СЕЙСМОСТОЙКАЯ ГЛИНОБИТНАЯ (ПАХСОАЯ) СТЕНА САНИИОСП

Стена глинобитная (пахсовая) сейсмостойкая, включающая послойно (поярусно) уложенные элементы стены из глинистого грунта или смеси грунта с вяжущим и горизонтальную, а при необходимости и вертикальную, плоскую арматурную сетку (стержни) из материала, более высокопрочного по сравнению с глинистым грунтом, например из стали, в которой арматура размещена в слое твердеющего материала, например цементно-песчаного раствора или мелкозернистого бетона, причем твердеющий материал более прочен, чем глинистый грунт, и менее прочен, чем материал арматуры. Толщина слоя твердеющего материала составляет от 20 до 60 мм, причем толщина от 25 до 30 мм является наиболее оптимальной, а прочность твердеющего материала на сжатие составляет не менее 9,8 МПа.
Стена при условии сейсмичности строительной площадки с балльностью от 7,0 до 8,0 армирована только горизонтально, а при балльности 8,5 и более горизонтальная арматура дополнена вертикальной арматурой. При условии же сейсмичности строительной площадки с балльностью от 8,0 до 8,5, в зависимости от конструктивной схемы и этажности здания, стена армирована либо только горизонтально, либо дополнительно вертикальной арматурой. В стене, в которой соотношение длины простенков, включая угловые простенки, к их высоте составляет не менее 1,1, уложена только горизонтальная арматура.
Первый слой горизонтальной арматуры размещен на уровне низа оконных проемов, последующие же слои размещены через 400–600 мм по высоте простенков, включая угловые простенки, и далее — на уровне низа и верха дверных (оконных) перемычек. Горизонтально армированный слой на уровне верха дверных (оконных) перемычек устроен как антисейсмический пояс толщиной 40–100 мм.
В стене в качестве твердеющего материала использован цементно-песчаный раствор или мелкозернистый бетон, содержащий пластификатор, например глину, либо известково-песчаный раствор, или же известково-грунтовая смесь.

Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкции стен малоэтажных зданий в сейсмических районах.
В индивидуальном строительстве, как экономичная и оптимальная для условий климата Центральной Азии, испокон веков известна стена глинобитная (называемая пахсовой), возводимая традиционным ярусным способом из нескольких слоев (4–5) предварительно замешанного водой и выдержанного (битого сырцового) глинистого грунта [1, 2]. Недостатком таких стен является их недостаточная сейсмостойкость для сейсмических зон с балльностью 7 и более [3]. Некоторое, но недостаточное повышение сейсмостойкости зданий достигается добавлением в глинистый грунт вяжущего [2].
Известна также в Центральной Азии, преимущественно в долинных районах, каркасная стена, возведенная из тонких стволов дерева и глинистых элементов «кулух» или «кулула» (напоминающих по форме эллипсоид вращения) либо сырцового кирпича [1, 2]. Недостатком этой стены является то, что при землетрясении глинистые элементы обычно выпадают из достаточно надежного сейсмостойкого деревянного каркаса, т. е. они выполняют лишь роль заполнителя, а их несущая способность не используется [3].
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемой является стена, предложенная в 1988–1993 годах Государственным проектным институтом (ГПИ) «Таджикгипросельстрой» [4], предусматривающая горизонтальное армирование из стальных прямоугольных сеток через каждые 600 мм по высоте стены, к которым крепятся стальные прямоугольные сетки вертикального армирования. Недостатком этого конструктивного решения является недостаточно полная совместная работа материала стены и материала армирования в связи с очень большой разницей их прочности и коэффициентов температурного расширения. Не устраняет этот недостаток также дополнение горизонтального и вертикального армирования стены армированием штукатурки стен с двух сторон, предложенное «Таджикгипросельстроем». К тому же последнее требует повышенного расхода дефицитной стали. Не всегда целесообразно и сочетание горизонтального армирования с вертикальным. Кроме того, стальная арматура в теле глинистого грунта подвержена коррозии.
Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и повышение сейсмостойкости малоэтажных зданий, возведенных из сырцового глинистого грунта либо смеси глинистого грунта с вяжущим, за счет включения в работу материала стены с одновременным снижением затрат, в особенности для индивидуальных застройщиков.
Поставленная цель достигается путем возведения глинобитной (пахсовой) сейсмостойкой стены, включающей послойно (поярусно) уложенные элементы стены из глинистого грунта или смеси грунта с вяжущим и горизонтальную, а при необходимости и вертикальную, плоскую арматурную сетку (стержни) из высокопрочного по сравнению с глинистым грунтом материала, например из стали, в которой как горизонтальная, так и вертикальная арматура размещена в слое твердеющего материала, например цементно-песчаного раствора или мелкозернистого бетона, причем твердеющий материал более прочен, чем глинистый грунт, и менее прочен, чем высокопрочный материал арматуры. Толщина слоя твердеющего материала составляет от 20 до 60 мм, причем толщина от 25 до 30 мм является наиболее оптимальной, а прочность твердеющего материала на сжатие составляет не менее 9,8 МПа.
Стена при условии сейсмичности строительной площадки с балльностью от 7,0 до 8,0 армирована только горизонтально, а при балльности 8,5 и более горизонтальная арматура дополнена вертикальной арматурой. При условии же сейсмичности строительной площадки с балльностью от 8,0 до 8,5, в зависимости от конструктивной схемы и этажности здания, стена армирована либо только горизонтально, либо дополнительно вертикальной арматурой. В стене, в которой соотношение длины простенков, включая угловые простенки, к их высоте составляет не менее 1,1, уложена только горизонтальная арматура.
Первый слой горизонтальной арматуры размещен на уровне низа оконных проемов, последующие же слои размещены через 400–600 мм по высоте простенков, включая угловые простенки, и далее — на уровне низа и верха дверных (оконных) перемычек. При условии сейсмичности строительной площадки 8,5 баллов и более размещен дополнительный слой горизонтальной арматуры на высоте 400–600 мм от уровня цоколя между верхом цоколя и низом оконных проемов. Горизонтально армированный слой на уровне верха дверных (оконных) перемычек устроен как антисейсмический пояс толщиной 40–100 мм.
В стене в качестве материала для армирования может быть использована плоская сетка из искусственных волокон, например стекловолокна, пластмасс, капрона, нейлона и т. п.
В стене в качестве твердеющего материала использован цементно-песчаный раствор или мелкозернистый бетон либо известково-песчаный раствор, содержащий пластификатор, например глину, а также известково-грунтовая смесь (с содержанием извести в грунте до 10 % по массе). В стене, где использована известково-грунтовая смесь, применена металлическая арматура, покрытая слоем цементного молока.
Вертикальные и горизонтальные сетки (стержни) арматуры в местах их пересечения соединены между собой на торцах стены или простенков путем крепления выпусков горизонтальной арматуры, а на уровне верха дверных (оконных) проемов, низа оконных проемов и верха цоколя — путем крепления выпусков вертикальной арматуры либо применения дополнительных вертикальных соединительных элементов, например стержней арматуры, огибающих дверные (оконные) перемычки.
Стена включает плоскую вертикальную арматурную сетку, скрепленную с горизонтальной арматурой и замоноличенную слоем твердеющего материала после стабилизации усадки материала стены (глинистого грунта, пахсы).
Новизна предложенного изобретения обусловлена отсутствием его применения в государствах Центральной Азии — странах СНГ, где широко распространено строительство грунтонабивных стен (пахсы), а также отсутствием такого или подобного решения в опубликованных источниках.
Промышленная применимость предложенного изобретения очевидна, так как устройство стены требует использования известных материалов, оборудования, инструментов и строительных технологий.
Изобретательский уровень предложенного изобретения обусловлен существенным повышением сейсмостойкости зданий, возведенных из таких стен, за счет размещения горизонтальной (а при необходимости и вертикальной) арматуры в слоях незначительной толщины из твердеющего материала, способствующего перераспределению напряжений между арматурой, твердеющим материалом и ярусами стены из глинобитного материала, а также за счет более полного использования несущей способности глинобитного материала стены.
Предлагаемое в качестве изобретения решение поясняется чертежом.
На фиг. 1 показан цоколь (1), на котором возведена стена, послойно (поярусно) уложенная из глинистого грунта (2) и завершенная перемычкой (3) дверных (4) и оконных (5) проемов. Между дверными и оконными проемами и торцами стен образуются простенки (6) высотой hпрос и длиной lпрос. Между слоями (ярусами) стены размещена горизонтальная арматура (7) в слое твердеющего материала (8).

На фиг. 2 показана стена, в которой горизонтальное армирование дополнено вертикальным армированием (9) в слое твердеющего материала (10). Кроме того, на фиг. 2 показана дополнительно размещенная на высоте 400–600 мм от верха цоколя арматура в слое твердеющего материала между верхом цоколя и низом оконных проемов (11), а также горизонтально армированный слой на уровне верха дверных (оконных) перемычек (12), устроенный как антисейсмический пояс толщиной 40–100 мм.
На фиг. 3 показан разрез части стены, иллюстрирующий расположение арматуры (7) в слое твердеющего материала (8) между слоями (ярусами) стены из глинистого грунта (2).
На фигурах 4–6 показаны соединения вертикальных и горизонтальных сеток (стержней) арматуры, уложенных в слое твердеющего материала, между собой. На фиг. 4 показано соединение на торцах стены или простенков путем крепления выпусков горизонтальной арматуры к вертикальной арматуре; на фиг. 5 — вариант крепления вертикальной арматуры с горизонтальной арматурой перемычек дверных (оконных) проемов посредством дополнительных соединительных элементов (13) (огибающих перемычку стержней арматуры); на фиг. 6 — то же на уровне низа оконных проемов.
На фиг. 4 также показан вариант устройства на торцах простенков (между горизонтально армированными слоями из твердеющего материала) углублений, заполненных твердеющим материалом, типа клина (14), острие которого расположено горизонтально и направлено вглубь простенка.
Предлагаемая стена работает следующим образом.
При действии вертикальных статических и динамических нагрузок работа стены, армированной только горизонтально, не отличается от работы неармированной стены.
При воздействии горизонтальных сейсмических нагрузок возникающие в стене напряжения перераспределяются между материалом арматуры, материалом твердеющего слоя и материалом яруса стены пропорционально их жесткости, то есть воспринимаются в основном армированным слоем. При этом обеспечивается более полное использование несущей способности каждого из перечисленных материалов стены, что повышает несущую способность предлагаемой стены по сравнению с прототипом, поскольку существенно сглаживается скачкообразный переход от очень высоких напряжений, возникающих в материале арматуры, к весьма низким напряжениям, возникающим в теле ярусов из глинистого грунта (пахсы). Кроме того, при использовании стальной арматуры исключается ее коррозия. Исследования показывают, что это объясняется тем, что укладка арматуры в слое твердеющего материала, в отличие от прототипа, резко повышает жесткость армирующего элемента стены и тем самым способствует снятию значительной части напряжений, возникающих при землетрясениях, с глинистого материала стены и их передаче на арматуру и окружающий ее твердеющий слой. Такие стены выдерживают нагрузки, возникающие при землетрясениях до 8,5 баллов включительно.

Усиление стены за счет дополнения горизонтального армирования вертикальным способствует восприятию дополнительно возникающих напряжений вертикальной арматурой и сохранению глинобитного элемента от разрушения, что позволяет возводить не только одноэтажные, но и двухэтажные здания, а также повысить несущую способность здания при воздействии сейсмических сил во время землетрясений интенсивностью от 7 до 9 баллов и более.
Исследованиями установлено, что толщина твердеющего слоя составляет от 20 до 60 мм. Дальнейшее увеличение толщины снижает экономичность и теплоудерживающую способность таких стен. При толщине менее 20 мм твердеющий слой не выполняет возлагаемую на него функцию и не обеспечивает защиту арматуры от коррозии. Опытным путем установлено, что сейсмостойкость таких стен повышается, если соблюдается условие, при котором соотношение длины простенка между проемами в стене к высоте простенка составляет не менее 1,1. Это условие относится и к угловым простенкам. При этом до величины сейсмичности строительной площадки 8,5 баллов отпадает необходимость вертикального армирования.
Также опытами установлено, что максимальная высота элемента (яруса) стены из глинистого грунта, располагаемого между слоями твердеющего материала на уровне оконных проемов, составляет 600 мм. Дальнейшее увеличение высоты яруса ведет к возникновению напряжений, превышающих несущую способность материала стены. Уменьшение высоты яруса стены менее 400 мм снижает эффективность применения глинистого грунта для ограждающей конструкции. Это же условие должно соблюдаться и для уровня ниже оконных проемов при сейсмичности строительной площадки 8,5 баллов и более.
Для обеспечения сейсмостойкости здания обязательным условием является горизонтальное армирование стены в слое твердеющего материала на уровне низа и верха дверных (оконных) перемычек, причем армированный слой на уровне верха перемычек устраивается как антисейсмический пояс толщиной 40–100 мм. При толщине последнего менее 40 мм функции антисейсмического пояса резко ослабляются, а толщина более 100 мм является излишней и неэкономичной.
В качестве материала для армирования используются обычно стальные сетки и стержни. Однако именно укладка арматуры в слое твердеющего материала позволяет расширить перечень применяемых материалов и использовать в качестве арматуры искусственные материалы, такие как стекловолокно, нейлон, капрон, нити из конструкционных пластмасс. Без твердеющего слоя использование этих материалов в качестве арматуры весьма проблематично.
В качестве твердеющего материала используются наиболее распространенные строительные материалы: цементно-песчаный раствор, мелкозернистый бетон, известково-песчаный раствор и т. п., желательно с пределом прочности не менее 9,8 МПа. При этом эффективность их использования возрастает, если в эти растворы (бетоны) добавить пластификаторы, например различные виды глины, которые позволяют повысить удобоукладываемость и качество материала и одновременно обеспечить экономию более дорогих вяжущих, таких как цемент и известь.
Дополнительная экономия более дорогих вяжущих достигается, если в качестве материала твердеющего слоя использовать известково-грунтовую смесь с содержанием извести в грунте до 10 % по массе, что существенно меньше, чем содержание цемента в цементно-песчаном растворе или мелкозернистом бетоне (20–30 %) и извести в известково-песчаном растворе (15–25 %). Несмотря на низкое содержание вяжущего, известково-грунтовая смесь по прочности не уступает цементно-песчаному раствору, однако расчетная прочность достигается не на 28-е сутки от начала схватывания, а через несколько месяцев, что сопоставимо со сроками возведения зданий.
При использовании в качестве арматуры стальных материалов, а в качестве материала твердеющего слоя — известково-грунтовой смеси, возникающая проблема возможной коррозии арматуры устраняется покрытием арматуры слоем цементного молока, например путем погружения арматуры в цементное молоко.
При необходимости горизонтального и вертикального армирования стены достижение эффективности ее работы за счет обеспечения совместной работы всей арматуры очевидно.
В предлагаемом изобретении совместная работа стены со всей арматурой обеспечивается креплением вертикальной и горизонтальной арматуры друг к другу. Показанные на фигурах 4–6 варианты крепления наиболее просты и в то же время обеспечивают требуемую технологичность возведения стены и надежность ее работы при сейсмических воздействиях.
Устройство на торцах простенков углублений между горизонтально армированными слоями из твердеющего материала, заполненных твердеющим материалом, например в виде клина, острие которого расположено горизонтально и направлено вглубь простенка, повышает степень вовлечения простенков в работу.
Наличие вертикально армированных частей стены, заполненных твердеющим материалом после стабилизации усадки материала стены (глинистого грунта, пахсы), предупреждает возникновение дополнительных напряжений в материале стены и, соответственно, повышает сейсмостойкость здания в целом.

1. Писарчик А.К. Народная архитектура Самарканда XIX-XX в/в. - Душанбе; Дониш, 1974. - 240с.
2. Тер-Осипьянц Р.Г., Синельников И.Ю., Джаббаров О.С. Конструкции жилых и общественных зданий в Средней Азии - Ташкент; 1985. - 170с.
3. Синельников И.Ю. Анализ повреждаемости глиносырцовых жилых домов в Ленинабадской области при землетрясении 13 октября 1985 г. “Строительство и архитектура Узбекистана “ - 1987, №10. - 25с.
4. Одноэтажный одноквартирный жилой дом с трехкомнатной квартирой для индивидуальных застройщиков (с глинобитными стенами, усиленным сетчатым армированием) для зоны с сейсмичностью 9 баллов. Проект многократного применения. - ГПИ “Таджикгипросельстрой” - 1993.