CC BY
43Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Экологическое строительство
УДК 624
Н.П. АБОВСКИЙ, И.С. ИНЖУТОВ, доктора техн. наук, И.С. ПЭСКЭЛУЦЕ, студентка, Инженерно-строительный институт Сибирского федерального университета (Красноярск)
Экологический принцип фундаментостроения для малоэтажных зданий
Приведены запатентованные новые типы фундаментов, обеспечивающие экономический эффект не только путем снижения трудоемкости (без привлечения специальной техники), сокращения металлоемкости и сроков строительства, но и обеспечивающие надежность при эксплуатации, включая снижение теплопотерь и затрат на ремонт.
Ключевые слова: плитно-рамный фундамент, сборно-монолитный фундамент, сложный грунт.
В настоящее время проблемы экологической безопасности строительства привлекают все больше внимания. В мае 2009 г. принята доктрина безопасности, в которой впервые появился раздел экологической безопасности. Учеными МГСУ разработаны материалы о создании в Российской Федерации общественной системы экологической безопасности, основной частью которой является система оценки экологической безопасности строительства (СОЭБС) [1, 2]. Активно разрабатываются проекты экодомов с использованием экологических конструкций [3].
Большое значение имеет сохранение экологии при малоэтажном строительстве, объемы которого в стране многократно увеличиваются и которое занимает обширные территории. Большинство земельных участков для такого строительства имеет сложные грунтовые условия. В связи с этим сохранение экологии при строительстве имеет особое значение, требуя при этом достижения экологичности и надежности строительства и эксплуатации.
Рекомендуемые действующими нормативами способы создания фундаментов для малоэтажного строительства, к сожалению, ориентированы на грубые нарушения сложившейся природной экологии. Сложившееся состояние развития определяется также нормативными рекомендациями, на которых основываются традиционные конструктивные решения.
Так, согласно строительным правилам СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений» п. 8.3 в сложных инженерно-геологических условиях (специфические грунты, высокий уровень подземных вод и др.) могут быть использованы типы фундаментов, указанные в п. 8.2, б и в, то есть фундаменты на локально уплотненных основаниях (в вытрамбованных или выштампованных котлованах, забивные блоки и др.), короткие сваи. В п. 8.9 СП 50-101-2004 указано, что сборно-монолитные и монолитные фундаменты всех стен должны быть жестко связаны между собой и объединены в систему перекрестных лент. К специфическим грунтам относятся также насыпные, обводненные, заторфованные и др.
Необходимо отметить, что традиционные (нормативные) подходы строительства фундаментов для малоэтажного строительства в сложных грунтовых условиях принципиально базируются на методах и устройствах, нацеленных
на преодоление негативных характеристик сложных грунтов типа трамбовки, уплотнения, насыпных подушек, замены слабых грунтов, заглубления фундаментов до наземного уровня, устройства свайных оснований с ростверком и т. п.
Для использования нормативных рекомендаций необходимы значительные затраты труда и материалов при грубом нарушении природной экологии грунтов, их структуры и подземного гидрогеологического режима, но, к сожалению, даже не указывается на возможность других решений, позволяющих сохранить экологию и возвести фундаменты, причем при значительно меньших затратах.
Для обеспечения экологического природного состояния сложных грунтов необходимо сохранение следующих свойств:
- естественной структуры грунта, которая определяет его физико-механические параметры;
- установившегося гидрогеологического режима подземных вод при определенном порядке водоотведения наружных (атмосферных) вод;
- температурного режима и его естественных перемен;
- различных сочетаний (комбинаций), в том числе самых невыгодных факторов прочности при воздействии воды и температуры.
Альтернативный принцип. Экологический подход основан на сохранении многолетнего сложившегося природного основания (структуры грунта, гидрогеологического режима подземных вод, сохранения естественного температурного режима, предотвращения промерзания и водонасыще-ния грунтов основания) и использовании природных, хоть и слабых, несущих свойств грунта без методов специального усиления их на основе пространственного формообразования фундаментов (придания им большей пространственной жесткости при малом весе, большей распределительной способности, оказывающей малое давление на грунт, создание малочувствительной конструкции фундаментов к негативным неравномерным деформациям грунта) и совмещения в его конструкции несущих и технологических функций (теплоизоляции и гидроизоляции).
Таким образом, на основе рационального пространственного формообразования фундаментной конструкции и совмещения в ней ряда функций предлагается преодолеть негативы нормативных традиционных подходов, причем с меньшими затратами.
8-2012
31
Экологическое строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Пространственные фундаментные платформы ПФП (варианты): а, б — ста-лежелезобетонные платформы с вентилируемым подпольем для вечномерзлых грунтов [5, 6]; в — монолитная ПФП со встроенной теплоизоляцией [4]; г, д — сборный и сборно-монолитный варианты с теплоизоляцией [7]
Альтернативный экологический принцип в противовес традиционному подходу базируется на сохранении сложившихся естественных свойств и условий для рассматриваемых грунтов с позиций их структуры с учетом температурных и гидрогеологических условий, т. е. не преодолевать (изменять, подчинять) сложившуюся природу, а мягко вписаться в экологическую среду, внося минимальные (допущенные) изменения, используя при этом ее, хоть и слабые, прочностные и другие свойства, необходимые для строительства.
Принципиальные конструктивные требования для реализации предлагаемого экологического принципа строительства состоят в том, чтобы сохранить (минимально нарушить) природное состояние сложных грунтовых условий, т. е. не нарушить естественную структуру грунта при данных температурных и гидрогеологических условиях. Эти конструктивные требования выразятся в новом формообразовании (форм, размеров, его расположения и т. п.) фундамента, который одновременно должен выполнять функции сохранения режимов тепло- и водозащиты (сохранения), т. е. воздействие строительства должно вписываться в пределы амплитудных природных изменений условий грунта.
Конкретно это означает, что:
- дополнительное давление на грунт благодаря размерам, форме и жесткости фундамента должно быть менее 0,1 МПа;
- не нарушен режим подземных вод;
- не допущено проникновение наружных вод;
- обеспечена теплозащита основания фундамента от промерзания.
Эти требования должны обеспечить прочностные и де-формативные свойства грунта, не допустить его просадок и морозного пучения, сделать фундаментную конструкцию малочувствительной к негативным неравномерным деформациям грунта.
Принципы конструктивной реализации. Актуальность данной проблемы в нашей стране определяется широкомасштабным малоэтажным строительством и необходимостью использования участков со сложными грунтовыми условиями, к которым относятся слабые, насыпные, во-донасыщенные, пучинистые, просадочные и др. грунты, заполняющие большую часть территории страны.
Будем исходить из следующей системы принципов:
- использовать природные несущие свойства грунтов без их специального усиления, сохраняя их естественную структуру и не нарушая наружной и подземной экологии, включая подземный гидрогеологический режим;
- обеспечить теплоизоляцию фундамента, встроив ее, например, в конструкцию фундамента и всего основания под зданием, а также осуществить водоотводящие мероприятия от поверхностных вод и необходимую гидроизоляцию конструкций, предотвратив тем самым возможность морозного пучения, просадки и пр., а также сократив теплопотери через фундамент и основание при эксплуатации;
- на основе пространственного формообразования сделать фундаментную конструкцию достаточно жесткой и неразрезной, малочувствительной к неравномерным деформациям грунта основания, обладающей
большой распределительной способностью и оказывающей небольшое давление на основание;
- рассматривать фундамент и верхнее строение как единую целую систему и экономически оценивать ее эффективность не только при строительстве, но и при эксплуатации.
На основе данных принципов разработаны и запатентованы эффективные конструкции фундамента [3].
Малоэтажное строительство в сложных грунтовых условиях целесообразно подразделить по нагрузкам на здание: легкого типа (деревянное и т. п.); более тяжелого типа (например, железобетонное и т. п.).
Условная граница между ними: легкие здания имеют менее 50 кН/п. м под несущими стенами и более тяжелые - порядка 100 кН/п. м.
Исследования и разработки показывают, что целесообразно под легкие здания делать фундаменты в виде ЛПРФ - ленточных плитно-рамных фундаментов, а под более тяжелые в виде ПФП - пространственных фундаментных платформ (рис. 1, 2). В данной статье больше внимания уделено ленточным плитно-рамным фундаментам под легкие типы малоэтажных зданий.
Эффективный вариант реализации данной системы принципов представлен на рис. 1, 2 в виде плитно-рамной конструкции ленточного типа (ЛПРФ) в монолитном и сборном вариантах. Укажем, что данная конструкция ленточного плитно-рамного фундамента для легких зданий является модификацией конструкции пространственной фундаментной платформы (ПФП, [4]), которую эффективно применять под более тяжелые здания. ЛПРФ сохраняет все основные преимущественные качества ПФП, существенно сокращая при этом материалоемкость с учетом особенностей легких зданий.
При необходимости для хозяйственных и эксплуатационных нужд в промежутке между рамными элементами может быть устроено подземное помещение (техническая полость), имеющее независимые конструктивные решения от плитно-рамного фундамента. Наличие гидроизоляционного слоя в виде пленки под все здание, изолирующей фундаментное строение от основания и выполняющей роль скользящего слоя, способствует уменьшению передачи горизонтальных сейсмических воздействий на фундамент и все строение.
Производство работ по устройству плитно-рамного фундамента в монолитном исполнении осуществляется следующим образом (рис. 2). На выровненное основание укладывается несколько слоев гидроизоляционной пленки под всю площадь здания, включая отмостку. На нее устанавливает-
32
8-2012
Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
ся с боков наружная опалубка для формирования плитно-рамного фундамента под несущие стены. В опалубку укладывается и сваривается арматура нижней плиты с выпусками арматуры для боковых и утолщенных ребер. Бетонируется нижняя плита. На нее устанавливается плитный невлагоемкий утеплитель, который служит внутренней несъемной опалубкой ребер и и верхней плиты. Далее устанавливается арматура верхней плиты и осуществляется совместное бетонирование ребер и верхней плиты. Пространство между формованными элементами заполняется земляной массой, на поверхности которой укладывается слой утеплителя, например керамзит или плитный.
Выступающая часть плитно-рамного фундамента за плоскости наружных стен, выполняющая роль цоколя, стыкуется с отмостками, которые укладывают на покрытое гидроизоляционным слоем основание, утепленное в случае строительства на пучинистых грунтах. При этом на гидроизоляционную пленку по периметру фундамента укладывается теплоизоляция с последующим бетонированием отмостки.
Производство работ по устройству фундамента в сборно-монолитном исполнении осуществляется следующим образом. На выровненное основание укладывается несколько слоев гидроизоляционной пленки под всю площадь здания, включая отмостку. На нее под несущие стены укладываются блочные элементы плитно-рамной системы с выпусками арматуры, изготовленные на заводе. В стыкуемых местах выпуски арматуры связываются либо свариваются. Далее места сопряжения элементов замоноличива-ются. Пространство между элементами фундамента заполняется слоем грунта, на поверхность которого укладывается утеплитель (керамзит или плитный и др.). На гидроизоляционную пленку по периметру фундамента укладывается теплоизоляция с последующим бетонированием отмостки.
Оценка эффективности предложенной конструкции производилась по совокупности всех исходных принципов как критериев: компьютерное моделирование показало большую жесткость ЛПРФ и его распределительную способность, малую чувствительность к неравномерным деформациям грунта. Встроенная теплоизоляция, водозащитные и гидроизоляционные мероприятия сохраняют грунт основания в естественном состоянии, предотвращая морозное пучение и просадки, а также теплопотери через фундамент и пол в период эксплуатации.
Применение данных фундаментов (ЛПРФ) приводит к минимуму производства земляных работ, не требуется специальной техники, не требуется глубоких геологических изысканий, используются дешевые, «неудобные» земельные участки, снижается материалоемкость конструкции и трудозатраты на производство работ, сохраняется экология среды, повышена надежность и экологичность эксплуатации и др.
Отметим, что сравнение данной разработанной конструкции на основе проектных решений с применяемыми традиционными фундаментами в Красноярске для коттеджного строительства показало их эффективность (преимущества) во всей совокупности критериев, в частности:
- снижение объема бетона в шесть раз по сравнению с заглубленными ленточными фундаментами;
- уменьшение стоимости более чем в два раза по сравнению со свайными фундаментами, что в итоге приводит к снижению стоимости 1 м2 коттеджа не менее чем на 10%.
Экологичность, экономичность и надежность предлагаемых конструкций фундаментов являются объективными пред-
Выровненное основание
Линолеум Цементная стяжка М300 Утеплитель Грунт
Верхняя плита
Гидроизоляция
Выровненное основание
Рис. 2. Плитно-рамные фундаменты для малоэтажного строительства [3]
посылками для их широкого применения, учитывая рост объемов малоэтажного строительства в стране и необходимости
использования участков со сложными грунтовыми условиями.
Список литературы
1. Теличенко В.И., Большеротов А.Л. Комплексная система экологической безопасности строительства // Жилищное строительство. 2010. № 12. С. 2-5.
2. Большеротов А.Л. Научные основы и подходы к формированию системы оценки экологической безопасности строительства (СОЭБС) // Жилищное строительство. 2011. № 7. С. 44-47.
3. Патент РФ на изобретение 105637. Фундамент для малоэтажного строительства на слабых грунтах / Н.П. Абов-ский, В.А. Сиделев, И.С. Инжутов, С.В. Деордиев, В.И. Палагушкин и др. // Заявл. 11.01.11 г. Опубл. 20.06.11. Бюл. № 16.
4. Патент РФ на изобретение 45410. Монолитная пространственная фундаментная платформа / Н.П. Абов-ский, В.И. Сапкалов, В.А. Сиделев // Заявл. 08.12.04. Опубл. 10.05.05. Бюл. № 13.
5. Патент РФ на изобретение 38789. Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях / Н.П. Абовский, С.Н. Абовская и др. // Заявл. 11.03.04. Опубл. 10.04.04. Бюл. № 19.
6. Патент РФ на изобретение 2206665. Пространственная фундаментная платформа для строительства на веч-номерзлых, слабых, просадочных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах / Н.П. Абовский, С.Н. Абовская и др. // Заявл. 11.01.02. Опубл. 20.06.03. Бюл. № 17.
7. Патент РФ на изобретение 55388. Пространственная железобетонная фундаментная платформа для малоэтажного строительства в особых грунтовых условиях и сейсмичности в сборном и монолитном вариантах / Н.П. Абовский, В.А. Сиделев и др. // Заявл. 24.04.06. Опубл. 17.09.06. Бюл. № 22.
8'2012
33
