CC BY
163
УДК 624.131.524.2
ХОЛОДОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, holodovsp@mail. ru
Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
ПРИМЕНЕНИЕ УТЕПЛЕННЫХ ОТМОСТОК ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ПУЧЕНИЯ МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
В статье приводится расчет деформаций пучения малозаглубленных фундаментов с утепленной отмосткой. Рассматривается зависимость глубины промерзания грунта от ширины утепленной отмостки здания. Делается заключение, что полное исключение деформаций пучения малозаглубленных фундаментов малоэкономично. Показывается возможность снижения деформаций пучения фундаментов в 2,5-3,5 раза и доведения их до допустимых за счет применения утепленной отмостки.
Ключевые слова: деформации пучения; утепленная отмостка; малозаглуб-ленные фундаменты; глубина промерзания; снижение деформаций пучения; допустимые деформации.
KHOLODOV, SERGEY PAVLOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof,
holodovsp@mail. ru
Siberian Federal University,
79 Svobodniy Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russia
THE USE OF HEAT-INSULATED BLIND AREAS FOR DEFORMATIONS REDUCTION OF SWELLING OF SHALLOW FOUNDATIONS IN SIBERIA
The calculation of deformation of swelling of shallow foundations with heat-insulated blind areas is considered in the article. The dependence of soil freezing depth on the width of insulated blind area of the building is given. It is noted that the complete exclusion of deformations of shallow foundations swelling is not affective. The possibility of reducing the deformations of foundations swelling in 2.5-3.5 times through the use of insulated blind area and bringing them to the acceptable position is shown.
Keywords, deformations of swelling, heat-insulated blind area, shallow foundations, depth of freezing, reduction of deformation of swelling, acceptable deformations.
В связи с широким распространением пучинистых грунтов, в климатических условиях Сибири принято принимать глубину заложения фундаментов ниже глубины промерзания df. Однако для малоэтажных зданий (1-3 этажа) такие фундаменты являются неэкономичными. При строительстве легких зданий несущая способность глубокого фундамента используется не более чем на 10-20 %, т. е. 80-90 % вкладываемых материалов и средств, используемых при строительстве фундамента, расходуются впустую. Это увеличивает общую стоимость строительства на 20-50 %.
© С.П. Холодов, 2012
Вместе с тем существуют конструкции мелкозаглубленных фундаментов (МЗФ), подошва которых закладывается в сезонно-промерзающий грунт на глубину 30-60 см. Конструкция фундамента представляет собой жесткую раму, которая в зимне-весенний период перемещается вместе с относительно легким домом, что не сказывается негативно на его эксплуатации. В качестве такой рамы выступает монолитный железобетонный ленточный фундамент, уложенный на подушку из непучинистого материала, уменьшающего величину и неравномерность перемещений фундамента. Данное конструктивное решение позволяет сократить расход бетона на 50-80 % по сравнению с заглубленным фундаментом, а трудозатраты - на 40-70 %. Для Подмосковья даже разработаны «Территориальные строительные нормы ТСН МФ-97 МО» на проектирование, расчет и устройство таких фундаментов [1].
Расчет мелкозаглубленных фундаментов, по территориально-строительным нормам, сводится к определению деформаций пучения и обеспечению условия непревышения их допустимых деформаций:
где к/р - расчетное значение подъема основания от пучения грунта под фундаментом с учетом давления под его подошвой; е/р - расчетная относительная деформация пучения грунта основания под фундаментом; (Д57£)и - соответственно предельные значения подъема и относительной деформации основания, принимаемые по табл. 3.1 [1].
В Московской области и Европейской части России эти условия сравнительно легко обеспечиваются. Для более суровых условий средней части и юга Сибири в связи с глубиной промерзания й/, большей в 1,5 раза, их выполнение обеспечить затруднительно.
Не имея возможности сразу охватить все вопросы проектирования МЗФ в суровых условиях (средней части и юга Сибири), рассмотрим деформации пучения грунтов. При этом анализ поведения МЗФ при оттаивании и решение ряда вопросов конструирования не входят в нашу задачу.
Определим глубину промерзания й/, которая приводит к подъему фундамента силами пучения, равному предельно допустимым деформациям основания к/р = Би (3.1) [1], для наиболее распространенных грунтовых и конструктивных условий.
Ввиду малой нагрузки на фундамент при этажности 1-3 этажа (величина давления под подошвой фундамента кирпичных зданий 1,35-0,45 кгс/см2, деревянных 0,3-0,1 кгс/см2), определенная по (10) прил. 4 [1], кр = (0,97-0,99)куг для кирпичных зданий и кр = (0,993-0,998)к/г для деревянных, где к$ - подъем нена-груженного основания при пучении грунта ниже подошвы фундамента. Поэтому с достаточной для практики точностью можно принять
и заменить условие (1) на к$ < 8и.
Найдем к/-,, для этого используем формулы табл. 1 прил. 4 и (3) [1].
hfp < Su; efp < (AS/Д
(1) (2)
hfP = hf
(3)
(
1--п
0,75^,
' 1 /
(4)
Н! =еА С , (5)
где Н/ - величина подъема ненагруженной поверхности грунта; 8/ - относительная деформация морозного пучения грунта.
Для расчета выберем среднепучинистый грунт с / = 0,05 (усредненные условия пучения), кирпичное здание, ленточный фундамент с глубиной заложения С = 0,6 м и толщиной песчаной подушки Нп = 0,2 м. Величина предельно допустимых деформаций основания для данных условий по табл. 3.1 [1] равна Би = 2,5 см.
Подставим эти величины в формулы (4) и (5) и решим систему уравнений относительно с/. Глубина промерзания, найденная таким способом, составляет 1,84 м. Это означает, что использование МЗФ для этих условий без дополнительных приемов снижения пучинистых свойств грунтов возможно лишь до величины глубины промерзания С/ = 1,84 м. При большей С/ условие Н/р < Би для наиболее распространенных грунтовых и конструктивных условий не выполняется.
Однако на территории России существуют более суровые климатические районы. К ним относятся: северо-восток Европейской части России (республика Коми, Пермский край), Урал (Свердловская и Челябинская области), средняя часть и юг Западной Сибири (Курганская, Омская, Томская, Новосибирская, Кемеровская области, часть Тюменской области и Красноярского края), юг Дальнего Востока (часть Хабаровского и Приморского краев). Эта область расположена между изолинией глубины промерзания С/п = 1,84 м и границей многолетнемерзлых грунтов.
На эту область приходится 20 % территории России (включая основные районы нефтедобычи) и 23 % ее населения. Условно будем называть эту область регионом с большой глубиной промерзания.
Для средней части и юга Западной Сибири глубина промерзания / > 1,84 м. Поэтому для зданий с неотапливаемым и переменным режимом эксплуатации МЗФ неприменимы С/ = / кН > 1,84 м (кН = 1,0).
В условиях Сибири для снижения деформаций пучения грунта целесообразно применение утепленных отмосток. Одним из последних документов, устанавливающих порядок расчета таких конструкций, является Стандарт организации ФГУП «НИЦ "Строительство" ООО "Пеноплэкс СПб"» «Применение теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЕКС® при проектировании и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах» СТО 36554501-012-2008 [2], основанный на опыте стран Западной Европы и США.
Однако, несмотря на явную пользу этой и подобных разработок, их использование с полным исключением промерзания грунта под фундаментом (как в странах Запада) для сибирских условий нецелесообразно. При существующих ценах на материалы такие конструкции получаются более дорогими, чем традиционные (с С > с/), и не решают вопроса об экономичном фундаменте.
В рассматриваемом нами случае районом строительства является г. Красноярск. Грунт представлен суглинками тугопластичными. Физические характеристики грунта следующие: Wp = 0,11; W¡ = 0,20; W = 0,14; Ip = 0,09; I = 0,33; pd = 1,55 т/м3; p, = 2,71 т/м3; e = 0,75; Sr = 0,51; Wsat = 0,28 (M0 = 12 °C; Wct = 0,135). По [1] Rf = 0,50 10-3, грунт среднепучинистый f = 0,05. Подземные воды до глубины 6,0 м отсутствуют. Здание одноэтажное кирпичное неотапливаемое на малозаглубленных фундаментах. Глубина промерзания dfn = 2,5 м, df = dfn-n = 2,5 м (n ~ 1,0).
Размеры фундамента b = 0,4 м, d = 0,6 м, толщина песчаной подушки hn = 0,2 м. Подушка из песка крупного средней плотности влажного W = 0,14; pd = 1,60 т/м3; p = 1,82 т/м3; e = 0,66. Полы по грунту, утепленные слоем пено-полистирола марки ПСБ-С-35 толщиной 0,1 м. Расчет деформаций пучения ведем по нормам [1].
Величина подъема свободной поверхности грунта hf определяется по формуле (5):
hf = f • df; hf = 0,05 • 2,5 = 0,125 м. где df - расчетная глубина промерзания грунта, принимается по СНиП 2.02.01-83*[3].
Величина подъема малозаглубленного фундамента для обычных условий увлажнения определяется по (4):
hft= hf
^ d + h ^ 1--n-
0,75df
j y
Н. = 0,125(1 - 0,6 + 0,21 = 0,052 м.
У 0,75 • 2,5)
Это больше предельных деформаций Би = 0,025 м, приведенных в табл. 3.1 [1]. Требуется перепроектирование.
Используем утепленную отмостку из плит пенополистирола марки ПСБ-С-35 шириной В = 1,0 м в виде горизонтальной теплоизоляции, расположенной на глубине 0,3 м от поверхности грунта. Теплопроводность пенополистирола этой марки X = 0,037 Вт/(м-°С) при 25 °С, однако, учитывая тяжелые условия эксплуатации, примем X = 0,05 Вт/(м-°С). Требуемое термическое сопротивление слоя утеплителя определим из условия равенства нулю температуры на его нижней поверхности. Эта величина будет равна термическому сопротивлению пп. 2.5 [4] слоя промерзания.
Величину теплопроводности мерзлого грунта определяем по табл. 3 прил. 1 [5], X/ = 1,107 Вт/(м • °С) при Т = -10 °С.
ДТр = 5 / X = / X/ = 2,5 / 1,07 = 2,34 м2-°С/Вт.
Толщина утеплителя
5 = Дтр • X = 2,34 • 0,05 = 0,11 м.
Для предварительной оценки эффективности предлагаемого приема целесообразно определить величину снижения деформаций пучения с помощью имеющихся аналитических решений. Для определения глубины промерзания грунта под слоем теплоизоляции й используем выражение (134) [6].
4 = йр - (Ь,- / 4о)Цо - Цо2 + £2)0,5 + &), (6)
где Sо = Ху (1/ао + 5,- / X,); Sо - толщина эквивалентного слоя, м; йу0 - расчетная глубина промерзания грунта у фундамента при оголенной поверхности, м; Ь, -ширина слоя теплоизоляции, м; 5,- - толщина теплоизоляции, м; ао - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • °С); Ху - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м • °С); X, - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/(м • °С).
Малозаглубленный фундамент с утепленной отмосткой (размеры в мм): 1 - ленточный фундамент; 2 - арматура; 3 - песчаная подушка; 4 - гидроизоляция; 5 -кирпичная кладка; 6 - покрытие пола; 7 - армированная цементно-песчаная стяжка 50 мм; 8 - основание из крупного щебня с выравнивающим слоем песка при толщине подстилающего слоя более 100 мм
Точность аналитического решения определим сравнением значений йу под отмосткой, найденных по (6), с точными, рассчитанными по программе ТБЫР^ (с. 111-114) [7].
Рассчитываемый фундамент для жилого здания с размерами Ь = 0,4 м, й = 0,6 м имеет вертикальную и горизонтальную теплоизоляцию из пенополисти-рола с X = 0,04 Вт/(м • °С). Вертикальная теплоизоляция на внешней грани фундамента имеет толщину 5 = 0,05 м. Горизонтальная теплоизоляция шириной Ь = 1,0 м и толщиной 5 = 0,1 м расположена за внешней гранью фундамента на глубине 0,2 м от поверхности грунта. Грунт имеет: суммарную влажность Ж = 0,25; коэффициент теплопроводности Ху = 1,68 Вт/(м-°С) при Т = -10 °С; со-
держание незамерзшей воды = 0,05 при Т = -10 °С; глубина промерзания грунта О/п = 1,4 м.
Расчет выполнен дважды: при наличии горизонтальной теплоизоляции и без нее. Глубина промерзания грунта около фундамента во втором случае
й/0 = 1,0 м.
В табл. 1 приведены значения / определенные по выражению (6) (й/0 = 1,0; Ь, = 1,0; 5, = 0,1; ас = 23; X/ = 1,68; X, = 0,04) и рассчитанные по программе ТЕМР^ [7].
Таблица 1
Сравнение йъ найденных по (6) и программе TEMP/W
Расстояние от фундамента Я, м Глубина промерзания О, по (6), м Глубина промерзания О, по ТБМР/^ м Расхождение, %
0,25 0,34 0,37 -8
0,50 0,56 0,65 -14
0,75 0,78 0,86 -9
1,00 1,00 1,10 -10
Средняя погрешность при определении О, составляет 10,25 %, при этом формула занижает значение о/.
Таким образом, с точностью, достаточной для практических целей, положение границы промерзания может быть аппроксимировано по (6).
Определим глубину промерзания под внешней гранью фундамента, в нашем случае при наличии горизонтальной теплоизоляции ( й/0 = 2,5; Ь, = 1,0; 5, = 0,11; ас = 23; X/ = 1,07; X, = 0,05). Формула (6) дает значение й/, = 1,91 м.
Из рисунка видно, что за счет утепленной отмостки глубина промерзания под фундаментом будет уменьшаться на величину 2, равную под внешней гранью фундамента:
2 = й/0 - / = 2,5 - 1,91 = 0,59 м.
Для оценки величины к, в этом случае используем формулу (4) с добавлением в числитель 2, м. Учитывая, что (6) занижает значение о/, в расчете используем наибольшую О, под фундаментом.
0,6 + 0,2 + 0,5911,5 „
к, = 0,1251 1 —-----—I = 0,015 м < 5= 0,025 м.
* У 0,75 • 2,5 | и
Условие выполняется. При этом ширина отмостки может быть уменьшена до 0,8 м за счет увеличения к/, до 0,022 м < « = 0,025 м.
Рисунок также показывает, что силы пучения под фундаментом неравномерны, с возрастанием к внешней грани фундамента.
Неравномерность в нашем случае составляет 24 %, что создает эксцентриситет приложения нагрузки. Однако ленточные монолитные железобетонные фундаменты, при наличии перекрестных лент, устойчивы к опрокидывающим и горизонтальным нагрузкам. Кроме того, при ширине ленточного фундамента Ь, не превышающей существенно толщину кирпичной опирающейся на него стены 5 (Ь < 1,2-5), подошва фундамента может считаться
жесткой. Представляется, что такой фундамент даже при наличии эксцентриситета нагрузки будет иметь в основном вертикальные перемещения. Для деревянных зданий этот вопрос требует дополнительного исследования.
Расчеты показывают высокую эффективность утепленной отмостки в случае сохранения большей части мерзлого грунта под фундаментом. Пройдя планируемый натурный эксперимент и накопив опыт эксплуатации таких фундаментов, эта конструкция может существенно расширить область применения экономичных МЗФ.
В табл. 2 показана величина снижения деформаций пучения грунта для различных размеров утепленной отмостки для нашего случая.
Таблица 2
Влияние ширины отмостки В на значения деформации пучения к-ц
Ширина Уменьшение Деформация пучения Процент снижения
отмостки В, м йу 2, м Ну,, м Ну, %
0,0 0,00 0,052 0
0,2 0,12 0,043 17
0,4 0,24 0,036 31
0,6 0,35 0,029 44
0,8 0,47 0,022 58
1,0 0,59 0,015 71
Анализ данных, представленных в табл. 2, позволяет сделать следующие выводы:
- в пределах региона России с большой глубиной промерзания (при йуп > 1,84 м) традиционные фундаменты на пучинистых грунтах, имеющие й > йу с давлением под подошвой меньше 1,4 кг/см2 (кирпичные и деревянные здания высотой 1-3 этажа), неэкономичны;
- для этих условий также невозможно применение малозаглубленных фундаментов без дополнительных приемов снижения пучинистых свойств основания. Для снижения деформаций пучения МЗФ возможно использование утепленной отмостки;
- использование утепленной отмостки с полным оттаиванием основания под малозаглубленным фундаментом в условиях региона с большой глубиной промерзания нецелесообразно. Даже для условий Европейской части России такие конструкции увеличивают стоимость фундаментов, по сравнению с традиционными, до четырех раз;
- целесообразно использование утепленной отмостки меньших размеров с целью уменьшения глубины промерзания грунта йу и доведения величины подъема малозаглубленного фундамента Ну до £и. Однако инженерная методика расчета таких конструкций недостаточно проработана. В настоящей работе рассмотрены только деформации пучения;
- в соответствии с положениями СП 50-101-2004 (п. 12.2.5) и СНиП 2.02.01-83* (п. 2.29) «Глубину заложения наружных фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, ... когда специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов ос-
нования при их промерзании и оттаивании не нарушают эксплуатационную пригодность сооружения». Поэтому для подтверждения применимости предлагаемого приема необходимо выполнить экспериментальные исследования величины деформаций грунтов основания при их промерзании и оттаивании, расчеты при оттаивании, а также проверить на опыте, что предложенная конструкция не нарушает эксплуатационную пригодность сооружения;
- использование утепленной отмостки предложенным способом позволит снизить деформации пучения малозаглубленных фундаментов в 2,5-3,5 раза до допустимых и сделает возможным применение этих экономичных конструкций в условиях региона с большой глубиной промерзания.
Библиографический список
1. ТСН МФ-97 МО. Проектирование, расчет и устройство мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных жилых зданий в Московской области. - М. : НИИОСП Госстроя РФ, ЦНИИЭПсельстрой, МосгипроНИсельстрой, НИИ Мосстрой, 1998.
2. СТО 36554501-012-2008. Применение теплоизоляции из плит полистирольных вспененных экструзионных ПЕНОПЛЕКС® при проектировании и устройстве малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. - М. : НИИОСП Госстроя РФ, ФГУП «НИЦ "Строительство"», ООО «Пеноплэкс СПб», 2008.
3. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1984.
4. СНиП 11-3-79*. Строительная теплотехника. - М. : Минстрой России, 1995.
5. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. - М. : Госстрой СССР, 1990.
6. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов / ПНИИИС. - М. : Стройиздат, 1986.
7. Невзоров, А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах / А.Л. Невзоров. - М. : Изд-во АСВ, 2000.
