Теплоизолированный малозаглубленный фундамент на пучинистых грунтах

Инженерно-строительный журнал, N 3, 2009
Рубрика: Технологии
Магистр ГОУ СПбГПУ А.А.Мойся*, д.т.н., профессор ГОУ СПбГПУ Н.И.Ватин
_________________

* Анастасия Александровна Мойся

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет     

Тел. моб.: +7(911)285-10-65; эл. почта: moisja@mail.ru

Теплоизолированный малозаглубленный фундамент на пучинистых грунтах

В настоящее время на рынке малоэтажного и коттеджного строительства наблюдается спрос на жилье в низшей ценовой категории, которое станет альтернативой элитному жилью. Программа малоэтажного строительства должна основываться на строительстве комфортных и экономичных зданий с применением новых материалов и технологий.

В Российской Федерации широко распространены сложные грунтовые условия. При возведении малоэтажных зданий строителям приходится сталкиваться с решением проблемы пучинистых грунтов в основании фундаментов. В районах с сезонным промерзанием грунтов на традиционные заглубленные фундаменты легких зданий по подошве действуют нормальные силы морозного пучения, а по развитой боковой поверхности фундамента - касательные силы. Воздействуя на фундамент снизу вверх, эти силы часто превосходят нагрузки от вышерасположенных конструкций (малонагруженных зданий). Как следствие, происходят значительные деформации малоэтажных зданий.

Наиболее эффективным путем решения проблемы строительства на пучинистых грунтах малоэтажных зданий является применение малозаглубленных фундаментов, устраиваемых на противопучинных подушках с применением теплоизоляционных материалов, которые частично или полностью исключают промерзание грунта под фундаментом. Подошвы в этих случаях закладываются выше расчетной глубины промерзания.

Широкое внедрение рассматриваемых малозаглубленных фундаментов с пенополистирольной изоляцией сдерживается отсутствием нормативной базы. Нет устоявшихся методик расчёта малозаглубленных фундаментов с пенополистирольной изоляцией с учётом деформационных свойств грунта и изоляции.

Решаемой задачей является разработка методики расчёта малозаглубленных фундаментов с пенополистирольной изоляцией с учётом деформационных свойств грунта и изоляции.

Объектом исследования является малозаглубленный сплошной фундамент в виде железобетонных плит с пенополистирольной изоляцией, моделируемой в программе, реализующей метод конечных элементов, двумя способами - оболочечной моделью и объёмными элементами. Фундамент расположен на пучинистом грунтовом основании.

Находящиеся в пучинистых грунтах фундаменты подвергаются выпучиванию, т.е. перемещаются вверх, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. В общем случае на фундамент действуют касательные (по боковой поверхности) и нормальные (по подошве) силы пучения. Особенно подвержены деформациям пучения легкие здания и сооружения, к числу которых относятся малоэтажные здания.

Как правило, фундаменты малоэтажных зданий устраивают так, чтобы их подошвы находились ниже границы промерзания грунта. При таком конструктивном решении фундамент освобождается от влияния нормальных сил пучения. Однако по развитой боковой поверхности фундамента, находящейся в контакте с пучинистым грунтом, действуют касательные силы пучения, которые во многих случаях превосходят нагрузки на фундаменты малоэтажных зданий.

Таким образом, заложение фундаментов ниже глубины промерзания не является гарантией устойчивости его против касательных сил пучения.

При применении малозаглубленных фундаментов суть строительного приема схематично заключается в следующем. При уменьшении заглубления фундаментов боковая поверхность, смерзаемая с грунтом, уменьшается. Уменьшаются также суммарные касательные силы пучения. Фундамент выглубляется до тех пор, пока касательные силы пучения не уравновесятся нагрузкой от дома. В этом случае отрыв фундамента от основания происходить не будет: фундамент устойчив, и нет условий для образования и накопления остаточных деформаций пучения. Фундамент надежен, но не в полной мере, т.к. при выглублении на подошву фундаментов начинают действовать значительные нормальные силы пучения. Так как у малозаглубленных фундаментов отрыва подошвы фундаментов от основания не происходит, становится возможным допущение ограниченных деформаций пучения под действием нормальных сил.

В соответствии с главой СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" [1] глубину заложения фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, если "специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную пригодность сооружения". То есть применение малозаглубленных фундаментов базируется на принципиально новом подходе к их проектированию, в основу которого заложен расчет оснований по деформациям пучения. При этом допускаются деформации основания (подъем, в том числе неравномерный), однако они должны быть меньше предельных, которые зависят от конструктивных особенностей здания.

________________
      п.14.6 [1]: "При заложении фундаментов выше расчетной глубины промерзания (малозаглубленные фундаменты) необходимо производить расчет деформаций морозного пучения грунтов основания с учетом касательных и нормальных сил морозного пучения".

При расчете оснований по деформациям пучения учитываются пучинистые свойства грунта, передаваемое на него давление, жесткость фундамента и надфундаментных конструкций на изгиб.

Если по расчетам деформации пучения превышают допустимые значения, часть пучинистого грунта заменяется на непучинистый настолько, чтобы оставшийся слой пучинистого грунта давал деформации, не превышающие допустимые значения. Под фундаментами устраивается так называемая противопучинная подушка.

Наличие подушки из непучинистого грунта позволяет:

- резко сократить величину нормальных сил морозного пучения (по подошве фундамента) и полностью исключить касательные силы морозного пучения;

- погасить часть деформаций от действия нормальных сил морозного пучения упругостью слоя подсыпки - если произойдет пучение (подъем) здания, то оно будет незначительным и, как правило, более равномерным;

- создать благоприятные условия для миграции воды из-под здания к периферии, где промерзание обычно идет быстрее, т.е. уменьшить влажность грунта под зданием.

Таким образом, фундамент, взаимодействуя с пучинистым основанием, зимой поднимается на регулируемую высоту, а весной всегда приходит в исходное положение. Нет условий для образования остаточных деформаций. И с этой стороны обеспечивается надежность мелкозаглубленных фундаментов.

Нагрузки на основание в разных частях здания могут существенно различаться. Поэтому в легких домах повышаются требования к пространственной жесткости фундаментов. Чем выше степень пучинистости грунтов, тем большие требования предъявляются к пространственной жесткости и прочности фундаментов.

Надфундаментные конструкции рассматриваются не только как источник нагрузок на фундаменты, но и как активный элемент, участвующий в совместной работе фундамента с основанием.

Наибольшее пучение грунта у отапливаемых зданий происходит под углами здания, т.к. именно здесь меньше всего сказывается влияние тепла, выделяемого зданием, а у неотапливаемого, как правило, оно происходит в середине здания. Поэтому здание в целом должно обладать достаточной жестокостью, чтобы не деформироваться под влиянием возможного неравномерного подъема пучащегося грунта и последующей осадки (просадки) при оттаивании.

Очевидно, что придание жесткости коробке здания потребует некоторого усложнения ее конструкции и связанного с этим увеличения стоимости. Однако это удорожание компенсируется отказом от традиционных заглубленных фундаментов и земляных работ.