Ежемесячный специализированный журнал “Новый Уральский строитель”
Адрес редакции: 620075, Екатеринбург, ул. Бажова, 79. Телефон: (343) 287-31-50, (343) 287-34-60
Издание РООР “Союза строителей Урала”
 
Главная
В номере
 

Яндекс цитирования
Рассылка 'Строительный комплекс УрФО. Актуальные темы'



Сметный центр Союза строителей Урала


“Новый Уральский строитель” №9 (114) - 2011

Журнал № -

Фундаменты и основания

Секреты «Теплого фундамента»

В 80-90-е годы ХХ века в странах с холодным климатом – Скандинавии, Канаде и на севере США – начали применять теплоизолированный фундамент, который представлялся как крупное научное и практическое достижение в области строительства. В России подобный тип фундамента был известен давно, но лишь в последнее время, благодаря использованию современных материалов, перед этой технологией открываются самые широкие перспективы.

ЧТО ТАКОЕ ПТФ?

Этот тип фундамента, включающий в свой состав теплоизоляционный материал, получил за рубежом специальное название: морозозащищенный фундамент мелкого заложения (МФМЗ) или в оригинале: frost-protected shallow foundations (FPSF) [2]. Нами же была предложена более понятная и простая аббревиатура: ПТФ – поверхностный теплоизолированный фундамент.
По такой технологии построено уже несколько миллионов квадратных метров индивидуального жилья, в основном 1-2-этажного. Все строительство считается экспериментальным – за домами ведутся постоянные наблюдения, главная цель которых – установить предельные ресурсы долговечности различных теплоизоляционных материалов, находящихся многие годы в земле.
Пока же никаких противопоказаний их применению не выявлено. Такой же вывод следует из 30-55-летних наблюдений и в России за дорогами на пенопласте, за гидротехническими сооружениями и, особенно, – за поведением пенопласта в стенах домов. Проведем небольшой экскурс по истории данного вопроса. 
Конструкция МФМЗ–ПТФ обеспечивает эффективную защиту от промерзания и от всех известных негативных проявлений морозного пучения грунтов. Следствием является резкое сокращение материалоемкости и объемов земляных работ: глубина заложения ПТФ составляет 0,5-0,8 м вместо привычных в Средней России 1,5-2,5 м, а на Севере и на Востоке – до 3-3,5 м (!), назначаемых по условиям промерзания грунтов. Здесь его просто не будет! Кроме того, одновременно решаются вопросы резкого сокращения теплопотерь – это, несомненно, огромный резерв экономии тепловой энергии при эксплуатации дома. 
Опасность промерзания грунтов можно иллюстрировать следующим. В процессе промерзания в большинстве грунтов происходит рост кристаллов льда за счет поступления (миграции) воды из незамерзших слоев или от воды, накопившейся вокруг фундамента в предзимний период и др. Силы пучения настолько велики, что могут поднять даже нагруженный фундамент, если он не заглублен ниже границы промерзания. В результате поверхность грунта поднимается от 2-3, иногда до 10-15 см, часто вместе с домом. Однако если дом отапливается, никаких негативных проявлений пучения не видно. Но посмотрим на дом, даже каменный, который долгое время стоял бесхозно. Какое-то время дом стоит хорошо, сопротивляясь воздействиям. Но постепенно его раскачивают силы пучения грунта, температурные колебания воздуха, дожди, снега... И он начинает трещать, постепенно наклоняются стены, сдвигаются  балки  перекрытий, стропила и проч. Так дом, в конце концов, приходит в негодность.
Об эффективности МФМЗ-ПТФ можно судить по ставшей уже крылатой фразе крупного американского строителя К.Р. Кендалла, который после изучения опыта строительства и эксплуатации зданий заявил: «Автор и его сотрудники теперь убеждены, что никогда не вернутся к фундаментам глубокого заложения, перетаскиванию бетонных блоков, засыпке и трамбовке гор земли». 
Как показано на рисунке 1.а, ПТФ представляет собой обычный фундамент, под подошвой которого (и на некотором расстоянии от него) укладывается слой теплоизоляционного материала (экструдированного пенополистирола), который может воспринимать нагрузки от сооружения и одновременно – предотвращать промерзание грунта ниже подошвы. ПТФ будут эффективны и в случае свайных фундаментов: под свайным ростверком также не должно быть мерзлого грунта.
Эта конструкция в 1999 году защищена патентом России (В.В. Лушников и  Ю.Р. Оржеховский, [3]). Одна из первых публикаций по данной теме также появилась еще в 1999 году [4]. Отличие его от зарубежных аналогов (МФМЗ) состоит в том, что пенополистирол выполняет не только теплозащитные, но еще и опорные функции, т.е. воспринимает нагрузки от строения. По-видимому, ранее всем мешал сложившийся стереотип мышления: «Логично ли, что под прочным материалом (бетон, камень) с расчетным сопротивлением 50-100 кгс/см2 укладывается материал с прочностью всего 3-4 кгс/см2?».  
Действительно, если считать теплоизоляцию продолжением фундамента, то такое недоумение имеет основания. Но ведь сам фундамент, будучи достаточно прочным, испокон веков опирали на грунт, прочность которого в 10, а то и в 100 раз меньше! И ни у кого никогда это не вызывало недоумения. Если же посчитать теплоизоляцию не продолжением фундамента, а «началом» грунта, то такое мнение коренным образом меняется. Прочность пенополистирола, как правило, более высокая, чем у большинства грунтов. Он не более сжимаем, чем грунт, а долговечность его ничуть не меньше, чем у более прочных материалов.
 Другая конструкция, также защищенная патентом России в 2004 году (В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский и В.В. Веселов, [5]), показанная на рисунке 1.б, решает защиту от промерзания по-другому, без выполнения опорных функций.
Теплотехнические расчеты показывают, что промерзание грунта можно исключить изоляцией фундамента с обеих его граней сверху (и с боков), укладкой изоляции под отмостку, под пол, в обратную засыпку... Если же дом строится без перехода через зиму, внутреннюю изоляцию можно существенно уменьшить или даже полностью исключить. Из соображений здравого смысла ясно (это же следует из тех же теплотехнических расчетов), что ПТФ нельзя делать зимой или ранней весной – тогда под фундаментом на несколько лет сохранится мерзлота.  
Экструдированные пенополистиролы сейчас можно найти достаточно легко. Например, в Екатеринбурге работают дилеры нескольких отечественных и зарубежных фирм, выпускающих такие материалы («Пеноплэкс», «Dow Chemical Company» и др.). В 2005 году в Екатеринбурге появился крупный производитель экструзионного полистирола – завод «ЭКСТРОЛ». Пенополистиролы имеют высокую био-, водо-, морозостойкость, поскольку изготавливаются с соответствующими (ноу-хау) добавками и имеют закрытые поры, исключающие накопление воды. Единственная опасность для материала – ультрафиолетовое излучение, но пенопласт легко защитить пленкой, листом асбофанеры и др.
В отличие от утверждений авторов статьи [2], материалом для теплоизоляции фундамента может быть любой из известных ныне теплоизоляционных материалов. Но к такому материалу должны предъявляться определенные требования, он должен долгое время работать в грунтовых (часто обводненных) условиях без потери своих теплоизоляционных и прочностных свойств.  
Так реализуется идея теплоизолированного фундамента. Заканчивая краткое пояснение конструкций МФМЗ-ПТФ и эффективности самой идеи, хотелось бы отметить, что фактически это старая идея «российского» поверхностного фундамента, но претворяемая в жизнь с применением новых материалов, решений старых и новых задач теплофизики.
Поверхностные фундаменты были известны давно: все знают малозаглубленный деревянный фундамент на неглубоких столбах (стульях) с деревянной забиркой бревнами по верху. Такие фундаменты делали на Руси повсюду, начиная с «теплого» запада страны и кончая суровым востоком. Почти каждый такой фундамент окружали завалинкой – ограждением из досок вокруг дома, с засыпкой пространства внутри опилками, шлаком и др. Эта завалинка и служила теплоизоляцией боковой поверхности фундаментов, уменьшая промерзание возле дома и, естественно, – потери тепла. Кроме того, почти во всех старых (хорошо сделанных) домах полы были двойные. Нижний, черновой ряд, устраивали по низу лаг, а над ним по слою глиняной смазки насыпали утеплитель – те же опилки, шлак, стружки. А уже по верху делали чистый пол. Двойной пол и был предназначен для уменьшения теплопотерь из дома: не надо десятилетиями, пока существует дом, обогревать землю, что неизбежно происходит в домах без такой изоляции.
Таким образом, новизна МФМЗ-ПТФ – фактически только в материалах для изоляции (экструзионный пенопласт вместо опилок), в правильной (научно обоснованной) их расстановке.
Также можно даже утверждать, что механический перенос решений массивных фундаментов, «устоявшихся» в многоэтажном строительстве (ниже глубины промерзания), на малоэтажное жилье является, в некотором роде, неправильным, нерациональным шагом – они все равно не есть панацея от всех бед, связанных с промерзанием. Скорее всего, их нужно рассматривать как дань капитальности, обстоятельности строению – подобно тому, что представляет, например, дорогой автомобиль по сравнению с массовой моделью. Одновременно это и уход с исторически правильного пути применения малозаглубленных фундаментов в наших суровых климатических условиях. Для малоэтажного жилья разумнее было развивать идеи малозаглубленных поверхностных фундаментов, в сооружении которых был накоплен огромный (исторический) опыт.
Но, к сожалению, традиции (и секреты) сооружения такого фундамента были постепенно забыты. Например, о том, что завалинку нужно делать по всему периметру дома, а не только с лицевой его части, для показа людям… Поэтому деревенские дома постепенно с годами кренило в ту или другую сторону – в зависимости от того, где больше промерзало. Если посмотреть на деревенскую улицу со старыми домами, можно заметить, что дома, как правило, все клонятся в одну сторону, обычно – в сторону улицы. На рисунках 2 и 3 показаны конструкции фундаментов ПТФ и фундаментов традиционного типа.

РЕШЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЗАДАЧ
В данном разделе рассматривается метод решения нестационарной и нелинейной тепловой задачи промерзания-оттаивания грунта в двумерной постановке с использованием компьютерных программ на основе метода конечных элементов, например, программы COSMOS/M (Structural Research & Analysis Corp.). Приводятся характерные особенности по заданию исходных данных в программу расчета, вызванные нелинейностью и нестационарностью тепловой задачи.
Работы по разработке метода решения тепловых задач для обоснования конструкций теплоизолированных фундаментов выполнялись в период с 1999 года по 2004 год в ОАО институте «УралНИИАС» (Екатеринбург) группой ученых – авторами патентов РФ на изобретение [3 и 5]. Результаты исследований легли в основу двух научно-поисковых тем 2002-2003 годов [9] и [10], кандидатской диссертации в 2004 году [11], кроме того, в составе группы ученых был получен государственный грант и выполнена научная работа по программе «СТАРТ» – Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере [12] в 2004-2006 годах.
 Для теплового прогноза состояния оснований зданий и сооружений в условиях сезонного промерзания грунтов (например, при устройстве теплоизолированных фундаментов, позволяющих снизить глубину заложения до 0.5–1 м в любых природно-климатических условиях, не допустив опасного промерзания грунта ниже подошвы) требуется выполнить численный анализ температурных полей в грунте в процессе промерзания-оттаивания.
В настоящее время отсутствуют четкие рекомендации по выполнению тепловых расчетов промерзания-оттаивания грунта (нелинейных и нестационарных, с учетом фазовых переходов воды). При решении таких задач в двух– и трехмерной постановке компьютерными программами на основе МКЭ возникают трудности с постановкой задачи: заданием граничных условий, выбором расчетной схемы задачи и др.
Рассмотрим решение нестационарной и нелинейной тепловой задачи в двумерной постановке с использованием компьютерных программ расчета на основе метода конечных элементов [11], например, программы COSMOS/М.
Программа имеет достаточно универсальный характер и позволяет решать множество задач данного класса. Особенности конкретной задачи (конфигурация расчетной области, неоднородность по теплофизическим свойствам, граничные условия и т.п.) отражаются в исходной информации и не требуют изменения алгоритма решения. Тем не менее, среди перечисленных вопросов (применительно к задачам промерзания грунтов) есть принципиальные вопросы – способ задания краевых условий, конфигурация расчетной области и проч., заслуживающие отдельного рассмотрения и анализа.
Нами была рассмотрена задача промерзания оголенной от снега и растительности поверхности (расчетная схема «бесснежная поляна»).
Расчетная схема «бесснежная поляна» – полупространство (в частном, двумерном случае – полуплоскость) из бесконечного по простиранию массива вещества, неоднородного по теплофизическим характеристикам, ограниченного сверху плоскостью (линией). Эта «поляна», как постулируется нормативами, свободна от снега и растительного покрова; на нее воздействуют: сверху – знакопеременный тепловой поток от наружного воздуха и солнечной радиации, снизу – геотермальный поток, характеризующий влияние нижележащего массива грунта, с характерным для рассматриваемой местности температурным градиентом.
При задании исходных данных в программу теплотехнического расчета, прежде всего, необходимо ввести теплофизические характеристики грунтов. Так как учитывается нелинейная работа грунтов, требуются специальные приемы для задания исходных значений в компьютерную программу. Значения теплофизических величин для грунтов взяты по табл. 3 [6].
Нелинейность теплофизических свойств грунтов вызвана различием значений характеристик для талого и мерзлого состояний грунта. Диапазон температур, в пределах которого происходят фазовые переходы, находится в пределах от 0 °С до –3 °С (для глин и суглинков в среднем от 0 °С до –2 °С, а для песков от 0 °С до 0.2-0.5 °С).
При вводе исходных данных в программу расчета конкретные значения характеристик для талого и мерзлого состояния грунта трансформированы в непрерывные зависимости свойств грунта от температуры (т.к. программа расчета не воспринимает резких скачков и разрывов при задании таких функций). Например, для суглинка, с теплопроводностью λ = 1.57/1.45 Вт/(м•ºС) для мерзлого/талого грунта, зависимость теплопроводности от температуры показана на рис. 4.
 Для теплоемкости грунта сохраняется нелинейность свойств; при этом для ввода значений теплоемкости в программу расчета использованы аналогичные принципы построения непрерывных зависимостей, описывающие изменения теплоемкости грунта при изменении температуры. Кроме того, в предлагаемой методике расчетов принято, что все тепловыделения и теплопоглощения, связанные с фазовыми переходами воды, будут учтены при задании зависимости теплоемкости грунта от температуры. В этом случае на графике зависимости удельной теплоемкости от температуры появляется характерный скачок на интервале температур основных фазовых переходов от –3 °С до 0 °С. Количественно площадь скачка на графике равна удельной теплоте фазовых переходов объема жидкости в грунте.
Выявлено, что различный диапазон задания фазовых переходов при постоянной площади под графиком (рис. 5)  практически не влияет на температурные поля за пределами зоны фазовых переходов (выше и ниже ее по глубине грунта). Также он не влияет на глубину промерзания, т.к. размер зоны фазовых переходов при этом составляет не более 5–15 см (при промерзании грунта в естественных условиях).
Таким образом, основным фактором, влияющим на распределение температуры в грунте за пределами зоны фазовых переходов, будет площадь эпюры графика эффективной теплоемкости. Кроме того, существуют ситуации, связанные с наличием теплоизоляции в грунте (при теплоизоляции фундаментов, дорог и других заглубленных сооружений), для которых задание интервала фазовых переходов требует отдельного анализа: при промерзании под подошвой теплоизолированного фундамента возникает большая зона грунта в пластично-мерзлом состоянии с температурами от  начала (tЗАМ) до окончания замерзания (tК).
Заметим, что для реальных грунтов температура tЗАМ несколько меньше 0 °С. Кроме того, нижняя граница диапазона фазовых переходов условно принята за температуру конца замерзания tК (при этой температуре в грунте уже не остается большого количества незамерзшей воды). Ниже для примера при известной влажности и плотности грунта определяется площадь эпюры участка графика, имеющего характерный пик (график эффективной теплоемкости см. рис. 5).
Для построения графика удельной теплоемкости выполнены следующие вычисления: масса воды в объеме грунта равна произведению его влажности на плотность сухого грунта 0.3 х 1400 = 420 (кг/м3).
Теплота фазовых переходов для вычисленной массы воды в объеме грунта:
QФ.П. = 420 х 3.35•105 = 140.7 МДж/м3, где 3.35•105 Дж/кг - удельная теплота фазовых переходов для воды. Площадь эпюры участка графика, имеющего характерный пик, равна: 140.7 МДж/м3/(1°Сх1400) = 100500 Дж/(кг°С), где 1 °С – длина участка графика.
При вводе исходных данных в расчет значения температур воздуха по СНиП [6] также были трансформированы в непрерывные зависимости температуры от времени. Для примера, на рис. 6 показан график зависимости температуры воздуха от времени.
Графики изменения величины солнечной радиации в зависимости от времени года были построены по значениям суммарной солнечной радиации [7]. Общий вид графика, для Екатеринбурга, показан на рис. 7.
При выполнении расчетов учтено не суммарное значение солнечной радиации, а только поглощенная ее часть.
Для расчета величины поглощенной радиации учитывалась характеристика отражательной способности земной поверхности (альбедо αL). Средневзвешенное значение коэффициента отражения грунтом солнечной радиации (использованное в расчетах) принято равным αL = 0.3, а коэффициента поглощения – равным 0.7. Заметим, что если использовать в расчетах схему «бесснежная поляна», когда зимой снег расчищается, а летом удаляется какая-либо растительность с поверхности грунта, очевидно завышается рассчитываемая глубина промерзания.
Далее приводятся результаты анализа по определению оптимальной глубины расчетной зоны. Ставилась цель выявить, до какой глубины на результат решения тепловых задач влияют различные возмущающие факторы на поверхности и их сочетания, т.е. определить размеры расчетной зоны.  Само понятие расчетной зоны (как оно здесь сформулировано выше) не является абсолютно точным и определенным, поскольку теоретически воздействие поверхности  распространяется бесконечно глубоко. Для примера, задав на «гарантированной» глубине 50 м постоянную температуру, уже на 49-м метре, пусть даже немного, но температура будет изменяться: строго постоянной температура будет только на глубине 50 м. Следовательно, понятие расчетной зоны привязано к определенным допускам;  она не задается абсолютно точно.
Численным анализом установлено, что глубина 15 м и задаваемое на ней краевое условие обладают инвариантностью относительно верхних краевых условий задачи. Следовательно, расчетная глубина обеспечена доказательной базой и выбрана правильно. Влияние возмущающих факторов приводилось к поверхности расчетной зоны. Однако возможны случаи, когда какие-либо возмущения действуют на определенной глубине от поверхности. При этом для нахождения глубины расчетной зоны необходимо к соответствующей глубине действия возмущающего фактора прибавить 15 м. Таким образом, такая расчетная глубина выбрана как универсальная нижняя граница, позволяющая корректно рассчитывать не только тепловые задачи с естественным температурным режимом на поверхности, но и заглубленные сооружения, подвалы и проч.
Формирование и динамика процессов сезонного промерзания грунтов определяются структурой радиационно-теплового баланса поверхности. Для изучения связи тепловых процессов в грунтах и горных породах с тепловыми процессами, протекающими на земной поверхности, необходимо рассматривать влияние всех составляющих радиационно-теплового баланса на температуру поверхности и подстилающих пород. Так как в среднем за год теплосодержание слоя грунта в пределах глубины расчетной зоны не меняется (т.е. никакое количество тепла не накапливается и не вытекает из слоя), существует некий поток, влияющий на массив грунта как краевое условие снизу. На этом основании было составлено уравнение теплового баланса, и на этой основе оценена степень влияния каждого источника тепла (радиации, геотермального тепла, потерь через конвекцию).
Расчетами выявлено, что температуры внизу расчетной зоны и величины теплового потока снизу мало отражаются на верхних слоях (например, на глубине промерзания), а   геотермальный поток тепла почти не влияет на них. Этот фактор (тепловой поток снизу) следует считать малозначительным и задавать его в реальных расчетах можно обоснованно с точностью до порядка. В частности, величина такого теплового потока согласуется с понятием геотермальной ступени. Градиент температур в грунте в среднем составляет 20° С на 1000 м или (0,02° С/м).
Таким образом, фактически равнозначно следующее:
а) Задавать на глубине 15 метров температуру 3° С или
15° С. При задании граничного условия снизу через постоянную температуру на заданной глубине; менее предпочтительный способ задания граничного условия по сравнению с тепловым потоком.
б) Задавать соответствующий геотермальной ступени тепловой поток (с точностью до порядка, в зависимости от средней теплопроводности массива). Это является естественным «люфтом», практически не влияющим на тепловой баланс системы.
Соответственно пытаться подобрать нужную температуру/поток на фиксированной глубине в зависимости от остальных исходных данных, т.е. решать обратную задачу, бесполезно.
Решая с помощью компьютерных программ нестационарные тепловые задачи, требуется задать некую начальную температуру для каждого узла расчетной зоны, близкую к предполагаемым реальным значениям. Разумеется, можно задать точные значения температур, полученные аналитически для конкретного случая.
Также рассмотрен и решен такой постановочный вопрос, как проблема задания начального распределения температур в массиве грунта. Предложено два способа назначения начального распределения температур. Например, при решении задачи, можно задать начальную температуру от 5° С до 10° С для всего массива грунта. После чего требуется произвести расчет большого числа годовых циклов. Практика показывает, что в течение 3–5 годовых циклов задача «сама» выходит на температурное распределение, характерное для грунта в естественных условиях залегания. Далее достаточно добавить рассчитываемую конструкцию и продолжить выполнение расчета.
Начальное распределение температур в грунте, близкое к реальному, также можно получить, составив уравнение теплового баланса для расчетного года и построив график среднегодовых температур в грунте (рис. 8).
Приведенные в статье подходы к решению тепловых задач промерзания-оттаивания грунта с помощью компьютерной программы COSMOS/М на основе метода МКЭ были использованы автором статьи для разработки и обоснования методики расчета теплоизолированных фундаментов на сезонно промерзающих грунтах УрФО [11], основные положения которой приведены ниже.
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННЫХ ФУНДАМЕНТОВ

Очевидно, что проектированию должны предшествовать инженерно-геологические изыскания. Для жилых одноэтажных зданий индивидуальной застройки сведения о строении и характеристиках грунтов принимаются, как правило, по результатам ранее проведенных изысканий или обследований грунтов, изучения опыта строительства на соседних участках и др.
 Строительство зданий и сооружений на теплоизолированных фундаментах предполагает организацию наблюдений за состоянием зданий в процессе строительства и последующей эксплуатации. В ходе наблюдений должна контролироваться глубина промерзания грунтов возле фундаментов, состояние термоизоляции, возможные деформации фундаментов и надземной части строений. В зарубежной практике строительства зданий и сооружений, возводимых на теплоизолированных фундаментах, предусматривается установка приборов для натурных измерений температуры в массиве грунта возле фундаментов. Далее приведены основные элементы расчета и проектирования ленточного теплоизолированного фундамента.
Оценка пучинистости грунтов
Согласно СНиП 2.02.01-83* к пучинистым грунтам, в которых глубина заложения фундаментов традиционной конструкции (на естественном основании и свайных ростверков) должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания, относятся:
пески мелкие и пылеватые, а также супеси, суглинки и глины любой консистенции – при высоком расположении уровня подземных вод;
суглинки и глины туго-, мягко-, текучепластичной и текучей консистенции, супеси пластичной и текучей консистенции – независимо от расположения уровня подземных вод.
К среднепучинистым грунтам относятся суглинки и глины, имеющие твердую и полутвердую консистенцию – при расположении уровня подземных вод на глубине более 4 м от поверхности. Глубину заложения фундаментов традиционной конструкции в среднепучинистых грунтах допускается приниматься равной половине расчетной глубины промерзания.
К непучинистым грунтам относятся пески любой крупности, а также для супеси твердой консистенции – при расположении уровня подземных вод на глубине более 4 м от поверхности; глубина заложения фундаментов традиционной конструкции в непучинистых грунтах принимается независимо от расчетной глубины промерзания.
Назначение допустимой (безопасной) глубины промерзания
Согласно действующим нормативам, грунты по степени морозоопасности разделяют на пять групп: практически непучинистые, слабо- средне- сильно- и чрезмернопучинистые.
Существующий подход к оценке пучинистости грунтов и строительству на пучинистых грунтах характеризуется допусками на деформации пучения. Такой допуск имеет количественные границы (коэффициент пучения), в зависимости от типа здания.
Например, при коэффициенте пучения f=0.01 (практически непучинистые грунты) деформации пучения в Екатеринбурге составят 2 см на 2 м промерзания, т.е. фактически безопасную нормируемую величину деформаций: нормы разрешают при залегании в основании практически непучинистых грунтов заглубляться выше глубины сезонного промерзания.
Таким образом, можно заглубить фундамент выше глубины сезонного промерзания, но при этом специальными мероприятиями добиться такого уменьшения глубины, чтобы промерзание грунта ниже подошвы фундамента происходило в безопасных пределах. Зная параметр пучения Rf, характеризующий степень морозоопасности грунта, можно определить коэффициент пучения грунта f, а также глубину промерзания, после чего вычислить итоговые деформации морозного пучения. При этом снижается реальное проявление пучинистости в несколько раз (например, для сильнопучинистого грунта за счет уменьшения глубины промерзания при использовании теплоизоляции), а конечная величина деформаций до 2 см (т.е. как для практически непучинистого грунта). Формально возникает ситуация, при которой можно уменьшить глубину заложения фундамента в совершенно безопасных пределах.
С другой стороны, не существует прямой пропорции между величиной пучения и глубиной промерзания (подобная зависимость различна для различных грунтов). Кроме того, при промерзании на небольшую глубину грунт себя ведет как более пучинистый, чем если он промерзает на большую глубину. Этот факт учитывается в проведенных исследованиях введением соответствующих коэффициентов в специальных теплотехнических расчетах.
Расчет и проектирование
Расчет и проектирование включает определение основных размеров и глубины заложения фундамента, определение осадки фундамента с учетом повышенной сжимаемости пенополистирола, назначение безопасной глубины промерзания и назначение параметров теплоизоляции.
На отметке заложения фундамента должны залегать грунты несущего слоя – любые грунты, кроме песчаных рыхлых, глинистых текучей консистенции, а также илов и торфов. При наличии на указанной глубине илов, торфов, глинистых грунтов текучей консистенции и рыхлых песков рекомендуется применение свайных фундаментов из забивных или набивных свай, стальных многосекционных трубчатых свай, искусственных оснований из втрамбованного щебня и др.
Для условий УрФО глубину заложения фундаментов-ростверков от поверхности планировки dф рекомендуется принимать в пределах 0.5-1.0 м.
Алгоритм расчета ленточного фундамента
1) Определение размеров и глубины заложения фундамента, исходя из несущей способности грунта и пенополистирола:
PНОРМ  <  NГР;                                        (1)
PРАСЧ  <  RПР,                                        (2)
где P – среднее давление по подошве фундамента, тс/м2 (кПа)
NГР – несущая способность грунта (II-я критическая нагрузка), тс/м2 (кПа)
RПР – расчетное сопротивление пенополистирола, тс/м2 (кПа)
Ширина ленточного фундамента bФ, в м, определяется по формулам:
bФ = n / NГР;                                        (3)
bФ = n / RПР,                                        (4)
где n – расчетная нагрузка на 1 м длины ленточного фундамента, тс/м (кН/м).
Нагрузка n рассчитывается по  грузовым («тяготеющим») площадям. Для одноэтажных зданий нагрузка n составляет 5–7 тс/м (50–70 кН/м). Меньшие значения нагрузок соответствуют домам с кирпичными стенами толщиной 64 см (или меньшей толщины, но с эффективным утеплителем), высотой до 4 м и одним железобетонным перекрытием;  бóльшие значения –  домам с двумя железобетонными перекрытиями (над фундаментом и над помещением). Для двухэтажных зданий нагрузки возрастают в среднем в 1.8 раза. Указанные нагрузки следует принимать для предварительных расчетов; нагрузки подлежат уточнению в зависимости от конкретных размеров грузовых площадей; фактической толщины стен, размеров оконных и дверных проемов, материалов и схемы опирания перекрытий, конструкции кровли и проч.
2) Определение осадки фундамента с учетом повышенной сжимаемости теплоизоляционного материала. Пенополистирол имеет модуль деформации Eвк, отличный от модуля деформации материала фундамента. Осадка фундамента, вычисляемая с учетом сжимаемости материала утеплителя, не должна превышать нормируемой предельно допустимой:
S   SПРЕД,                                            (5)
где S - осадка фундамента с учетом повышенной сжимаемости материала утеплителя, см, определяемая по формуле (6)
(6)
где SСР - осадка фундамента без учета сжимаемости утеплителя, см;
КО - коэффициент жесткости грунтового основания (PСР/SСР), МПа/м;
ЕВК - модуль деформации пенополистирола, МПа;
НВК - толщина пенополистирола, м.
3) Определение безопасной глубины промерзания H[ДОП], исходя из оценки пучинистости грунта с учетом допусков на деформации:
hПУЧ  <  h[ДОП];                                        (7)
где hПУЧ - величина морозного пучения, см;
h[ДОП] – допустимая величина морозного пучения с учетом конструктивных особенностей сооружения, см.
4) Назначение параметров теплоизоляции и обеспечение условия:
HРАСЧ  <  H[ДОП],                                        (8)
т.е. расчетная глубина промерзания HРАСЧ не должна превышать безопасную (допустимую) глубину промерзания H[ДОП] (определенную по п. 3 предлагаемого алгоритма расчета).
Основные параметры утепления следующие: ширина bИЗ и толщина hИЗ теплоизолирующего элемента, факт наличия или отсутствия основной (базовой) и дополнительной засыпки (рис. 9). Эти параметры следует принимать по таблицам 1–2 в зависимости от глубины заложения фундамента в грунт dф, характеристики пучинистости грунта f, а также от параметра местности – суммы отрицательных градусо-суток. Для справки в таблице 3 приведены выборочные значения сумм отрицательных градусо-суток для различных городов.
Базовую теплоизолирующую засыпку предлагается выполнять с вылетом на 600 мм за грань фундаментной подушки и высотой, равной глубине заложения фундамента dф – по условиям производства работ. Дополнительная засыпка полезна из-за экономии пенопласта; она выполняется высотой, равной глубине заложения фундамента dф и средним вылетом около 600 мм (см. рис. 9). В качестве материала теплоизолирующей засыпки возможно применение керамзитового гравия, различных шлаков, отходов деревообрабатывающей промышленности и др.
Приведенные в таблицах 1-2 параметры теплоизолированных фундаментов получены по программе расчета теплоизолированного фундамента (на основе компьютерной программы «Cosmos/m») для средних значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов. Данные таблиц 1 и 2 относятся к регионам с параметром местности, равным соответственно 1600 и 2400 градусо-суток.
Значения параметра местности, равное 2400 градусо-суток, принятое в таблице 2, является предельным для сезоннопромерзающих грунтов. В случае, если подбор теплоизоляции производится для регионов с параметром местности больше, чем 1600, но менее 2400, толщину пенополистирола и теплофизические свойства засыпки необходимо определять по интерполяции с использованием таблиц 1–2, а также с учетом толщины плит экструдированного пенополистирола у конкретного производителя.
bФ и dФ – соответственно ширина и глубина заложения фундамента;
bИЗ и hИЗ – ширина и толщина теплоизолирующего элемента

В случае если необходимо подобрать параметры утепления фундамента при глубине заложения, отличной от 0,5 и 1,0 м (таблицы 1 и 2), необходимо:
–    при глубине заложения dФ < 0,8 м использовать табличные значения параметров теплоизоляции (таблицы 1 и 2), соответствующие  глубине заложения dФ = 0,5 м;
–    при глубине заложения фундамента dФ > 0,8 м необходимо использовать табличные значения параметров теплоизоляции (таблицы 1 и 2) для глубины заложения dФ = 1 м.
Данные таблиц 1 и 2 относятся к поверхностным ленточным фундаментам, для фундаментов других типов параметры утеплителя должны устанавливаться согласно теплотехническому расчету.
 В случае, если в доме будет создана положительная температура до наступления зимнего сезона (при строительстве без перехода «через зиму»), дополнительное утепление со стороны фундамента, обращенной внутрь дома, не требуется.
Существенное обстоятельство: размеры теплоизоляции в угловых участках фундаментов должны приниматься удвоенной ширины, на длине не менее 1,5 м с каждой стороны краев фундамента.
При участии авторов [3] и [5] конструкции теплоизолированных фундаментов нашли применение на ряде объектов строительства. Наиболее сложные и интересные: строительство комплекса жилых деревянных домов (Санкт-Петербург 2000 год); строительство 3-4-этажного гаража для автомашин личного пользования с паркингом (Екатеринбург, 2001 год); реконструкция 2-этажного общественного здания, получившего повреждения в результате промерзания грунтов, проведено утепление фундаментов (Екатеринбург, 2002 год); строительство 2-х этажной котельной (пос. Шабры, Екатеринбург, 2003 год); Строительство коттеджного поселка на 180 домов в р. п. Верхнее-Дуброво, вблизи Екатеринбурга, в 2004-2006 годы.
На данных объектах в 2001-2002 и в 2004-2006 годах были проведены натурные эксперименты по измерению температур под подошвой фундаментов (в рамках научно-технического сопровождения строительства).
Кроме того, технические решения по устройству теплоизолированных фундаментов реализованы на ряде объектов на стадии проектирования, как альтернатива другим техническим решениям на основе технико-экономической оценки различных вариантов. В статье приведены фотографии коттеджного поселка в Свердловской области, возведение которого начато в 2011 году. В качестве фундаментов применены монолитные железобетонные плиты, расположенные на поверхности грунта, под плиты выполнена щебеночная подготовка толщиной 300 мм, а также теплоизоляция экструзионным пенополистиролом «Экстрол» по периметру наружных стен и в цокольной части.
За период работы авторы [3] и [5] неоднократно представляли ее отдельные разделы для обсуждения на многих представительных научных конференциях и семинарах, в том числе – международных: Международная научно-техническая конференция «Строительство и реконструкция деревянных жилых домов» (Архангельск, 2002 год); 15-я Европейская конференция молодых инженеров-геотехников «Наука и практика» (Дублин, 2002 год); Международная научно-практическая конференция «Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений» (Пенза, 2002 год); Научно-техническая конференция «Малоэтажное строительство» в рамках 6-й международной выставки «Уральская строительная неделя» (Екатеринбург, 2003 год); Ежегодные научные семинары, проводимые ЗАО УралТИСИЗ (Екатеринбург, 2002-2006 годы); совещание в министерстве строительства и архитектуры Свердловской области, посвященное теплоизолированным фундаментам (2004 год); Международные геотехнические конференции в Перми и Алматы (2004 год); Ежегодные уральские академические чтения, проводимые институтом УралНИИпроект РААСН в 2004-2007 годах, и др.
Практическая реализация обеспечена разработкой территориальных строительных норм ТСН 50-302-02 «Проектирование оснований и фундаментов строящихся и реконструируемых зданий и сооружений в городе Ханты-Мансийске», регламентирующие этапы проектирования и строительства малозаглубленных теплоизолированных фундаментов для малоэтажных домов.

Литература:

1 Проектирование малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах с применением теплоизоляции из полистирольных вспененных экструзионных плит «Пеноплэкс // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2007, №5.- с.13-15.
2 Design guide for frost-protected shallow foundations / U.S. Department of Housing and Urban Development, Office of Policy Development and Research -1994. – 46 р.
3 Патент RU № 2135693, МКИ 6 Е 02 D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент /В.В. Лушников и Ю.Р. Оржеховский. - Опубл. 27.08.99, Бюл. № 24. - 12 с.
4 Лушников В.В., Оржеховский Ю.Р. и др. Поверхностные фундаменты для малоэтажных домов. // Стройкомплекс среднего урала, 1999, № 11.
5 Пат. 2237780 МКИ 7 E 02 D 27/01, 27/35. Теплоизолированный фундамент / В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, В.В. Веселов. – № 2002118813/03; Заявл. 12.07.2002; Опубл. 27.01.2004; RU БИПМ № 3.
6 СНиП 2.03.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. – М.: Стройиздат, 1990.– 52 с.
7 СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика / Минстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1997.– 140 с.
8 Строительная климатология (Справ. пособие к СНиП) / НИИ строит. физики. – М.: Стройиздат, 1990.– 86 с.
9 Концепция комплексного решения проблемы устройства оснований и фундаментов в условиях реконструкции и нового строительства в районах с глубоким сезонным промерзанием и на вечно мерзлых грунтах (научно-поисковая тема): Отчет о НИР / УралНИИпроект; В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, В.В. Веселов. – Тема ДЗ-02/11.– Екатеринбург, 2002.– 45 с.
10 Основания и фундаменты в районах с глубоким промерзанием грунтов (научно-поисковая тема): Отчет о НИР / УралНИИпроект; В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, В.В. Веселов.– Тема ДЗ-03/13.– Екатеринбург, 2003.– 38 с.
11 Веселов В.В. Методика расчета теплоизолированных фундаментов на сезонно промерзающих грунтах: Дис. … канд. техн. наук: 05.23.02. – Защищена 20.02.2004.– Пермь, 2004.– 148 с.
12 Инновационный проект №140 «Поверхностный теплоизолированный фундамент», авторы: В.В. Лушников, Ю.Р. Оржеховский, В.В. Веселов. Грант программы «СТАРТ» - Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, по финансированию инновационных проектов. (Решение Жюри и конкурсной комиссии от 28.02.04).
Владимир ВЕСЕЛОВ, начальник отдела № 13 ОАО «Уральский
научно-исследовательский институт архитектуры и строительства», к.т.н.
Владимир БЕЛЯКОВ, старший преподаватель кафедры «Материаловедение
в строительстве» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента

При копировании или цитировании материалов обязательна ссылка на журнал "Новый Уральский строитель" http://nus-ural.ru
 

www.gkx.ru
“Жилищно-коммунальный комплекс Урала” www.gkx.ru
СМЕТА
РАССЫЛКА
Рассылки Subscribe.Ru

Строительный комплекс УрФО. Актуальные темы




Почтовая рассылка:
Строительный комплекс УрФО. Актуальные темы
РЕКЛАМА
Российский союз строителей СтройУрал_RU
Готовые проекты, цены. Каталог блок-контейнеров, бань, бытовок
bytovka-spb.ru

  Copyright © “Новый уральский строитель”, 2003-2008
Copyright © ООО ИД “Уралстройсоюз”, 2003-2008
  Разработка сайта Интернет-агентство "Уральская галактика"