Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Технология устройства оснований и фундаментов зданий на сезоннопромерзающих грунтах

Специальность 05.23.08 - Технология и организация строительства

Медведев Сергей Назарович

Москва-2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении дополнительного профессионального образования Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Абелев Марк Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Минкин Марк Абрамович

кандидат технических наук, профессор Дудлер Игорь Владиславович

Ведущая организация: ЗАО «Химкинское СМУ МОИС-1»

Защита состоится 28 мая 2007 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 113114, г. Москва, Шлюзовая набережная, д. 8, ауд. № 224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «_____» _________________2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ширшиков Б.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Как показывают проведенные в условиях Республики Бурятия исследования, проблема строительства на пучинистых при промерзании грунтах является весьма актуальной применительно к малоэтажному строительству. К числу таких сооружений относится большинство государственных и индивидуальных малоэтажных зданий.

К типичным пучинистым при промерзании грунтам относятся озерно-ледниковые отложения (супеси, суглинки, глины), мелкие и пылеватые пески, послеледниковые морские отложения (иольдиевые глины), супесчаные и суглинистые разновидности водонасыщенных со слабыми структурными связями моренных отложений и др.

При взаимодействии грунта, подверженного морозному пучению, с традиционными заглубленными фундаментами возникают значительные касательные и нормальные силы морозного пучения, способные неравномерно перемещать (выталкивать) фундаменты вместе с легким малоэтажным зданием вверх или оторвать верхнюю часть здания от нижней, если силы пучения больше передаваемых на фундаменты вертикальных нагрузок (легкие здания).

Причем неравномерность деформации со временем часто становится больше. При промерзании грунтов происходит подъем (выпучивание) фундаментов и отдельных частей сооружения (особенно с различными температурными режимами в помещениях - отапливаемые и неотапливаемые), а при оттаивании - опускание (осадка-просадка).

Согласно существующей технологии для исключения действия нормальных сил морозного пучения, нормы проектирования требуют производить заложения фундаментов в пучинистых грунтах ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунта.

Но для малонагруженных зданий эта мера не обеспечивает устойчивость их в пучинистых грунтах, так как неравномерные деформации зданий могут происходить за счет воздействия касательных сил морозного пучения по боковой поверхности заглубленных стен и фундаментов.

Анализ аварий и деформаций зданий показал, что заложение фундаментов для малонагруженных сооружений и зданий ниже глубины промерзания (без принятия специальных мер) не является эффективным, а в ряде случаев даже недопустимым.

Целью диссертационной работы явилась разработка эффективных технологий устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий, возводимых на пучинистых при промерзании грунтах и способов их защиты от морозного пучения грунтов в зоне сезонного промерзания.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- выполнен анализ причин аварий и деформаций зданий, расположенных на пучинистых при промерзании грунтах в условиях Республики Бурятия;

- изучены лабораторные и полевые способы исследования специфических свойств пучинистых при промерзании грунтов;

- изучены физико-механические свойства пучинистых при промерзании грунтов;

- исследованы технологии устройства оснований и фундаментов с учетом специфических свойств пучинистых при промерзании грунтов;

- изучены эффективные технологии защиты грунтов оснований в процессе строительства и эксплуатации малоэтажных зданий;

- разработаны технологии производства земляных работ при возведении малоэтажных зданий на больших слоях (более 3 м) сезоннопромерзающих грунтов;

- разработаны рекомендации по выбору эффективных технологических решений при проектировании и производстве строительных работ нулевого цикла на объектах малоэтажного строительства.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- обоснованы и экспериментально установлены технологические регламенты, комплекты машин, механизмов и оборудования, обеспечивающие качественное выполнение земляных работ на объектах малоэтажного строительства, при больших толщах сезоннопромерзающих грунтов;

- разработана методика оценки и выбора рациональных технологических решений по возведению оснований и фундаментов малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах толщиной более 3 м;

- разработаны технологические требования, определяющие качество устройства фундаментов малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах;

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны эффективные способы выполнения земляных работ для больших толщ сезоннопромерзающих грунтов, при устройстве оснований и фундаментов малоэтажных зданий;

- предложена технология устройства защиты пучинистых грунтов оснований малоэтажных зданий от промерзания плитами пенополистирола URSA FOAM;

- разработаны нормативы проведения лабораторных и полевых исследований специфических свойств пучинистых при промерзании грунтов;

- изучены и предложены эффективные технологии земляных работ при устройстве оснований и фундаментов малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах, миниэкскаваторов и миниэкскаваторов-погрузчиков;

- повышена достоверность прогноза неравномерных деформаций существующих малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах;

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

1. Результаты исследований основных причин потери эксплуатационной пригодности малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах;

2. Методика оценки и выбора эффективных технологий устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий на пучинистых грунтах.

3. Результаты натурных исследований эффективных конструкций подземных частей малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах;

4. Результаты исследований эффективных видов защиты грунтов оснований малоэтажных зданий от промерзания.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на научных конференциях и семинарах в МГСУ, ГАСИС и НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, а также на заседаниях научно-технических советов строительных организаций Республики Бурятия.

Внедрение работы. Основные результаты научных исследований внедрены при разработке проектов и строительстве малоэтажных зданий.

Публикации. Основное содержание выполненных научных исследований опубликовано в 6 научных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы, имеющей 114 наименования. Общий объем диссертации составляет 191 страница, в т.ч. 144 страницы машинописного текста, 45 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу технологий устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах и изучению причин неравномерных деформаций фундаментов.

Исследования показывают, что прочность и долговечность всех конструктивных элементов зданий и сооружений, расположенных на сезоннопромерзающих грунтах можно обеспечить только путем исключения неравномерных и чрезмерных осадок, как в процессе строительства, так и в период эксплуатации.

В главе приведены результаты анализа аварий и деформаций малоэтажных зданий расположенных в Республике Бурятия. Установлены ошибки, допускаемые при выполнении инженерно-геологических изысканий на территориях с большими значениями глубины промерзания грунта и ошибки, допускаемые при разработке проектов малоэтажных зданий.

Выявлены ошибки, допускаемые при производстве работ по устройству оснований и фундаментов малоэтажных зданий. Установлены случаи перебора грунта основания при использовании землеройных машин большой мощности, некачественного уплотнения песчано-гравийных подушек. Установлены случаи монтажа конструкций фундаментов на мерзлом (частично мерзлом) основании.

Выявлены случаи нарушений технологий устройства теплоизоляционных материалов и элементов для исключения промерзания грунтов оснований зданий. На основе анализа неравномерных осадок фундаментов установлена неэффективность использования полимерных пленок, нефтепродуктов и т.д. для защиты грунтов оснований от промерзания и исключения смерзания грунта с материалом фундамента.

Для обеспечения обоснованности и эффективности применяемых технологий устройства оснований и фундаментов зданий и способов защиты грунтов оснований необходимо правильное определение свойств грунтов. В главе приведены результаты изучения существующего порядка классификации сезоннопромерзающих грунтов и особенности изучения их физических свойств, а также результаты анализа существующих методов исследования прочностных и деформативных характеристик сезоннопромерзающих грунтов в лабораторных условиях.

На основе анализа аварий и деформаций более 111 зданий, которые имеют различные конструктивные решения (кирпичные, панельные, каркасные и т.д.) установлено, что во многих случаях результаты лабораторных исследований не были подтверждены результатами полевых изысканий грунтов.

Неправильное определение консистенции глинистых грунтов (I_L), степени влажности (S_r) песков гравелистых, крупных и средней крупности, а также мелких и пылеватых песков и неправильное определение количества мельче 0,05 мм, привело к неправильному установлению пучинистости грунтов оснований.

При проектировании малозаглубленных фундаментов для легких зданий необходимо предусмотреть мероприятия, направленные не на преодоление сил морозного пучения, а на снижение вызванных ими деформаций до предельно допустимых величин для конкретного здания или сооружения. строительство сезоннопромерзающий здание пучение

Согласно действующим нормам для исключения недопустимых осадок фундаментов зданий на пучинистых грунтах глубина заложения фундаментов принимается ниже глубины сезонного промерзания.

Исследования показывают, что в тех случаях, когда в слое сезонного промерзания имеются грунты, способные воспринимать нагрузку от сооружения, такое решение будет явно нерациональным.

В первую очередь это относится к малоэтажным зданиям. Был изучен опыт возведения малозаглубленных фундаментов. Для защиты их основания от промерзания и пучения применяют конструктивные, мелиоративные, теплоизоляционные и другие специальные мероприятия.

Анализ неравномерных деформаций фундаментов показал, что применение указанных выше мероприятий не всегда обеспечивает их эксплуатационную пригодность.

На ряде объектов строительства малоэтажных зданий было установлено, что было допущено промерзание основания после отрывки котлована из-за нарушений технологии производства работ и это служило причиной неравномерной осадки фундаментов зданий при весеннем оттаивании грунта.

Были установлены также неравномерные осадки и деформации зданий, где для исключения опасности касательных сил морозного пучения, возникающих при смерзании пучинистого грунта с боковой поверхностью фундамента были произведены: обмазка боковой поверхности фундамента битумной мастикой, покрытие боковой поверхности фундамента полимерными пленками.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию физико - механических свойств мерзлых грунтов при разработке технологий устройства фундаментов зданий на сезоннопромерзающих грунтах.

Как показали проведенные исследования, во многих случаях значение физико-механических характеристик грунтов оснований зависит от их дисперсности. Дисперсность грунта можно оценить по удельной площади поверхности, которая представляет собой площадь поверхности частиц, содержащихся в 1 г сухого грунта.

Обычно ее определяют адсорбционными методами, полагая, что масса вещества, адсорбированного образцом, прямо пропорциональна суммарной поверхности содержащихся в нем частиц. Чем мельче частицы, тем больше их удельная площадь поверхности.

В грунтах поверхность частиц за счет действия сил различной природы притягивает к себе молекулы воды, формируя пленку связанной влаги. Благодаря большей упорядоченности структуры свойства воды в пленке резко отличаются от свойств свободной или гравитационной воды.

Плотность составляет 1,2… 1,5 г/см³, полное замерзание наступает при температуре при очень низких температурах, а вязкость в несколько раз превышает вязкость обычной воды.

Сила притяжения пленки к поверхности частиц определяется давлением, которое достигает десятков и даже сотен МПа. По мере удаления от поверхности частиц возрастает хаотичность в расположении молекул воды, и связанная влага постепенно переходит в свободную.

Опыты показывают, многие свойства грунтов определяются количеством содержащейся в них связанной воды. В пылевато-глинистых грунтах с удельной площадью поверхности S = 50..150 м²/г при толщине пленки д = 2·10^-9 м и плотности с_w = 1,2… 1,5 г/см³ масса связанной влаги, приходящаяся на 1 г твердых частиц, составляет 0,12…0,36 г.

Природная влажность обычно изменяется от 0,15 до 0,40. В таких грунтах практически вся вода является связанной. Частицы контактируют друг с другом через вязкий слой пленочной влаги, обеспечивающий подвижные, восстанавливающиеся связи. Благодаря этому пылевато-глинистые грунты обладают пластичностью. Из-за маленьких значений удельной площади поверхности и соответственно содержания связанной влаги пески не обладают пластичностью.

Опыты показывают, что различие в содержании связанной влаги проявляется и при замораживании пылевато-глинистых грунтов и песков.

Исследования физических свойств сезоннопромерзающих грунтов оснований были проведены при строительстве 12 малоэтажных зданий на территории Республики Бурятия.

В процессе исследований устанавливались четыре характеристики мерзлых грунтов: плотность, плотность частиц, суммарную влажность, влажность за счет незамерзшей воды. Для сравнения полученных данных, влажность грунта за счет незамерзшей воды определяли калориметрическим, криоскопическим и контактным способами.

Влажность грунта за счет незамерзшей воды определялась контактным способом - путем измерения миграционного потока незамерзшей пленочной влаги из мерзлого грунта и др.

Исследование высушенного и талого образцов грунта показало, что влага будет мигрировать из влажного образца в сухой до тех пор, пока в них не произойдет выравнивание толщины пленок связанной воды. Этот процесс наблюдался и при отрицательной температуре. Незамерзшая пленочная влага перемещается из мерзлого грунта в находящийся в контакте с ним предварительно высушенный и охлажденный образец. Определив через сутки, после начала опыта влажность второго образца, определяли значение влажности грунта за счет незамерзшей воды для исследуемого грунта при заданной температуре.

Было установлено, что содержание незамерзшей воды существенно зависит от состава грунта, а значит от его удельной площади поверхности, показателей пластичности и других характеристик, связанных с дисперсностью. При устройстве оснований и фундаментов зданий на сезоннопромерзающих грунтах и при применении различных способов защиты грунтов от промерзания важным является правильное определение теплофизических свойств грунтов. Эти свойства определяют особенности процесса теплообмена в грунтах. Результаты этих исследований необходимы также для прогноза глубины промерзания и оттаивания грунтов оснований зданий.

Теплопроводность грунта - теплофизическая характеристика грунта, определяющая его способность проводить тепло и численно равная плотности теплового потока в нем при градиенте температур равном единице. Единица измерения - Вт/(м·°С), [ккал/(м·ч·°С)].

В лабораторных условиях, на образцах, отобранных из грунтов экспериментальных площадок, были исследованы связи между влажностью грунтов и коэффициентом теплопроводности.

Методы измерения теплопроводности делятся на стационарные и нестационарные в зависимости от того, остается постоянным или изменяется во время эксперимента температурное поле внутри образца.

Метод стационарного теплового режима - метод определения теплопроводности грунта по измеренному при испытании установившемуся (неизменному во времени) тепловому потоку через исследуемый образец при постоянных температурах и его противоположных поверхностях. Исследования проводились согласно ГОСТ 26263-84 «Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности мерзлых грунтов».

Теплопроводность грунтов определялась на образцах ненарушенного сложения с природной влажностью и льдистостью при естественных или расчетных температурах, значения которых устанавливаются программой испытаний.

Изучение зависимости коэффициента теплопроводности от температуры показало, что двукратный рост влажности глинистого грунта привел к увеличению коэффициента теплопроводности на 50...70 %, а при переходе из талого в мерзлое состояние величина коэффициента теплопроводности (л) увеличилась в 1,2-1,3 раза. При опытах наблюдалось плавное понижение характеристики коэффициент теплопроводности (л) при охлаждении мерзлого грунта.

В лабораторных и полевых условиях были изучены механические свойства грунтов экспериментальных площадок. Эти свойства определяют особенности поведения грунтов под нагрузкой. Механические свойства необходимы для расчета размеров фундаментов и прогноза осадки основания. Прочность грунтов - предельное сопротивление сдвигу оценивалась в соответствии с законом Кулона по значениям удельного сцепления С и угла внутреннего трения ц. Сжимаемость грунтов оценивалась по модулю деформации Е.

Исследования показывают, что за счет цементирующего действия льда, содержащегося в порах, деформационно-прочностные свойства мерзлых грунтов в десятки раз выше, чем свойства талых.

При проектировании и устройстве фундаментов малоэтажных зданий были использованы деформационно-прочностные свойства грунтов в талом состоянии, так как под подошвой промерзание обычно не допускалось. На рис. 1. показаны зависимости Модуля общей деформации исследованных мерзлых грунтов от температуры.



Рис. 1. Зависимость модуля деформации образца мерзлого грунта от температуры: 1- песок; 2 - суглинок и 3 - глина.

При исследованиях был установлен значительный рост удельного сцепления С и угла внутреннего трения ц глинистого грунта при охлаждении. Результаты исследований приведены на рис. 2.

Рис. 2.. Зависимость прочностных показателей суглинка от температуры: 1 - сцепление - С, 2 - угол внутреннего трения - ц

Опыты показали, снижение температуры мерзлого грунта в от - 2 до - 10 °С привело к увеличению значения Модуля общей деформации грунта от 3,8 до 4,5 раза. При снижении температуры грунта от 0 до - 3 °С привело к увеличению значений удельного сцепления С и угла внутреннего трения ц от 6,1 до 8,8 и от 4,1 до 5,6 раза соответственно.

Третья глава диссертации посвящена исследованию процессов промерзания грунтов в основании фундаментов малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах.

Основной задачей исследований являлось исследование факторов, влияющих на принятие конструктивных решений, и технологий производства строительных работ при возведении зданий на сезоннопромерзающих грунтах. Были проведены наблюдения за температурой грунта на экспериментальных площадках в г. Улан-Удэ. На площадке залегает мягкопластичный суглинок, растительность отсутствует, а зимой поверхность очищается от снега.

Измерения выполнялись с помощью датчиков (терморезисторов), установленных в забое трех буровых скважин на глубине 0,5; 1; 1,5 м. Самый верхний датчик был размещен на глубине 1 см от поверхности. Отметим, что кривая изменения температуры грунта следует за кривой изменения температуры воздуха с задержкой 1-2 месяца. Максимально теплым грунт становится в августе-сентябре, а наибольшее охлаждение достигается в марте-апреле. Амплитуда колебаний температуры с увеличением глубины существенно уменьшается. Так, на глубине 1,5 м она в два раза меньше, чем на глубине 0,5 м.

При выполнении опытов в скважины опускались пластмассовые обсадные трубы, обладающие низкой теплопроводностью, а в их внутреннюю полость устанавливались пористые вкладыши для предотвращения конвекции. Опыты показали наибольшую эффективность установки датчиков температуры на различной глубине в стенке одной скважины. В качестве датчиков также можно использовать термопары (медь - константан, нихром - никель) или терморезисторы.

Согласно СНиП 2.02.01 - 83* нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При использовании результатов наблюдений за фактической глубиной промерзания следует учитывать, что она должна определяться не по глубине проникания в грунт температуры 0 °С, а по температуре, характеризующей согласно ГОСТ 25100-82 переход пластичномерзлого грунта в твердомерзлый грунт.

Экспериментальные исследования были организованы с учетом практики проектирования и строительства, с учетом требований строительных норм и правил. Согласно действующим нормам, нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле

, (1)

где M_t - безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе, принимаемый по СНиП по строительной климатологии и геофизике, а при отсутствии в них данных для конкретного пункта или района строительства - по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства; d₀ - величина, принимаемая в зависимости от вида грунта, м.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания.

Значение d₀ в формуле (1) для площадок, сложенных неоднородными по глубине грунтами (при наличии нескольких слоев с различными значениями d_0i), определяется как средневзвешенное по глубине слоя сезонного промерзания.

В первом приближении рекомендуется принимать значение нормативной глубины промерзания d_fn, полученное по формуле (1), исходя из предположения, что весь сезоннопромерзающий слой сложен грунтом одного вида, имеющим коэффициент d₀₁.

Значение d₀₁, принимаемое как среднее из величин d_0i, используется для уточнения нормативной глубины промерзания d_fn и средневзвешенного значения d₀ с учетом фактической толщины каждого слоя грунта.

При определении нормативной глубины сезонного промерзания грунта по формуле (1), сумму абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур наружного воздуха следует принимать по СНиП 23-01-99*.

Для природных условий Республики Бурятия, где нормативная глубина промерзания грунта превышает 2,5 м, значение нормативной глубины промерзания определялось теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СНиП по проектированию оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах.

По формуле (1) нормативная глубина промерзания глинистого грунта экспериментальной площадки в г. Улан-Удэ составляет 2,68 м.

Экспериментальные исследования промерзания грунтов в полевых условиях выполнялись с помощью специальных приспособлений, термометров или датчиков температуры, размещаемых в одной или нескольких буровых скважинах.

Для предварительных расчетов степень пучинистости грунта определялась по значению относительной деформации морозного пучения, полученному по результатам испытаний образцов грунта в специальных установках, обеспечивающих промораживание образца исследуемого грунта в заданном температурном и влажностном режимах, и измерение перемещений его поверхности.

Испытания проводились на образцах грунта ненарушенного сложения с природной или заданной влажностью или на искусственно приготовленных образцах с заданной плотностью и влажностью, значения которых устанавливаются программой испытаний в зависимости от возможных изменений воднофизических свойств грунта в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

Испытания проводились не менее чем для трех параллельных образцов исследуемого грунта.

Значение относительной деформации морозного пучения вычислялось как среднее арифметическое результатов параллельных определений в процессе опытов.

В случае если разница между параллельными определениями превышает 30%, число определений следует увеличить.

При проведении исследований перед началом строительства зданий были организованы стационарные наблюдения за морозным пучением грунтов. Обычно они сопровождались замерами температуры. До начала сезонного промерзания на опытной площадке устанавливались марки-пучиномеры. Применялись марки с винтовыми лопастями и обсадными трубами, предотвращающими смерзание вертикальных стержней с грунтом. Пучение на заданной глубине определялись нивелировкой верхних концов марок.

На рис. 3 приведены графики пучения грунта на опытной площадке в г. Улан-Удэ зимой 2001/2002 года. При сезонном промерзании на 3,20 м подъем поверхности достиг 36,5 см, а подъём марок, установленных на глубине 1 м, 2 м и 3 м составили соответственно 20,1 см, 9,4 см и 1,9 см. Относительное пучение слоев грунта основания составили: толщиной 1м - е_fh = (36,5-20,1)/100 = 0,16, толщиной 2 м - е_fh = (36,5-9,4)/200 = 0,14 и толщиной 3 м - е_fh = (36,5-1,9)/300 = 0,12.

Рис. 3. Деформации морозного пучения грунтов экспериментальной площадки в г. Улан-Удэ

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию эффективных технологий устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах.

Как показали исследования, многие аварии и деформации малоэтажных зданий на площадках с большими значениями глубины промерзания грунтов оснований в Бурятии, во многих случаях ошибки были при проектировании оснований и в процессе производства строительно-монтажных работ.

Проектирование и выбор способа устройства оснований при строительстве экспериментальных малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах производилось с учетом природно-климатических условий Республики Бурятия.

При этом особое внимание уделялось выбору типа основания (естественное или искусственное), конструкции и размерам фундаментов обоснованному выбору комплекту машин и механизмов для устройства с учетом их механических параметров и стоимости выполняемых работ.

Выбор глубины заложения фундаментов малоэтажных производился с учетом исследуемых способов защиты грунтов основания от промерзания.

Для выбора эффективных методов защиты грунтов основания от промерзания и пучения и разработки технологий их устройства были тщательно изучены, существующие конструктивные, мелиоративные, теплоизоляционные и другие специальные мероприятия, применяемые при возведении малоэтажных зданий.

На многих объектах, где произошли неравномерные деформации фундаментов, для борьбы с промерзанием грунтов основания применялась теплоизоляция из слоя опилок, шлака, керамзитового гравия, пенопласта, специальных ковров.

Изучение причин деформаций фундаментов показало, что не была обеспечена необходимая теплоизоляция, а в ряде случаев неправильное устройство пенопласта и других теплоизоляционных материалов привело к промерзанию грунтов оснований.

На ряде объектов, которые получили деформации при неравномерных осадках оснований и фундаментов в результате промерзания грунтов, была изучена эффективность применения следующих способов для уменьшения касательных сил морозного пучения грунтов:

- обмазка боковой поверхности фундамента битумом, дегтем;

- покрытие боковой поверхности фундамента полимерными пленками;

- устройство наружной противопучинной оболочки сухого песка, гравия или щебня (при отсутствии кольматации мелкими частицами) и т.д.

На основе анализа деформаций зданий было установлено, что нарушения технологий их устройства привели к неравномерным деформациям при сезонном промерзании и оттаивании грунтов.

При исследованиях особое внимание уделялось созданию эффективных методов защиты фундаментов отапливаемых зданий от воздействия промерзания грунтов применением теплоизоляционных материалов.

При выполнении работ основными параметрами являются глубина промерзания грунта, а также конструкция и метод возведения фундамента.

При выборе изоляционного материала самой важной его характеристикой является способность не поглощать воду в условиях высокой влажности окружающей среды.

При исследованиях были изучены различные марки экструдированного пенополистирола. В результате анализа эффективности применения различных марок экструдированного пенополистирола при строительстве различных зданий в разных природно-климатических и грунтовых условиях было решено разработать способы использования экструдированного пенополистирола URSA FOAM (рис. 4).

Экструдированный пенополистирол URSA FOAM изготавливается фирмой URSA International GmbH (Германия). На российский рынок в больших объемах поставляются плиты из экструдированного пенополистирола URSA FOAM марок N-V, N-W-PZ.

Пенообразная структура экструдированного пенополистирола URSA FOAM, обеспечивающая высокие теплоизоляционные характеристики, формируется благодаря особенностям технологического процесса получения этого материала.

Плиты получают методом экструзии из композиции полистирола, красителя и повышающих прочность и снижающих горючесть наполнителей. Вспенивающим агентом при производстве плит является двуокись углерода. Пенополистирол URSA FOAM является экологически чистым материалом. Плиты имеют мелкоячеистую закрытую пористую структуру. Доля закрытых пор составляет не менее 95%.

Для придания повышенной твердости и прочности поверхность плит дополнительно уплотняется термическим способом. Боковые и торцевые грани плит образуются за счет механической обработки (резки и фрезеровки), которая обеспечивает оптимальное соединение плит при укладке на объекте.

Рис. 4. Утепление фундаментов здания плитами пенополистирола URSA FOAM: 1- наружная стена; 2- плита перекрытия; 3- фундаментные блоки; 4 - пояс усиления; 5 - плита URSA FOAM; 6 - отмостка; 7 - облицовка цоколя; 8 - облицовка; 9 - цементно-песчаная стяжка подвала; 10 - бетонная подготовка; 11- выравнивающий слой; 12 - внутренняя отделка; 13 - грунт обратной засыпки.

Имея невысокую плотность, URSA FOAM обладает действительно великолепными механическими и теплотехническими характеристиками, что во многом обеспечивается технологией его получения. Так, для пенополистирола марки N-III прочность сжатия при 10% деформации составляет 0,3 МПа (30 т/м2), а для N-V - 0,5 МПа (50 т/м2). Объемное водопоглощение у всех марок ничтожно мало - менее 0,3%. По этой причине коэффициент теплопроводности меньше, чем у других теплоизоляционных материалов, и не превышает 0,032 Вт/м°С даже при непосредственном контакте с водой.

Плотность и геометрические размеры плит, выпускаемых в форме прямоугольного параллелепипеда, указаны в табл. 1.

Таблица 1

Плотность и геометрические размеры плит, выпускаемых в форме прямоугольного параллелепипеда

Марка	Плотность номинальная, кг/м3	Длина, мм	Ширина, мм	Толщина, мм
N-III N-III-PZ	35	1250, 2500	600	30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160
N-V	40	1250, 2500	600	50,60,80,100,120,140,160
N-W N-W-PZ	35	1250, 2500	600	20

Плиты URSA FOAM не теряют своих свойств под воздействием отрицательных температур и атмосферных осадков, но не обладают устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, поэтому при складировании, транспортировке и эксплуатации требуется защита от солнечного облучения. В то же время экструдированный пенополистирол химически стоек ко многим веществам.

Как показали проведенные исследования, что основным отрицательным фактором, влияющим на долговечность возведенного фундамента, является содержание в грунте воды, которая при промерзании увеличивается в объеме, что приводит к возникновению внешних сил, разрушающих конструкцию фундамента. Кроме того, грунтовые воды химически агрессивны.

Эффективность использования плит была изучена для зданий с различной конструкцией. Исключить разрушительные процессы возможно при устройстве утепления фундамента теплоизоляцией с внешней стороны по всему периметру и в зоне отмостки, что дает сразу несколько неоспоримых преимуществ, в том числе экономических. В этом случае плиты расчетной толщины клеятся непосредственно на гидроизоляцию фундамента, а затем присыпаются непучинистым грунтом при засыпке пазуха фундамента.

Вышеуказанные работы позволяют:

- выводить пучинистые грунты из зоны промерзания, и улучшается температурно-влажностный режим грунта в пристенном слое фундамента;

- создавать вместе с теплоизоляцией механическую защиту гидроизоляции;

- создавать эффективной гидро-, морозо- и биостойкой теплоизоляции. Сокращение теплопотерь здания (15-20% тепла теряется зданием через полы и фундаменты).

- уменьшать глубину промерзания, следовательно, материалов на возведение надежного фундамента.

Специальные свойства экструдированного пенополистирола URSA FOAM позволили применять фундамент современной более эффективной конструкции. На многих экспериментальных объектах этот пенополистирол был использован в качестве несъемной опалубки при изготовлении монолитного фундамента. Это существенно снизило расход бетона, арматуры и трудозатраты на устройство фундаментов с учетом возможных неравномерных осадок и деформаций фундаментов при неравномерном промерзании грунтов основания.

Обоснованность результатов исследований были подтверждены результатами многолетних комплексных экспериментальных исследований, выполненных институтами - разработчиками строительных норм, опытом проектирования, строительства и эксплуатации зданий.

Пятая глава диссертации посвящена разработке технологии производства земляных работ при возведении малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах

Как показали проведенные исследования на площадках строительства малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах, технология земляных работ при возведении зданий имеет специфические особенности, связанные с природно-климатическими, грунтовыми условиями и т.д. При круглогодичном ведении строительных работ необходимо обратить особое внимание на каждый этап работ в технологической цепочке устройства подземных частей зданий.

Исследования, проведенные на объектах строительства малоэтажных зданий показали, что эффективность производства земляных работ зависит от правильного выбора технологии производства работ и выбора землеройных машин с учетом места расположения объекта, объема выполняемых работ, условий производства строительных работ и т.д.

На объекте грунт разрабатывается в полном объеме или частично, перемещается, укладывается, планируется, уплотняется. Выполнение всего необходимого набора работ происходит в результате осуществления комплексного технологического процесса. Этот процесс состоит из нескольких простых операций, выполняемых в определенной технологической последовательности, определяемой пространственной формой земляного сооружения, условиями производства работ, техническими и технологическими параметрами используемых землеройных и землеройно-транспортных машин.

При разработке технологий устройства подземной части малоэтажных зданий проектные материалы были разработаны с учетом использования мини-экскаваторов KOMATSU, CASE, JCB, MELROE, VOLVO, KUBOTA, GEHL.

Исследования показали, что в мини-экскаваторе удачно сочетаются хорошие маневренность и проходимость, невысокое давление на грунт, значительные глубина копания и высота выгрузки, малое время рабочего цикла, а также небольшие размеры и масса, превращающие его перевозку в заурядную транспортную операцию, не требующую большегрузных трейлеров. Отличительными особенностями современных мини-экскаваторов являются: классическая «экскаваторная» компоновка, полное функциональное подобие полноразмерным экскаваторам, гусеничная ходовая часть, рабочее оборудование «обратная лопата», поворот стрелы относительно поворотной платформы в горизонтальной плоскости.

Результаты сопоставления данных по эффективности использования мини-экскаваторов показало, что по энерговооруженности выгодно отличаются машины JCB, FIAT-HITACHI и CASE, по удельной силе копания ковшом - BOBCAT и FIAT-HITACHI, по глубине копания - PEL-JOB, по высоте разгрузки-- PEL-JOB и FIAT-HITACHI, по радиусу поворота платформы - JCB.

На экспериментальных площадках строительства малоэтажных зданий была изучена эффективность использования экскаваторов-погрузчиков отечественного и зарубежного производства. Сейчас экскаваторы-погрузчики широко применяют в строительстве, поскольку они заменяют сразу три машины - экскаватор, погрузчик и самосвал. В ковше можно перемещать инертные материалы (песок и щебень) и штучные грузы.

Наиболее популярна продукция фирмы JCB, крупнейшего в Великобритании и пятого в мире производителя строительных машин и оборудования.

Современное европейское семейство экскаваторов-погрузчиков JCB объединено буквенным индексом «CX» и включает 4 типоразмера.

У моделей 2CX, 3CX и 4CX - полноприводное шасси с одинаковыми или меньшими (3CX и 3CX Turbo) передними колесами, дисковыми маслопогруженными ступичными тормозами, гидрообъемным рулевым механизмом следящего типа, всеми управляемыми колесами (за исключением 3CX и 3CX Turbo), синхронизированными реверсируемыми коробками передач, допускающими переключение под нагрузкой, удобными и безопасными кабинами с системами ROPS/FOPS, хорошим обзором и звукоизоляцией.

Задненавесное экскаваторное оборудование - с поперечным смещением, моноблочной или телескопической рукоятью, дополнительной гидромагистралью с быстроразъемными муфтами для подключения челюстных ковшей, гидромолотов, вибротрамбовок, холодных дорожных фрез, буров и быстродействующих захватов сменных рабочих органов.

Семейство экскаваторов-погрузчиков фирмы CATERPILLAR включает в себя 6 моделей, смонтированных на полноприводном шасси с меньшими передними колесами, ступичными дисковыми маслопогруженными тормозами, гидрообъемным рулевым механизмом следящего типа, управляемыми передними (и всеми для 426C, 436C и 438C) колесами, реверсируемыми синхронизированными коробками передач и отбора мощности, допускающими переключение передач под нагрузкой, удобными и безопасными (с системой ROPS/FOPS) кабинами.

Задненавесное экскаваторное оборудование CATERPILLAR на моделях 416C, 426C, 436C и 446B не имеет возможности поперечного смещения, а на моделях 428C и 438C - с поперечным смещением.

Его отличительной особенностью является изогнутая стрела (знаменитый «банан Катерпиллера»), обеспечивающая, лучшие условия для выгрузки ковша в высокое транспортное средство или через препятствие. Машины могут оснащаться как моноблочной, так и телескопической рукоятью, быстродействующим захватом сменных рабочих органов и отдельной гидромагистралью для гидромолота, вибро-трамбовки и захвата.

Семейство экскаваторов-погрузчиков фирмы FIAT-HITACHI, объединенное буквенным индексом «FB», состоит из 4 моделей.

Помимо ковшей «обратная лопата» экскаваторы-погрузчики оборудуют рыхлителем мерзлоты. На данный момент в России экскаваторы-погрузчики выпускают десять предприятий: ООО «Златэкс» (бывш. златоустовский завод «Булат»), ФГУП «Дмитровский экскаваторный завод», ОАО «Липецкий тракторный завод», ФГУП «Омский завод транспортного машиностроения», московское ЗАО «Дормашкомплект», ПО «Интер-Дон» (Ростовская обл.), ОАО «САРЭКС» из Мордовии, Алапаевский ОАО «Завод «Стройдормаш», ОАО «Муроммашзавод» и ЗАО ФПГ «LEX».

Подавляющее большинство экскаваторов-погрузчиков, производимых в России, изготавливают на базе универсальных колесных тракторов тягового класса 1,4. Основу производственной программы большинства компаний-производителей составляют бэклодеры, выполненные на базе тракторов «Беларус-80», «Беларус-82», ЮМЗ и ЗТМ 6-й серии.

На экспериментальной площадке была изучена эффективность использования экскаватора-погрузчика ПК-301 «Муромец» выпускаемого ОАО «Муромский машиностроительный завод».

Погрузочное оборудование ПК-301 «Муромец» установлено на передней полураме и состоит из стрелы, ковша и рычажной системы для перемещения ковша и сохранения его положения при опускании или подъеме. Ковш опрокидывается по Z-образной схеме. Четыре ведущих колеса одинакового диаметра и большая сцепная масса машины позволяют развивать тяговое усилие 120 кН. «Муромец» грузоподъемностью 3,3 т с погрузочным ковшом вместимостью 1,5 м³ уверенно маневрирует на рабочих площадках с уклонами до 15°.

Экскаваторное оборудование ПК-301 установлено на задней полураме. Под действием двух гидроцилиндров поворотная каретка может поворачиваться на 180°, а также она перемещается влево-вправо по двум поперечным направляющим, на которых подвижно закреплена. Каретка не оснащена собственным приводом и перемещается боковыми усилиями, создаваемыми экскаваторным оборудованием. Благодаря такому техническому решению «Муромец» может вести работы вблизи стен строений. Длина стрелы и рукояти экскаватора обеспечивает радиус копания 5,6 м. Ковш «обратная лопата» вместимостью 0,48 м³ в сочетании с возможностью поперечного смещения оси копания позволяет с высокой эффективностью выполнять земляные работы в стесненных условиях. Экскаватор используют для котлованов под фундамент зданий.

Проведенные исследования показали эффективность применения для выполнения земляных работ объемом от 300 до 1500 м³ при возведении малоэтажных зданий, миниэкскаваторов и миниэкскаваторов-погрузчиков с объемом ковша экскаватора от 0,28 м³ до 0,48 м³ и глубиной копания от 5,3 м до 5,6 м. При этом применение экскаваторов-погрузчиков, которые выполняют функции экскаватора, бульдозера и погрузчика позволяет снизить общие расходы на оснований зданий 1,55 - 2,22 раза.

В шестой главе диссертации приведены предложения по выбору технологии устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий на сезоннопромерзающих грунтах. Исследования показывают, что возникновение и распределение по боковой поверхности фундаментов касательных сил морозного пучения явление сложное. Прочность смерзания, следовательно, и касательные силы пучения грунта с различными материалами фундамента зависят от: вида грунта, его влажности и плотности, величины отрицательной температуры, интенсивности пучения и глубины промерзания, состояния поверхности фундамента и ряда других факторов. Установлено, что величина удельных касательных сил пучения может увеличиваться до 1,5 раз и более в зависимости от вида материала и состояния поверхности фундамента. Суммарная касательная сила морозного пучения существенно зависит от размеров поперечного сечения фундамента и площади боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах пучащегося слоя расчетной глубины сезонного промерзания.

При промерзании грунта основания ниже подошвы фундамента возникают значительные нормальные силы морозного пучения под подошвой фундамента.

При формировании нормальных сил морозного пучения имеют место два встречных процесса: с одной стороны, с увеличением толщины мерзлого слоя увеличиваются нормальные силы пучения, что связано с напряженным состоянием, с другой стороны, эти силы создают препятствующее их росту напряженно-деформированное состояние подстилающего талого грунта. Взаимодействие этих процессов в конечном итоге и определяет зависимость удельных нормальных сил морозного пучения от формы и размеров подошвы фундамента. С ростом толщины слоя мерзлого грунта влияние ширины подошвы ленточных и площади подошвы столбчатых фундаментов увеличивается.

Исследования показали, что нормальные силы морозного пучения резко увеличиваются с увеличением плотности грунта, степени влажности и скорости промерзания. При постоянной скорости пучения грунта удельные нормальные силы морозного пучения пропорциональны подъему ненагруженного основания и зависят от отношения ширины подошвы фундамента к толщине слоя мерзлого грунта под ним, а для столбчатых фундаментов - также от площади подошвы.

Все земляные работы при устройстве оснований и фундаментов зданий с фундаментами с различной глубиной заложения производятся с учетом требований СНиП 3.02.01-87 - «Строительные нормы и правила. Земляные сооружения, основания и фундаменты». Кроме этого при производстве земляных работ, устройстве оснований и фундаментов следует соблюдать требования СНиП по организации строительного производства, геодезическим работам, технике безопасности, #M12291 9012376правила пожарной безопасности#S при производстве строительно-монтажных работ. Особое внимание к качеству работ предъявляется при #G0разработке выемок и вертикальной планировке. Размеры выемок, принимаемые в проекте, должны обеспечивать размещение конструкций и механизированное производство работ по монтажу фундаментов, устройству изоляции и других работ, выполняемых в выемке.

При производстве работ по уплотнению грунтов оснований подвальных зданий и при устройстве сплошных фундаментов на экспериментальных площадках проекты включали:

- исходные и требуемые значения показателей качества уплотнения (плотность сухого грунта или коэффициент уплотнения), величин понижения поверхности, физико-механические характеристики отсыпаемого грунта;

- план и размеры котлована с размерами уплотняемой площадки и контурами фундаментов, указания о необходимой глубине уплотнения, оптимальной влажности грунта, выборе типа грунтоуплотняющего механизма, необходимого числа ударов трамбовками или числа проходов уплотняющей машины по одному следу, величине понижения трамбуемой поверхности;

При строительстве малоэтажных зданий на площадках с пучинистыми грунтами, малозаглубленные ленточные фундаменты можно возводить на подушке из непучинистого материала (песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень и др.), устраиваемой в готовых траншеях. При устройстве подушки непучинистый материал отсыпается слоями толщиной не более 20 см и уплотняется катками, площадочными вибраторами или другими механизмами до плотности с_d ? 1,6 т/м³.

При устройстве грунтовых подушек опытное уплотнение производилось при трех вариантах: числе проходов катка 6, 8 и 10 или ударов трамбовки (проходов трамбующей машины) по одному следу - 8, 10 и 12. Уплотнение производится для всех разновидностей применяемых грунтов не менее чем при трех значениях их влажности, равных 1,2 W_p; 1,0 W_p и 0,8 W_p (W_p - влажность на границе раскатывания).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования позволили обосновать и экспериментально установить технологические регламенты, комплекты машин, механизмов и оборудования, обеспечивающие качественное устройство оснований и фундаментов малоэтажных зданий, возводимых на сезоннопромерзающих грунтах. Получены количественные значения ряда технологических параметров при выполнении земляных работ и работ по теплоизоляции грунтов оснований для защиты от промерзания.

2. Технология устройства оснований и фундаментов малоэтажных зданий на пучинистых при промерзании грунтах зависит от конструктивных особенностей зданий, физико-механических характеристик грунтов оснований, глубины расположения уровня подземных вод. При этом важным является обеспечение эффективности земляных и строительно-монтажных работ с учетом применяемых мероприятий, обеспечивающих защиту грунтов оснований от промерзания и исключающих неравномерные деформации фундаментов при сезонном промерзании и оттаивании грунтов оснований.

3. Применение плит пенополистирола URSA FOAM для защиты грунтов оснований малоэтажных зданий от промерзания позволяет:

- выводить грунты основания из зоны промерзания и улучшить температурно-влажностный режим грунтов в пристенном слое фундамента;

- создавать вместе с теплоизоляцией механическую защиту гидроизоляции поверхностей фундаментов;

- создавать эффективной гидро-, морозо- и биостойкой теплоизоляции;

- уменьшать глубину промерзания грунтов основания, следовательно, глубины заложения фундамента малоэтажного здания.

4. Наблюдения, проведенные на экспериментальных площадках, на территории Республики Бурятия показали, что за один зимний период высота поднятия грунта может достигать 45-52 см, а малонагруженного фундамента - до 40 см и более. В связи с тем, что деформации пучения грунта неравномерны, происходит неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается, в результате чего конструкции зданий претерпевают недопустимые деформации и разрушаются.

5. Проведенные исследования показали эффективность применения для выполнения земляных работ объемом от 300 до 1500 м³ при возведении малоэтажных зданий, миниэкскаваторов и миниэкскаваторов-погрузчиков с объемом ковша экскаватора от 0,28 м³ до 0,48 м³ и глубиной копания от 5,3 м до 5,6 м. При этом применение экскаваторов-погрузчиков, которые функции экскаватора, бульдозера и погрузчика позволяет снизить общие расходы на оснований зданий 1,55 - 2,22 раза.

6. При строительстве малоэтажных зданий на площадках с пучинистыми грунтами, малозаглубленные ленточные фундаменты можно возводить на подушке из непучинистого материала (песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень и др.), устраиваемой в готовых траншеях. При устройстве подушки непучинистый материал отсыпается слоями толщиной не более 20 см и уплотняется катками, площадочными вибраторами или другими механизмами до плотности сухого грунта с_d ? 1,6 т/м³. Опытное уплотнение должно производиться при трех вариантах: числе проходов катка 6, 8 и 10 или ударов трамбовки (проходов трамбующей машины) по одному следу - 8, 10 и 12, при трех значениях их влажности, равных 1,2 W_p; 1,0 W_p и 0,8 W_p (W_p - влажность на границе раскатывания).

...