по программе «НЕАТ-ПТФ ₂» толщину прокладки 6 последовательно принимали равной 50, 70 и 100 мм, а за конечный результат расчета принимали такую ее толщину, при которой не произойдет промерзания грунта ниже прокладки 6 в течение нескольких месяцев, вплоть до окончаний естественного оттаивания грунта.

При принятых выше толщинах и теплотехнических характеристиках противопучинистой подушки 5, прокладки 6 и природного суглинка, начальных температурах материала подушки 5 и суглинка, а также при учете среднемесячных температур наружного воздуха за период с декабря по май для г. Екатеринбурга (глава СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»), получены приведенные в таблице 1 значения температуры грунта и глубины зоны промерзания ниже прокладки 6 (которая соответствует температуре начала замерзания суглинка, равной -0.2°C (см. главу СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»).

Таблица 1
Температура грунта и глубина промерзания ниже прокладки 6
Толщина прокладки 6	Контролируемые параметры	Месяцы 2010 г.
		Январь	Февраль	Март	Апрель	Май
50	температура T, °C	-0.2	-0.4	-0.5	-0.5	-0.2
	глубина df, м	0.2	0.4	0.6	0.5	0.3
70	температура T, °C	-0.1	-0.2	-0.2	-0.1	0
	глубина df, м	0.1	0.2	0.2	0.1	0
100	температура T, °C	0	-0.1	-0.1	0	+0.2
	глубина df, м	0	0	0	0	0

Безопасной признана толщина прокладки 6, равная 70 мм (см. фиг.1), которая обеспечивает защиту суглинка от промерзания: максимальная глубина промерзания 14 ниже подошвы прокладки 6 в феврале - марте составила d_f=0.2 м, а соответствующее возможное пучение грунта величины S=_fh·d_f=0.075·0.2=0.015 м=1.5 см, безопасной для фундамента и двухэтажного дома в построенном виде, поскольку суммарная осадки фундамента S+S=0.7+1.5=2.2 см не превысит допустимой согласно указаниям главы СП22.13330.2011 величины [S]_u=10 см. При толщине прокладки 6, равной 100 мм промерзание полностью исключается, но в рассматриваем примере такая толщина прокладки 6 может быть признана избыточной.

Преимущества предлагаемого решения теплоизолированного фундамента на промерзающих пучинистых грунтах по сравнению с фундаментом-прототипом состоят в обеспечении эффективной защиты пучинистых грунтов от промерзания при производстве строительных работ в зимний период.

Список использованных материалов

1 Патент RU 2357044, МПК E02D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент / В.В. Пушников. - Опубл. 27.05.2009.

2 Патент RU 2270295, МПК E02D 27/01, 27/35. Способ предотвращения деформаций фундаментов, возведенных на многолетнемерзлых грунтах / В.А. Бабелло, А.П. Криворотов и Д.С. Марийский. - Опубл. 20.02.2006.

Теплоизолированный фундамент, включающий стену и подошву, подушку из непучинистого материала, прокладку из теплоизоляционного материала, например из пенополистирола, по низу подушки из непучинистого материала, при необходимости -дополнительный утеплитель вокруг тела фундамента, под перекрытием и отмосткой, отличающийся тем, что толщина подушки из непучинистого материала между теплоизолирующей прокладкой и подошвой фундамента принимается равной толщине слоя мерзлого грунта ниже фундамента, образовавшегося к началу работ по сооружению фундамента, а толщину и размеры в плане теплоизолирующей прокладки под подушкой из непучинистого материала устанавливают по теплотехническому расчету из условия недопущения промерзания грунта ниже прокладки.