ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. Часть I

Развитие аварийной ситуации для здания детского сада (г. Чита), возникшей в результате оттаивания линзы многолетней мерзлоты

Возведение зданий и сооружений в условиях распространения вечномерзлых грунтов, в частности устройство оснований и фундаментов, -имеет ряд существенных особенностей, без учета которых в надземных конструкциях неизбежно возникают недопустимые деформации, происходят повреждения сооружений и даже разрушение последних.

Вечномерзлыми называют грунты, находящиеся в мерзлом состоянии (имеют отрицательную температуру и лед в своем составе) в течение трех лет и более. Вечномерзлые грунты представляют собой ярко выраженные структурно-неустойчивые грунты, так как при их оттаивании происходят просадки в результате нарушения природной структуры. При промерзании оттаявшего грунта возможно его пучение.

Вечномерзлые грунты, залегающие на глубине от 0,5 до 4,5 м и имеющие толщу мощностью от нескольких метров до 1,5 км распространены на значительной части территории России.


 

Основания и фундаменты сооружений, возводимых на указанных территориях, следует проектировать на основе данных специальных инженерно-геокриологических (инженерно-геологических, мерзлотных и гидрогеологических) изысканий и исследований с учетом конструктивных и технологических особенностей проектируемых объектов, их теплового и механического взаимодействия с вечномерзлыми грунтами оснований и процессов, протекающих в слое сезонного оттаивания. Поэтому обеспечение прочности и надежности сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов является весьма сложной проблемой.

Оттаивание и промерзание грунта, как правило, происходит ежегодно в слое сезонного оттаивания или промерзания (деятельном слое), находящемся в верхней зоне основания над толщей вечномерзлых грунтов.

Проектирование фундаментов, устраиваемых в районах распространения вечномерзлых грунтов, является очень сложной задачей, правильное решение которой возможно только с учетом процессов, происходящих в деятельном слое и слое вечномерзлого грунта. Неправильный учет этих процессов и характера их протекания часто приводит к недопустимым деформациям зданий и сооружений, а в некоторых случаях служит причиной их полного разрушения.

Процессы, происходящие в слое сезонного промерзания и оттаивания, а также в слое вечномерзлого грунта. В деятельном слое грунта, оттаивающем и промерзающем в результате ежегодного изменения климатических условий, происходят следующие процессы:

1. Колебания температуры в пределах толщины деятельного слоя и слоя вечномерзлого грунта, которые фиксируются в результате систематического измерения на определенных глубинах в скважинах. Наибольшим колебаниям подвержен верхний слой, с глубиной они уменьшаются и ниже некоторой границы температура практически не меняется. Эту границу называют границей нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры.

2. Промерзание и оттаивание грунтов, залегающих выше границы оттаивания. Если в результате промерзания деятельный слой сливается с вечномерзлым грунтом, то промерзание происходит одновременно снизу и сверху, если нет, то промерзание происходит сверху вниз и имеется слой непромерзшего грунта, располагаемого между вечномерзлым грунтом и замерзшим грунтом верхнего деятельного слоя. Оттаивание происходит всегда сверху вниз.

 

Рис. 1. Схемы вечномерзлого грунта и деятельного слоя: 1 — деятельный слой; 2 — граница оттаивания; 3 — слой вечномерзлого грунта; 4 — граница нулевых амплитуд сезонных колебаний температуры; 5 — промерзший слой грунта; 6 — непро-мерзший водоносный слой грунта; 7 — грунтовая наледь; 8 — направление движения подземных вод по склону
Рис. 2. Схемы регулирования процесса оттаивания под зданием: 1 — вечномералый грунт; 2 — верхняя граница вечиомерэлого грунта; 3 — то же, в промежуточном состоянии; 4 — оттаявший грунт; S — обогревающий трубопровод; 6 — консоль

3. Морозное пучение грунта происходит во влажных пылевато-глинистых грунтах и пылеватых песках в результате промерзания, которое связано с увеличением, объема воды при замерзании и перемещением воды к фронту промерзания из нижних горизонтов. В случае сливающегося деятельного слоя пучение незначительно и не превышает 3% от толщины деятельного слоя. Пучение может быть значительным и приводить к выпучиванию фундаментов, недостаточно заделанных в вечномерзлом грунте, если грунт не промерзает до границы слоя вечномерзлых грунтов и происходит миграция надмерзлотных вод в зону промерзания.

4. Образование грунтовых наледей происходит при уклоне местности, когда надмерзлотные воды, перемещаясь вниз по склону, начинают скапливаться между промерзшим слоем и слоем вечномерзлого грунта, увеличивая тем самым давление в слое оттаявшего грунта, в результате чего может произойти разрыв промерзшего слоя с последующим вытеканием воды через трещину и образованием грунтовой наледи.

5. Образование морозобойных трещин в результате уменьшения объема при понижении температуры. Уменьшение объема приводит к опусканию поверхности грунта и появлению горизонтальных растягивающих усилий, развитию которых способствует выгиб промерзшего слоя вследствие более низких температур у поверхности по сравнению с нижней зоной промерзания, что вызывает более сильное сжатие поверхности грунта при меньшем его значении у нижней границы зоны промерзания. Развитию выгиба грунта препятствует момент от его собственного веса. Морозобойные трещины оказывают вредное воздействие на подземные коммуникации (трубопроводы, силовые кабели и др.).

6. Солифлюкция или медленное сползание грунта по склонам, при наличии пучинистых грунтов происходит в результате смещения частиц вверх при развитии пучения при промерзании и вниз — при оттаивании под действием собственного веса.

7. Поверхностные оползни в результате увлажнения грунта при оттаивании, его сдвиге и сползании по слою вечномерзлого грунта.

Рис. 3. Схемы устройства фундаментов для сохранения в основании вечномерзлого состояния грунтов: 1 — граница слоя вечномерзлого грунта; 2 — деятельный слой; 3 — насыпной грунт; 4 — теплоизоляция; 5 — вечномерзлый грунт; 6 — вентилируемое подполье; 7 — неотапливаемый первый этаж; 8 — сваи; 9 — вентиляционные каналы, охлаждающие грунт; 10 — замораживающие колонки

Одновременно с перечисленными выше явлениями, происходящими в деятельном слое грунта, следует учитывать и процессы, протекающие в подстилающем слое вечномерзлых грунтов:

1. Колебания температуры в результате ежегодного изменения от точки, соответствующей началу замерзания (в летний период), до некоторого отрицательного значения (в зимний период), происходящих в верхней зоне слоя вечномерзлого грунта при сливающемся деятельном слое.

2. Образование морозобойных трещин и клиньев льда. Морозобойные трещины, образовавшиеся в результате колебаний температуры в деятельном слое грунта, продолжаются и в вечномерзлом, однако их ширина раскрытия здесь значительно меньше, тем не менее они приводят к образованию и росту клиньев льда. В весенний период времени вода по морозобойным трещинам, попадая в вечномерзлый грунт, замерзает, превращаясь в лед. Известно, что морозобойные трещины образуются, как правило, в одном и том же месте, в связи с этим ежегодно в грунте поступает некоторое количество влаги, превращающейся в клинья льда.

3. Возникновение термокарстовых просадок в результате интенсивного таяния вечномерзлого грунта вместе с имеющимися в нем включениями льда, в том числе и клиньев льда, обусловленного даже незначительным проникновением тепла в грунт. Это приводит к значительным просадкам часто на несколько метров, а отсутствие стока воды на данном участке территории вызывает образование термокарстового озера, способствующего еще большему протаива-нию грунта.

4. Увеличение глубины оттаивания грунтов вследствие увеличивающейся застройки городской территории, приводящей к росту просадок поверхности грунта из-за изменения температурного режима и выделения дополнительного тепла в результате бытовой н производственной деятельности людей.
Следовательно, в пределах деятельного слоя и слоя вечномерзлых грунтов одновременно протекает много процессов, комплексный учет которых необходим при строительстве в районах распространения вечномерзлых грунтов.

Процессы, происходящие в слое сезонного оттаивания и в вечномерзлых грунтах

При проектировании оснований и фундаментов необходимо учитывать влияние на устойчивость и эксплуатационную надежность сооружений физико-механических процессов, происходящих в слоях сезонного промерзания-оттаивания и вечномерзлого грунта. К таким процессам относятся колебания температурного поля толщи грунтов, промерзание и оттаивание грунтов деятельного слоя; морозное пучение и миграция влаги в промерзающих грунтах; перемещение влаги под действием гидравлического градиента и возникновение бугров пучения и наледей; образование моро-зобойных трещин, ледяных и земляных жил; сползание оттаивающего грунта по склонам (солифлюкция и поверхностные оползни). При вытаивании подземных льдов происходит подземный термокарст, характеризующийся понижением рельефа (просадкой), образованием термокарстовых озер и т. д. Гидрогеологические условия площадки строительства определяются режимом надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных подземных вод.

Нормативная глубина сезонного оттаивания dih п и промерзания dfn устанавливается по данным натурных наблюдений или определяется расчетом. Промерзание в пределах деятельного слоя влажных глинистых грунтов, пылеватых и мелких песков, как правило, сопровождается миграцией влаги из талых подстилающих слоев грунта к границе промерзания и морозным пучением. Под морозным пучением понимают увеличение объема промерзшего грунта вследствие объемного расширения воды при переходе ее в лед, как первоначально находящейся в порах, так и мигрирующей в зону промерзания. Взаимодействие грунта, испытывающего морозное пучение, с фундаментами и другими подземными конструкциями сооружений приводит к воздействию на последние сил морозного пучения: касательных Хр к нормальных р.


Рис. 4. Схема морозного пучения грунта и воздействия сил морозного пучения на фундамент при несливающемся деятельном слое: г — удельная касательная сила морозного пучения; — удельная нормальная сила пучения (или удельное нормальное давление морозного пучения грунта); ff-величина пучения грунта при ненагруженной поверхности; ff — то же при нагруженной поверхности основания местной нагрузкой; d- глубина заложения фундамента; df— глубина промерзания; г — расстояние от границы промерзания до уровня подземных вод

Интенсивность морозного пучения грунтов оценивается коэффициентом морозного пучения zf — относительной деформацией грунта при промерзании на глубину hf. Указанные характеристики, как правило, должны устанавливаться на основе опытных данных с учетом возможного изменения гидрогеологических условий.

При отсутствии опытных данных, получение которых связано с большими трудностями, допускается определять их значение по физическим характеристикам грунтов.

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований

Основания и фундаменты сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах, проектируют по результатам специальных инженерно-геокриологических изысканий и исследований с учетом конструктивных и технологических особенностей объектов строительства и их теплового и механического взаимодействия с основаниями. Отличительной особенностью проектирования сооружений в рассматриваемых условиях является необходимость выполнения теплотехнических расчетов по определению расчетных температур грунта в основании, глубины сезонного промерзания и оттаивания, размеров чаши протаивания грунтов в основании сооружений, температурного режима вентилируемого подполья и др.

При строительстве на вечномерзлых грунтах применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений:

• принцип I — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

• принцип II — вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала строительства или с допущением оттаивания в период эксплуатации сооружения).

При выборе принципа анализируются данные инженерно-геокриологических изысканий и в необходимых случаях производится расчет глубины чаши протаивания и возможных при этом деформаций основания.

Принцип I применяется в тех случаях, когда расчетные деформации основания при его оттаивании превышают предельно допустимые, а улучшение строительных свойств оттаиваемых грунтов или использование конструктивных мероприятий невозможно или экономически неэффективно. Этот принцип рекомендуется, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и его можно сохранять при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. При пластично-мерзлых грунтах, как правило, в проектах необходимо предусматривать мероприятия по понижению температуры грунта до расчетных значений.

Принцип II применяется при наличии в основании скальных или других грунтов, деформации которых при оттаивании не превышают предельно допустимых значений для проектируемого сооружения. В зонах островного распространения вечномерзлых высокотемпературных грунтов применение принципа II может оказаться неизбежным. В пределах застраиваемой территории, как правило, необходимо предусматривать один принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований.

Применение двух принципов допускается как исключение на обособленных по рельефу и другим природным условиям участках или в других случаях, если проектом будут обоснованы специальные меры по обеспечению расчетного температурного режима грунтов в основании сооружений, возводимых по принципу I.

Для сохранения мерзлого состояния грунтов основания и обеспечения их расчетного температурного режима в проектах сооружений разрабатывают различные мероприятия:

1) устройство холодных (вентилируемых) подполий или холодных первых этажей зданий;

2) укладка в основании сооружения охлаждающих труб, каналов или применение вентилируемых фундаментов;

3) установка сезонно действующих охлаждающих устройств жидкостного или парожидкостного типов;

4) устройство подсыпок (в качестве оснований) из дренирующих материалов;

5) укладка теплоизоляционных материалов под полом здания.

Рис. 5.. Схемы устройств для сохранения в основании сооружений вечномерз-лого состояния грунтов: 1 — вечномерзлый грунт; 2 — верхняя граница вечно-мерзлого грунта; 3 — уровень планировки; 4 — подсыпка из дренирующего материала; 5-теплоизоляция; б-вентилируемоеподполье, 7-неотапливаемый этаж; 8 — вентиляционные охлаждающие трубы; 9 — система искусственного замораживания (охлаждения); 10 — перекрытие трубы; II — пол по грунту; 12 — сезонно действующее охлаждающее устройство

Применяются и другие способы по устранению или уменьшению теплового воздействия сооружения на мерзлые грунты основания. Выбор одного или сочетания указанных выше мероприятий (рис. 5, з, и) должен производиться на основании теплотехнических расчетов с учетом конструктивных и технологических особенностей сооружения, опыта местного строительства и экономической целесообразности. Фундаменты всех типов, кроме свайных, заглубляются в вечномерзлый грунт не менее чем на 1 м, сваи — не менее чем на 2 м. Расчетная глубина сезонного оттаивания определяется расчетом.

При использовании грунтов основания по принципу II применяются два метода устройства оснований и фундаментов: постепенного оттаивания грунтов в процессе эксплуатации сооружений и предварительного искусственного оттаивания вечномерзлых грунтов (при необходимости с уплотнением, закреплением или заменой оттаявших грунтов) до возведения сооружений. Возможно и сочетание указанных методов.

При этом могут допускаться мероприятия:

а) по уменьшению деформаций оснований;

б) по приспособлению конструкций сооружений к восприятию неравномерных деформаций оснований.

При любом принципе использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружений в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по инженерной подготовке территории строительства с целью обеспечения расчетного температурного режима грунтов, предотвращения эрозии, развития термокарста, сохранения природных условий окружающей среды.

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований сооружении. В настоящее время при проектировании и строительстве зданий и сооружений на основаниях, состоящих из вечномерзлых грунтов, существует два принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований:
I принцип — вечно мерзлое состояние грунта основания сохраняют в течение всего периода строительства и эксплуатации здания или сооружения;
II принцип — вечномерзлые грунты оснований используют в оттаявшем состоянии с оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения или в процессе эксплуатации здания.

Принцип I применяют в случае, когда грунты застраиваемой территории можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие такое состояние. Это возможно при следующих конструктивных решениях:

а) возведение зданий и сооружений на подсыпках и теплоизоляцию поверхности; используют при относительно нешироких зданиях (до 10 м), так как в этих случаях грунт охлаждается за счет поступления холода с боков и обеспечивается снижение поступления тепла в грунт от существующего здания;

б) устройство вентилируемых подполий особенно целесообразно при возведении жилых, общественных и гражданских зданий; чаще всего предусматривают свободно проветриваемое подполье с поднятием полов первого этажа на перекрытия, располагаемые над поверхностью земли; по боковым граням в стене устраивают продухи для свободной циркуляции воздуха, а в подполье — разводку трубопроводов;

в) устройство холодных первых этажей, предусматриваемых вместо холодных подполий, если это целесообразно по технологическим требованиям и обусловлено теплотехническим расчетом, причем их высота должна быть не менее 1 м;

г) использование охлаждающих каналов и труб для тяжелых зданий и сооружений со значительными нагрузками наполы или при нецелесообразности устройства подполий; иногда используют комплексное решение: охлаждающие трубы и каналы в сочетании с вентилируемым подпольем;

д) использование саморегулирующих охлаждающих устройств, которые с помощью искусственного охлаждения, получаемого в результате циркуляции специального газа (фреона) или жидкости (керосина), понижают температуру окружающего грунта. Чаще всего данный метод исцользуют как вспомогательное средство для обеспечения заданного температурного режима вечномерзлых грунтов или создания заслонов промерзшего грунта для зашиты от теплового влияния соседних здании и подземных вод.

При строительстве оснований и фундаментов по принципу необходимо использовать мероприятия, исключающие проникновение тепла в грунт, и обеспечивать охлаждение поверхности грунта под зданием или около него.

Как правило, при возведении фундамента по принципу применяют свайные фундаменты, допускается также использование железобетонных столбчатых фундаментов и монолитных бетонных.

Принцип II применяют при наличии вечномерзлых грунтов, деформации которых при оттаивании не превышают предельно допустимых для проектируемых зданий, а также при несплошном залегании вечномерзлых грунтов и неодинаковой глубине их залегания от поверхности и в тех случаях, когда принцип II оказывается экономически более целесообразным.

Возведение фундаментов по принципу II допускает оттаивание грунта, поэтому при эксплуатации зданий и сооружений следует Учитывать возможность возникновения неравномерных осадок, что требует выполнения мероприятий по уменьшению деформаций основания или приспособления конструкций зданий к воспринятию дополнительных осадок.

Мероприятия по уменьшению деформации основания:

а) предварительное искусственное оттаивание вечномерзлого грунта на заданную глубину до возведения здания с последующим уплотнением или закреплением оттаявшего грунта (если в этом есть необходимость);

б) полная замена льдонасыщенного грунта песчаным или крупнообломочным грунтом;

в) увеличение глубины заложения фундаментов;

г) регулирование глубины оттаивания грунта основания в процессе эксплуатации сооружения. Оно осуществляется с помощью теплоизоляции по грунту и устройства электронагревателей или обогревающих трубопроводов у фундаментов, а также устройства наружных стен на консолях, с отнесением фундаментов наружных стен внутрь здания.

Последнее решение используют для уравновешивания неравномерности осадок между наружными и внутренними фундаментами, так как осадки последних всегда больше.

Мероприятия по приспособлению конструкций зданий к восприятию дополнительных осадок разделяют на два основных типа:

а) повышение общей пространственной жесткости и прочности здания и сооружения, обеспечиваемое с помощью устройства армокирпичных и железобетонных поясов, усиления армирования конструкций, фундаментов и несущих конструкций подвалов, замоноличивания сборных элементов перекрытий; применения монолитных и сборно-монолитных плитных и ленточных фундаментов из перекрестных лент, дополнительной разрезки зданий и сооружений на отдельные отсеки с помощью деформационных швов; применения свайных фундаментов, фундаментов глубокого заложения и т. п.;

б) увеличение гибкости и податливости сооружений с помощью гибких и разрезных конструкций.

Для оттаивания вечномерзлых грунтов используют электропрогрев, гидрооттаивание и паровые иглы. Применение последних хотя и обеспечивает максимальную скорость оттаивания, однако вызывает в некоторых случаях дополнительное увлажнение грунтов, что иногда оказывает неблагоприятное влияние на их свойства. Оттаявшую толщу грунта, как правило, уплотняют.

При проектировании и строительстве фундаментов по принципу I целесообразно максимально возможное их заглубление, это объясняется возможностью оттаивания верхнего слоя грунта в силу каких-либо случайных факторов. Выбор рациональной конструкции фундамента зависит от внешних нагрузок, а также температурных условий грунтов основания, которыми во многом определяется несущая способность мерзлого грунта.

Основным типом фундаментов, применяемых при строительстве по принципу I, являются свайные фундаменты. По способу погружения в вечномерзлый грунт сваи подразделяют на:

буроопускные сваи, для устройства которых пробуривают скважины, имеющие диаметр, превышающий на 5 см и более наибольший размер поперечного сечения сваи. Перед погружением сваи полость скважины примерно на одну треть заполняют грунтовым раствором из мелкого или пылеватbr /Принцип I применяется в тех случаях, когда расчетные деформации основания при его оттаивании превышают предельно допустимые, а улучшение строительных свойств оттаиваемых грунтов или использование конструктивных мероприятий невозможно или экономически неэффективно. Этот принцип рекомендуется, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и его можно сохранять при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. При пластично-мерзлых грунтах, как правило, в проектах необходимо предусматривать мероприятия по понижению температуры грунта до расчетных значений.ого песка, который после погружения сваи заполняет всю полость между сваей и мерзлым грунтом с последующим относительно быстрым замерзанием;

бурозабивные сваи погружаются с помощью забивки в предварительно пробуренные скважины (лидеры), имеющие диаметр на 1..2 см меньше, чем размер поперечного сечения сваи. Этот тип свай применяют в пластично-мерзлых грунтах;

опускpные сваи, погружаемые в предварительно оттаиваемый грунт с помощью забивки. Оттаивание осуществляется с помощью паровых игл, причем объем оттаявшего грунта должен бьпъ минимальным, чтобы обеспечивалось его быстрое замерзание.

Другие типы фундаментов, передающие нагрузки на сохраняемый слой вечномерзлого грунта, используют реже, так как их Устройство требует значительных средств и затрат ручного труда для сохранения вечномерзлого состояния грунтов при разработке котлованов и устройстве фундаментов.

При необходимости передачи значительных нагрузок на грунты оснований, сложенных вечномерзлыми грунтами, применяют столбчатые фундаменты. Их устраивают в предварительно пробуренных скважинах диаметром 0,8…1,2 м и более, в которые нагнетается бетонная смесь с прогреванием для обеспечения твердения до требуемой прочности. Режим прогревания требуется назначать таким, чтобы обеспечить минимальное оттаивание грунтов вокруг фундамента.

В настоящее время фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах очень часто устраивают по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунтов). Применение свайных фундаментов может оказаться целесообразным,- если сваи прорезают толщу оттаявшего грунта и погружаются в слой грунта, не проявляющего просадочных свойств при оттаивании, ниш доводятся до слоя скального грунта. Иногда длинные сваи применяют для передачи давления на вечномерзлые грунты, которые располагаются ниже зоны оттаивания, образующейся в результате выделения тепла от здания. В обоих упомянутых случаях при расчете свай следует учитывать влияние отрицательного трения, увеличивающего нагрузку на сваи.

Рис. 6. Методы погружения в слой вечномерзлого грунта: 1 — скважина; 2 — свая; 3 — граница слоя вечномерзлого грунта; 4 — грунтовый раствор; 5 — оттаявший грунт Рис. 7. Свайные фундаменты при устройстве фундаментов но принципу II: 1 — свая; 2 — граница вечномерзлого грунта; 3 — не осадочный слой плотного грунта

При использовании других типов фундаментов, в том числе и фундаментов в открытых котлованах, следует учитывать малую прочность и большую деформативность оттаявших грунтов, а при возможности развития значительных неравномерных осадок использовать мероприятия, направленные на уменьшение вредного влияния последних (устройство перекрестных ленточных фундаментов, сплошных фундаментов, искусственное улучшение свойств оснований и т. п.). Проектирование и устройство фундаментов в данном случае осуществляются как для фундаментов в условиях обычного сезонного промерзания.

На фундаменты, возводимые по принципу II, при промерзании грунтов действуют значительные силы пучения, влияние которых снижают с помощью применения фундаментов анкерного типа или уменьшения площади контакта с промерзающим грунтом, располагая в верхней части фундамента наименьшее поперечное сечение.

В некоторых случаях для уменьшения сил морозного пучения в пределах зоны промерзания фундаменты покрывают незамерзающими обмазками на основе битумных материалов. Реже применяют эпоксидные смолы, которые делают гладкой поверхность смерзания и уменьшают силы пучения.

Значительного снижения сил морозного пучения можно добиться за счет обсыпки фундаментов непучинистыми материалами (гравием или песком), однако в этом случае обсыпки следует дренировать и защищать от заиления, так как оно существенно увеличивает пучинистость грунтов.

В проекте оснований и фундаментов на многолетнемерзлых грунтах должны быть предусмотрены мероприятия по инженерной подготовке территории, обеспечивающие соблюдение расчетного гидрогеологического и теплового режима грунтов основания и предотвращение эрозии, развития термокарста и других физико-геологических процессов, приводящих к изменению проектного состояния грунтов в основании сооружений при их строительстве и эксплуатации, а также к недопустимым нарушениям природных условий окружающей среды.

Инженерная подготовка отдельных строительных площадок должна быть увязана с общей инженерной подготовкой и вертикальной планировкой территории застройки в соответствии с генпланом и обеспечивать организованный отвод поверхностных, надмерзлотных и межмерзлотных вод и вод сезоннооттаивающего слоя с начала строительства и в течение эксплуатационного периода.

Подъездные пути и насыпи для прохождения транспортных средств и работы строительной техники следует устраивать до начала работ по возведению фундаментов.

На территории с многолетнемерзлыми грунтами вертикальную планировку местности следует производить, как правило, подсыпкой. При применении в необходимых случаях срезок и выемок грунта должны быть приняты меры по защите вскрытых льдистых грунтов от протаивания, размыва и оползания склонов. Подсыпку можно выполнять сплошной по всей застраиваемой территории или под отдельные сооружения или их группы при условии обеспечения свободного стока поверхностных вод.

При использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I подсыпку следует выполнять, как правило, в зимний период после промерзания сезоннооттаявшего слоя грунта (не менее чем на 0,2 м). Толщина и способ устройства подсыпок принимаются в зависимости от их назначения мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических условий.

На участках с сильнольдистыми грунтами и подземными льдами следует устраивать сплошные по площади теплоизолирующие подсыпки или экраны, толщину которых необходимо устанавливать расчетом по условию предотвращения протаивания подстилающего льдистого грунта и исключения повышения природных температур многолетнемерзлых грунтов.

При необходимости понижения природных температур сильнольдистых грунтов и подземных льдов в целях исключения процессов ползучести во время эксплуатационного периода, следует предусматривать активную термостабилизацию грунтов основания.

При использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований по принципу II вертикальную планировку допускается осуществлять подсыпками и выемками грунта. Подсыпки надлежит устраивать, как правило, по оттаянному грунту слоя сезонного промерзания-оттаивания. Выемки грунтов допускается выполнять на непросадочных при оттаивании грунтах или если предусмотрено предпостроечное оттаивание и уплотнение грунтов под сооружениями.

Уровень планировочных отметок, высоту подсыпок, глубины выемок грунтов, уклоны водоотводящей сети следует принимать с учетом расчетных осадок грунтов при оттаивании. В необходимых случаях (сильнольдистые, заторфованные или имеющие неравномерную льдистость грунты) следует осуществлять частичное оттаивание или замену грунтов верхнего льдистого слоя или устройство теплозащитных экранов.

При высоком уровне подземных вод необходимо предусматривать меры по предотвращению обводнения заглубленных подвалов или технических этажей здания: поднятие уровня планировочных отметок, устройство дренажа, противофильтрационные завесы, в том числе льдогрунтовые и т. п. При проектировании противофильтрационных завес водный баланс подземных вод на застраиваемой территории должен быть сохранен.

В составе мероприятий по инженерной подготовке территории должны быть предусмотрены природоохранные мероприятия, направленные на восстановление нарушенных в процессе строительства природных условий. Для обеспечения устойчивости и эксплуатационной пригодности зданий и сооружений при прокладке наружных сетей систем водоснабжения, канализации, теплоснабжения следует предусматривать, как правило, тот же принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований, который принят для зданий и сооружений, размещаемых на данной территории застройки. Применение различных принципов допускается при условии прокладки сетей, как правило, в каналах на таком расстоянии от зданий и сооружений, при котором не произойдет изменения расчетных температур оснований зданий и сооружений, или при применении других мер.

Вводы и выпуски инженерных сетей в зданиях или сооружениях и прокладку этих сетей в подпольях и технических этажах следует осуществлять по принципу использования многолетнемерзлых грунтов, принятому для данного здания или сооружения. Конструкция вводов и выпусков должна быть такой, чтобы при использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу I исключалась возможность местного оттаивания грунтов или повышения (против установленной в проекте) их расчетной температуры, а при использовании грунтов в качестве основания по принципу II — ускоренного местного оттаивания и, как следствие, увеличенной неравномерности деформации основания фундаментов.

Расчет оснований и фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить как для условий эксплуатации сооружения, так и для условий периода строительства, если до передачи на фундаменты проектных нагрузок возможно промерзание грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания). При необходимости в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению выпучивания фундаментов в период строительства.

При проектировании оснований и фундаментов сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, следует выполнять теплотехнические расчеты основания и расчеты основания и фундаментов на силовые воздействия. В расчетах основания и фундаментов надлежит учитывать принцип использования многолетнемерзлых грунтов в качестве основания, тепловое и механическое взаимодействие сооружения и основания.

Основания и фундаменты следует рассчитывать по двум группам предельных состояний: по первой — по несущей способности, по второй — по деформациям (осадкам, прогибам и пр.), затрудняющим нормальную эксплуатацию конструкций сооружения, а элементы железобетонных конструкций — и по трещиностойкости.

При расчете по предельным состояниям несущую способность основания и его ожидаемые деформации следует устанавливать с учетом температурного режима грунтов основания, а при принципе I — также с учетом продолжительности действия нагрузок и реологических свойств грунтов.

Фундаменты как элементы конструкций в зависимости от их материала следует рассчитывать в соответствии с требованиями СНиП 52-01, СП 52-101, СП 52-103, СП 52-105, СНиП II-23, СНиП II-25 и СНиП 2.05.03, СП 32-101.

Расчет оснований следует производить:

а) при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I: по несущей способности — для твердомерзлых грунтов; по несущей способности и деформациям — для пластичномерзлых и сильнольдистых грунтов, а также подземных льдов;

б) при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II: по несущей способности — в случаях, предусмотренных СП 22.13330.2011; по деформациям — во всех случаях, при этом для оснований, оттаивающих в процессе эксплуатации сооружения, расчет по деформациям надлежит производить из условия совместной работы основания и сооружения.

Расчет оснований по деформациям следует производить на основные сочетания нагрузок и воздействий; расчет по несущей способности — на основные и особые сочетания нагрузок и воздействий.

Нагрузки и воздействия, передаваемые на основания сооружением, следует устанавливать расчетом в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07 с учетом указаний СП 22.13330.2011, СП 24.13330.2011, а для оснований опор мостов и труб под насыпями — согласно СНиП 2.05.03 и СП 32-101-95.

При использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I, если грунты основания находятся в твердомерзлом состоянии, а также в случаях, предусматриваемых СП 22.13330.2011, нагрузки и воздействия на основание допускается назначать без учета их перераспределения надфундаментными конструкциями сооружения.

При использовании многолетнемерзлых грунтов в качестве основания по принципу II нагрузки на основание следует определять, как правило, с учетом совместной работы основания и сооружения.

Нагрузки и воздействия, которые по СНиП 2.01.07 могут относиться как к длительным, так и к кратковременным, при расчете мерзлых оснований по несущей способности должны относиться к кратковременным, а при расчете оснований по деформациям — к длительным.

Воздействия, вызванные осадками грунтов при предусмотренном в проекте оттаивании их в процессе эксплуатации сооружения, следует относить к длительным; воздействия, связанные с возможным протаиванием и просадками грунтов при нарушениях эксплуатационного режима сооружения, — к особым.

Основные положения расчета оснований фундаментов по принципу I

Расчет оснований по первой группе предельных состояний (по несущей способности) при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I является обязательным независимо от температурного состояния мерзлого грунта.

При однородном по составу вечномерзлом грунте принимают Ruf при средней по длине сваи (эквивалентной) температуре вечномерзлого грунта (см. рис. 8).


Рис. 8. Схема к определению несущей способности: а — столбчатого фундамента; 6 — одиночной висячей сваи

Значения расчетных температур грунта основания устанавливаются теплотехническим расчетом или определяются по формулам. Расчет фундаментов на устойчивость при действии значительных горизонтальных нагрузок проводят аналогично расчету фундаментов на немерзлых грунтах. При этом основное сопротивление будут оказывать не силы трения, а силы смерзания грунта с фундаментом по его подошве и боковым граням.

Расчет оснований фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) производится исходя из условия

F < Fu/gn, (1),


где F — расчетная нагрузка на основание; Fu — несущая способность основания, определяемая расчетом, а для оснований свайных фундаментов – дополнительно и по данным полевых испытаний свай и статического зондирования;

gn — коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаемый в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 в зависимости от вида и уровня ответственности сооружения, а для оснований опор мостов — согласно СНиП 2.05.03.

Несущая способность основания Fu, кН, вертикально нагруженной висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле

, (2)


где gt — температурный коэффициент, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха;

gс — коэффициент условий работы основания;

R — расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, кПа;

А — площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м2, принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения (или площади уширения), для полых свай, погруженных с открытым нижним концом, — площади поперечного сечения сваи брутто при заполнении ее полости цементно-песчаным раствором или грунтом на высоту не менее трех диаметров сваи;

Raf,i — расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи или столбчатого фундамента в пределах (i-го слоя грунта, кПа;

Аaf,i — площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента — площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента, м2;

n — число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.

При расчете несущей способности основания столбчатого фундамента силы смерзания грунта, определяемые вторым слагаемым формулы (2), учитываются только при условии выполнения обратной засыпки пазух котлована влажным грунтом, что должно быть отмечено в проекте.

В случаях, когда слой сезонного промерзания — оттаивания не сливается с многолетнемерзлым грунтом, несущую способность свай в пределах немерзлого слоя грунта допускается учитывать по СП 24.13330.2011. При этом должны быть предусмотрены меры по стабилизации верхней поверхности многолетнемерзлого грунта, а расчетные сопротивления таликовых грунтов (кроме крупнообломочных и песков со степенью влажности не превышающей 0,8) вдоль боковой поверхности свай, принимаемые по нормативным таблицам СП 24.13330.2011, следует брать с понижающими коэффициентами: 0,8 — для глинистых грунтов, 0,9 — для песчаных водонасыщенных грунтов; для других грунтов понижающие коэффициенты определяют по опытным данным.

Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой фундамента R и расчетные сопротивления мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания фундамента Raf устанавливаются по данным испытаний грунтов, проводимых в соответствии с ГОСТ 12248, с учетом коэффициента надежности по грунту gg и расчетных температур грунта основания Тm, Tz и Те, определяемых теплотехническим расчетом.

По результатам испытаний грунтов шариковым штампом или на одноосное сжатие расчетные значения R, кПа, вычисляются по формуле


R = 5,7cn/gg + gId, (3)


где cn — нормативное значение предельно длительного сцепления, кПа, принимаемое равным: cn = cegn при испытаниях грунтов шариковым штампом и cn = 0,5Rcn — при испытаниях на одноосное сжатие, где cegn
и Rcn
— соответственно предельно длительное эквивалентное сцепление и сопротивление грунта одноосному сжатию;

gI — расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3; d — глубина заложения фундамента, м.

При расчетах несущей способности оснований значения R следует принимать: для свайных фундаментов — при расчетной температуре грунта Tz на глубине z, равной глубине погружения сваи; для столбчатых фундаментов — при расчетной температуре грунта Tm на глубине заложения подошвы фундамента.

Расчетные сопротивления сдвигу Raf,i следует принимать: для свайных фундаментов — при температуре грунта Tz на глубине середины i-го слоя грунта; для столбчатых фундаментов — при температуре грунта Tm на глубине, соответствующей середине нижней ступени фундамента.

При расчетах по формуле (2) значения Raf принимается при средней (эквивалентной) температуре грунта Те.

Для буроопускных свай расчетное сопротивление сдвигу необходимо принимать наименьшим из значений сдвига по поверхности смерзания сваи Raf и сдвига по грунту или буровому раствору Rsh; для буронабивных свай — по значению Rsh. При расчете несущей способности комбинированных свай (деревометаллических, сборно-монолитных и др.) значения Raf следует принимать с учетом неодинаковой прочности смерзания с грунтом их различных элементов.

Для свай (кроме бурозабивных), опираемых на песчано-щебеночную подушку высотой не менее трех диаметров скважины, при диаметре скважины не более полутора диаметров сваи, расчетное значение R допускается принимать для грунта подушки, а значение А — равным площади забоя скважины. При опирании свай на льдистые грунты с льдистостью i ³ 0,2 расчетные значения R следует принимать с понижающим коэффициентом ni = 1 — ii.

Для кратковременных нагрузок с временем действия t, равным или меньшим продолжительности перерывов между ними, расчетные значения R и Raf допускается принимать с повышающим коэффициентом nt (кроме опор мостов) в соответствии с данными табл.1.

Таблица 1


Время действия нагрузки t, ч

0,1

0,25

0,5

1

2

8

24

Коэффициент nt

1,7

1,5

1,35

1,25

1,2

1,1

1,05


Коэффициент условий работы основания gc принимается по табл. 2 в зависимости от вида и способов устройства фундаментов (кроме опор мостов).

Таблица 2


Виды фундаментов и способы их устройства

Коэффициент gс

Столбчатые и другие виды фундаментов на естественном основании

1,0

То же на подсыпках

0,9

Буроопускные сваи с применением грунтовых растворов, превышающих по прочности смерзания вмещающие грунты

1,1

То же при равномерной прочности грунтовых растворов и вмещающего грунта

1,0

Опускные и буронабивные сваи

1,0

Бурообсадные, забивные и бурозабивные сваи при диаметре лидерных скважин менее 0,8 диаметра свай

1,0

Бурозабивные при большем диаметре лидерных скважин

0,9


Значен p style=»text-align: center;»/emi/tdия коэффициента gс, приведенные в табл. 2, допускается увеличивать пропорционально отношению полной нагрузки на фундамент к сумме постоянных и длительных временных нагрузок, но не более чем в 1,2 раза, если расчетные значения деформаций основания при этом не будут превышать предельно допустимых значений.

Передача на фундаменты проектных нагрузок допускается, как правило, при температуре грунтов в основании сооружения не выше установленных на эксплуатационный период расчетных значений. В необходимых случаях следует/tr tr предусматривать мероприятия по предварительному (до загружения фундаментов) охлаждению пластичномерзлых грунтов до установленных расчетом значений температуры.

При соответствующем обосновании расчетом основания по деформациям допускается загружать фундаменты при температурах грунта выше расчетных, но не выше значений: Т = Тbf — 0,5 °С — для песчаных и крупнообломочных грунтов и Т = Тbf — 1 °С — для глинистых, где Tbf — температура начала замерзания грунта. Несущая способность основания Fu в этом случае должна определяться при расчетных температурах грунта, устанавливаемых без учета теплового влияния сооружения по формуле (8), принимая коэффициент gt по расчету.

Расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те определяются расчетом теплового взаимодействия сооружения с многолетнемерзлыми грунтами основания в периодически установившемся тепловом режиме с учетом переменных в годовом периоде условий теплообмена на поверхности, формы и размеров сооружения, глубины заложения и расположения фундаментов в плане, а также теплового режима сооружения и принятых способов и средств сохранения мерзлого состояния грунтов основания.

При расчетах многолетнемерзлых оснований по несущей способности и деформациям расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те следует принимать равными:

Тm — максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента zd, отсчитываемой от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта;

Те — максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундамента zd температуре многолетнемерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная температура грунта);

Tz — температура многолетнемерзлого грунта на данной глубине z от его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры Те.

Для оснований свайных, столбчатых и других видов фундаментов сооружений с холодным (вентилируемым) подпольем, опор трубопроводов, линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений, кроме оснований опор мостов, расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те допускается определять по формулам:


для оснований сооружений с холодным подпольем

под серединой сооружения
, (4)

под краем сооружения

, (5)

под углами сооружения

, (6)

для оснований опор линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений и трубопроводов

, (7)


где — расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, °С, определяемая согласно обязательному приложению Д;

Tbf — температура начала замерзания грунта, °С; То — расчетная среднегодовая температура грунта, °С;

am, az и ae — коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемых по табл. 3 в зависимости от значения параметра , с0,50,5), где z — глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта, м;

cf — объемная теплоемкость, Дж/ (м3×°С), и lf — теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м3×°С);

k1, k2 и k3 — коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 7.4 в зависимости от отношений z/В и L/В, L и В — соответственно длина и ширина сооружения, м;

kts — коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений, принимаемый по табл. 5 в зависимости от вида и глубины заложения фундаментов z, м.

Таблица 3


Коэффициенты

Значения, с0,50,5)

0
(0)

1000
(25)

2000
(50)

3000
(75)

4000
(100)

6000
(125)

8000
(150)

10000
(175)

15000
(250)

20000
(300)

am

0
(0)

0,28
(0,38)

0,47
(0,61)

0,61
(0,76)

0,71
(0,85)

0,85
(0,91)

0,92
(0,94)

0,96
(0,96)

0,99
(0,99)

1,00
(1,00)

az

0
(0)

0,30
(0,40)

0,52
(0,67)

0,67
(0,85)

0,80
(0,95)

0,95
(1,01)

1,02
(1,03)

1,03
(1,03)

1,01
(1,01)

1,00
(1,00)

ae

0
(0)

0,14
(0,21)

0,26
(0,38)

0,38
(0,51)

0,47
(0,61)

0,61
(0,68)

0,70
(0,74)

0,77
(0,78)

0,85
(0,85)

0,90
(0,88)


Таблица 4


Форма сооружения в плане

L/B

Коэффициенты k для определения Tm, Tz, Te

k1 при z/B

k2 при z/B

k3 при z/B

0,25

0,5

1,0

2,0

0,25

0,5

1,0

2,0

0,25

0,5

1,0

2,0

Прямоугольная

1

0,41
0,21

0,67
0,38

0,87
0,57

0,96
0,75

0,17
0,09

0,28
0,16

0,39
0,25

0,47
0,34

0,06
0,03

0,10
0,05

0,17
0,09

0,22
0,14

2

0,33
0,17

0,56
0,31

0,80
0,50

0,93
0,68

0,15
0,08

0,26
0,14

0,37
0,23

0,45
0,32

0,04
0,02

0,08
0,04

0,14
0,08

0,20
0,12

3

0,32
0,16

0,53
0,30

0,76
0,47

0,91
0,65

0,15
0,08

0,25
0,14

0,36
0,22

0,44
0,31

0,04
0,02

0,08
0,04

0,13
0,07

0,19
0,12

³ 5

0,29
0,14

0,50
0,27

0,71
0,44

0,84
0,62

0,15
0,07

0,25
0,14

0,35
0,22

0,42
0,30

0,03
0,02

0,07
0,04

0,12
0,07

0,18
0,11

Круглая


0,45
0,23

0,71
0,41

0,89
0,62

0,97
0,78

0,22
0,13

0,32
0,20

0,40
0,28

0,45
0,36





Примечания
1. В числителе указаны значения коэффициентов k для температур Tm и Tz, в знаменателе — для температуры Te.2. При z/B = 0 коэффициенты k1, k2 и k3 следует принимать равными 0.


Таблица 5


Виды фундаментов

Коэффициент kts при z, м

до 2

от 2 до 6

св. 6

Массивные и свайные с ростверком, заглубленным в грунт

0,7

0,9

1,0

Свайные с высоким ростверком и сборные под опоры рамно-стоечного типа

0,9

1,0

1,0

 

Расчетные температуры многолетнемерзлых грунтов основания без учета теплового влияния сооружения определяются по формуле

Tm,z,e = (T0Tbf) am,z,e + Tbf, (8),

где обозначения те же, что в формуле (4).

Расчетные температуры грунтов оснований фундаментов, охлаждаемых системой вентилируемых труб, каналов или полостей в фундаментах, следует определять из совместного теплотехнического расчета основания и системы охлаждения, исходя из условия:

, (9)

где Т0 — расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, отвечающая проектному положению границы сезонного оттаивания грунтов, включая грунты подсыпки.

При равномерном расположении охлаждающих труб или каналов под всей площадью сооружения расчетные температуры грунтов в его основании Тm, Tz и Те допускается определять как для сооружений с холодным подпольем при среднем по площади сооружения значении температуры То.

Расчетные температуры грунтов оснований фундаментов, при использовании термостабилизации грунтов допускается рассчитывать численными методами с учетом изменения температур при эксплуатации сооружения.

Несущая способность основания одиночной сваи Fu по результатам полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой определяется по формуле

, (10)

где k — коэффициент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемых свай и определяемый по формуле

k = Fu,p/Fu,t, (11)

здесь Fu,p и Fu,t — значение несущей способности соответственно проектируемой и опытной свай, рассчитанные по формуле (2) по значениям R и Raf, принимаемым для проектируемой сваи — при расчетных температурах грунта, а для опытной сваи — при температурах, измеренных при испытании;

Fu,n — нормативное значение предельно длительного сопротивления основания опытной сваи статической нагрузке, определяемое по данным испытания сваи в соответствии с ГОСТ 5686 с учетом требований ГОСТ 20522;

gg — коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,1.

Количественную оценку характеристик механических свойств и несущей способности оснований свай в многолетнемерзлых
грунтах по данным статического зондирования проводят на основе эмпирических или полуэмпирических зависимостей (таблиц), устанавливаемых в результате корреляционно-регрессионного анализа данных параллельных испытаний грунтов прямыми методами, согласно ГОСТ 12248 и ГОСТ 5686, и методом статического зондирования. Допускается использовать зависимости, приведенные в данном приложении или включенные в ведомственные или территориальные строительные нормы, а также стандарты предприятий.

Несущую способность основания столбчатого фундамента, нагруженного внецентренно сжимающей нагрузкой, допускается определять в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. При этом эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок на уровне подошвы фундамента следует определять с учетом смерзания грунта с боковой поверхностью нижней ступени фундамента по формулам:

eа= (MaMaf)/F; (12)

eb = (MbMaf)/F, (13)

где eа и eb — соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок относительно осей прямоугольной подошвы фундамента со сторонами a и b, м;

Ma и Mb — моменты внешних сил от расчетных нагрузок относительно тех же осей, кН×м;

F — расчетная вертикальная нагрузка, кН, от сооружения на основание, включая вес фундамента и грунта, лежащего на его уступах;

Maf — часть момента внешних сил, кН×м, воспринимаемая касательными силами смерзания многолетнемерзлого грунта с боковыми поверхностями нижней ступени фундамента высотой hp и вычисляемая по формуле

Maf = gtgcRafhpab, (14)

здесь gt и gc — обозначения те же, что в формуле (2);

Raf — расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу, кПа.

При эксцентриситете нагрузки относительно одной оси фундамента (eb = 0) допускается Maf, кН×м, определять по формуле

Maf = gtgcRafhpa(b + 0,5a), (15)

где a — сторона подошвы фундамента, параллельная плоскости действия момента, м.

Разрушение жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты

Расчет свайных фундаментов на действие горизонтальных нагрузок (сил и/или моментов) и воздействий (температурного расширения ростверка и пр.), следует производить с учетом инженерно-геокриологических условий из условия совместной работы свай и грунтового основания с использованием апробированных геотехнических программ. Расчетная схема должна отвечать требованиям п. 7.1.2 СП 24.13330.2011. Методика расчета должна учитывать влияние продольной силы на изгиб, а также поперечных сил и деформаций на продольное сжатие ствола сваи.

Взаимодействие сваи с грунтом (по боковой поверхности и нижнему торцу) допускается учитывать с помощью нелинейных контактных элементов (контактной модели). При малых (упругих, линейных) деформациях жесткость контактного элемента должна соответствовать стандартным деформационным характеристикам грунта (модуль деформаций, коэффициент Пуассона). Прочность и пластические деформации грунта (контактных элементов у боковой поверхности сваи и под ее нижним торцом) следует
рассчитывать с применением условия предельного равновесия Кулона-Мора. При расчете свайных групп характеристики контактных элементов следует определять с учетом взаимовлияния между сваями через грунт.

Для расчетов свайных фундаментов сооружений II уровня ответственности допускается применение линейных контактных элементов при условии проведения расчета по приложению Г СП 24.13330.2011 с учетом инженерно-геокриологических условий согласно рекомендуемому приложению Ж.

Расчет фундаментов, воспринимающих значительные горизонтальные усилия, следует производить на плоский сдвиг в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов с сохранением мерзлого состояния (принцип I) пластично-мерзлых, сильнольдистых и подземных льдов производится по деформациям.

Осадка фундаментов, обусловленная уплотнением пластично-мерзлых грунтов, рассчитывается по тем же методикам, что и для немерзлых грунтов, т. е. используются расчетные схемы основания в виде линейно деформируемого полупространства или линейно деформируемого слоя конечной толщины.

Осадки оснований из сильнольдистых грунтов и подземных льдов, а также в случаях загружения фундаментов при температуре грунтов выше расчетных значений определяются с учетом изменения деформационных характеристик в зависимости от температуры и времени. При этом определяют составляющую часть полной осадки, обусловленную пластично-вязким течением грунта, за срок эксплуатации сооружения.

Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) производится исходя из условия

sf su, (16)

где sf — деформация пластичномерзлого основания под нагрузкой от сооружения; su — предельно допустимая деформация основания сооружения за расчетный срок его эксплуатации, определяется согласно СП 22.13330.2011.

Осадки оснований фундаментов, возводимых на пластичномерзлых грунтах, следует определять:

а) для столбчатых фундаментов — в соответствии с указаниями СП 22.13330.2011, применяя расчетную схему в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя конечной толщины;

б) для одиночных свайных фундаментов — по данным полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, а для кустов или групп свай — согласно указаниям СП 24.13330.2011 с использованием расчетных схем, основанных на модели грунта как линейно-деформируемой среды.

Расчетные деформационные характеристики пластичномерзлых грунтов (коэффициент сжимаемости df или модуль деформации Ef) следует принимать по данным компрессионных испытаний в соответствии с ГОСТ 24586 при расчетной температуре грунта, устанавливаемой по формуле (8).

Осадки оснований, сложенных сильнольдистыми грунтами и подземными льдами, а также в случаях загружения фундаментов при температуре грунтов основания выше расчетных значений, принятых для установившегося эксплуатационного режима, следует определять с учетом изменения деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры и времени, а также развития пластических деформаций льда.

Основные положения расчета оснований и фундаментов по принципу II

Расчет по несущей способности (первая группа предельных состояний) оснований и фундаментов с использованием вечномерзлых грунтов по принципу II производят в соответствии с требованиями расчета устойчивости оснований из немерзлых грунтов. Расчет усилий в элементах фундаментных конструкций и реактивных давлений грунтов следует выполнять, как правило, численными методами на основании уравнений строительной механики с учетом зависимостей реактивных давлений от неравномерных осадок основания.

При этом оттаивающее основание допускается рассматривать как линейно-деформируемый слой конечной толщины. Допускается применять другие расчетные схемы, в том числе с использованием вероятностных методов расчета, учитывающих статистическую неоднородность основания. При расчете оснований и фундаментов по деформациям среднее давление на основание под подошвой фундамента от основного сочетания нагрузок не должно превышать расчетного давления на основание R, определяемого в соответствии со СП 22.13330.2011 по расчетным характеристикам оттаивающих грунтов.

При проектировании оснований и фундаментов по принципу II предусматриваются мероприятия по уменьшению деформаций оснований или меры по приспособлению конструкций сооружения к восприятию неравномерных деформаций основания. При расчете осадок основания с допущением оттаивания грунтов в процессе эксплуатации сооружения предварительно рассчитывают глубину оттаивания основания под различными частями проектируемого сооружения. Расчетную глубину оттаивания грунтов в основании устанавливают исходя из расчета теплового взаимодействия сооружения с вечномерзлыми грунтами с учетом формы, размеров и теплового режима сооружения, температуры и теплофизических свойств грунтов основания.

Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) при строительстве по принципу II является основным и выполняется по правилам и методикам, применяемым для оснований из талых грунтов.

Расчет оснований и фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) надлежит производить в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. Расчетные сопротивления оттаявших или оттаивающих грунтов вдоль боковой поверхности свай, принимаемые по таблицам СП 24.13330.2011, следует брать с понижающими коэффициентами.

Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) следует производить, как правило, с учетом совместной работы основания и сооружения. Расчет оснований по деформациям без учета совместной работы основания и сооружения допускается выполнять в случаях, предусмотренных СП 22.13330.2011, а также для выбора принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований и необходимых мероприятий для уменьшения деформаций основания.

Расчеты оттаивающих оснований по деформациям необходимо производить в пределах расчетной глубины оттаивания грунтов в основании сооружения за заданный срок его эксплуатации tu с учетом развития зоны оттаивания во времени.

Расчетную глубину оттаивания грунтов в основании сооружения следует определять на основании расчета теплового взаимодействия сооружения с многолетнемерзлым грунтом с учетом формы, размеров и теплового режима сооружения, температуры и теплофизических свойств грунтов основания.

Для простых по форме сооружений с равномерной по площади температурой, в том числе для заглубленных сооружений, расчетную глубину оттаивания грунтов в их основании Н допускается определять по рекомендуемому приложению И.

Расчет оснований по деформациям без учета совместной работы оттаивающего основания и сооружения надлежит производить исходя из условия

s < su, (17)

где s — осадка основания фундаментов (совместная деформация основания и сооружения при оттаивании грунтов в процессе эксплуатации сооружения под воздействием собственного веса грунта и дополнительной нагрузки от сооружения в пределах расчетной глубины оттаивания Н);

su — предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения), устанавливаемое согласно СП 22.13330.2011, а для мостов — СНиП 2.05.03.

Расчет оснований и фундаментов по деформациям с учетом совместной работы основания и сооружения следует производить исходя из условия


, (18)

где Ff — расчетные усилия, возникающие в элементах конструкций сооружения при неравномерных осадках оттаивающего основания;

Ffd — предельные значения сопротивления элементов конструкции сооружения, рассчитываемые по нормам проектирования соответствующих конструкций;

gc — коэффициент условий работы системы «основание-сооружение», принимаемый равным 1,25;

gn — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 0,95 и 0,9 соответственно для сооружений I, II и III уровней ответственности.

Следует учитывать неравномерность оттаивания грунтов основания по площади сооружения, особенно под наружными стенами. В результате этого возможен значительный крен фундаментов наружных стен. Для уменьшения неравномерности осадок проектируют обогрев грунта около здания или устройство стен на консолях.

По вычисленным осадкам основания рассчитывают различные виды деформаций конструкций без учета совместной работы основания и сооружения и проверяют условие расчета по деформациям.


Осадку оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения основания следует определять по формуле

s = sth + sp, (19)

где sth — составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса оттаивающего грунта, определяемая по указаниям п. 7.3.7;

sp — составляющая осадки основания, обусловленная дополнительным давлением на грунт от действия веса сооружения, определяемая по указаниям п. 7.3.9.

Составляющую осадки основания sth, м, надлежит определять по формуле

(20)

где n — число выделенных при расчете слоев грунта;

Ath,i и dth,i — коэффициент оттаивания, доли единицы, и коэффициент сжимаемости, кПа-1, i-го слоя оттаивающего грунта, принимаемые по экспериментальным данным;

szg,i — вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i-го слоя грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины zi от уровня планировочных отметок с учетом взвешивающего действия воды;

hi — толщина i-го слоя оттаивающего грунта, м.

Взвешивающее действие воды при определении sth следует учитывать для водопроницаемых грунтов, залегающих ниже расчетного уровня подземных вод, но выше водоупора. Коэффициенты оттаивания Ath и сжимаемости оттаивающего грунта dth надлежит устанавливать, как правило, по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов горячим штампом по методике ГОСТ 20276. Если значения Ath и dth получены по данным лабораторных испытаний грунтов, то их расчетные значения при определении осадок оттаивающего основания следует умножать на поправочный коэффициент ki = 1 + Dii, где Dii разность между суммарной льдистостью i-го слоя грунта и льдистостью испытанного образца, взятого из этого слоя. Допускается вводить поправки за неполное смыкание макропор и набухание оттаивающего грунта, если это подтверждено экспериментальными данными.

Составляющую осадки основания sp, м, при расчетной схеме в виде линейно-деформируемого слоя конечной толщины следует определять по формуле

(21)

где po — дополнительное вертикальное давление на основание под подошвой фундамента, кПа; b — ширина подошвы фундамента, м;

kh — безразмерный коэффициент, определяемый по табл. 7.6 в зависимости от отношения z/b, где z — расстояние от подошвы фундамента до нижней границы зоны оттаивания или кровли непросадочного при оттаивании грунта, м;

dth,i — коэффициент сжимаемости i-го слоя грунта, кПа-1;

km,i — коэффициент, определяемый по табл. 7.6 в зависимости от отношения z/b, где z — расстояние от подошвы фундамента до середины i-го слоя грунта, м;

ki и ki-1 — коэффициенты, определяемые по табл. 7 в зависимости от отношений a/b, zi/b и zi-1/b, где zi и zi-1 — расстояние от подошвы фундамента соответственно до подошвы и кровли i-го слоя грунта, м.

Примечание. Расчет развития осадок оттаивающего основания во времени следует производить по скорости протаивания грунтов под сооружением, определяемой теплотехническим расчетом.

Таблица 6


z/b

kh

Коэффициент km,i для грунтов

крупнообломочных

песчаных и супесей

суглинков

глин

0 — 0,25

1,35

1,35

1,35

1,36

1,55
<spanem/span style=»font-family: Times New Roman; font-size: 12pt;»>
0,25 — 0,5

1,25

1,33

1,35

1,42

1,79

0,5 — 1,5

1,15

1,31

1,35

1,45

1,96

1,5 — 3,5

1,10

1,29

1,35

1,52

2,15

3,5 — 5,0

1,05

1,29

1,35

1,53

2,22

5,0

1,00

1,28

1,35

1,54

2,28


Таблица 7


z/b

Коэффициент k при a/b

1

1,4

1,8

2,4

3,2

5

10

0

0

0

0

0

0

0

0

0,2

0,100

0,100

0,100

0,100

0,100

0,100

0,104

0,4

0,200

0,200

0,200

0,200

0,200

0,200

0,208

0,6

0,299

0,300

0,300

0,300

0,300

0,300

0,311

0,8

0,380

0,394

0,397

0,397

0,397

0,397

0,412

1,0

0,446

0,472

0,482

0,486

0,486

0,486

0,511

1,2

0,449

0,538

0,556

0,565

0,567

0,567

0,605

1,4

0,542

0,592

0,618

0,635

0,640

0,640

0,687

1,6

0,577

0,637

0,671

0,696

0,707

0,709

0,763

1,8

0,606

0,676

0,717

0,750

0,768

0,772

0,831

2,0

0,630

0,708

0,756

0,796

0,820

0,830

0,892

2,5

0,676

0,769

0,832

0,889

0,928

0,952

1,020

3,0

0,708

0,814

0,887

0,958

1,011

1,056

1,138

3,5

0,732

0,846

0,927

1,016

1,123

1,131

1,230

4,0

0,751

0,872

0,960

1,051

1,128

1,205

1,316

6,0

0,794

0,933

1,037

1,151

1,257

1,384

1,550

10,0

0,830

0,983

1,100

1,236

1,365

1,547

1,696

16,0

0,850

1,011

1,137

1,284

1,430

1,645

2,095

20,0

0,857

1,021

1,149

1,300

1,451

1,679

2,236


Осадку основания s при предварительном оттаивании или замене льдистых грунтов до глубины hb,th для уменьшения деформаций основания, а также в случаях, когда слой сезонного промерзания-оттаивания не сливается с многолетнемерзлым грунтом, следует определять по формуле

s = sp,th + sad, (22)

где sp,th — осадка уплотнения предварительно оттаянного, замененного или естественного немерзлого слоя грунта толщиной hb,th под воздействием веса сооружения, определяемая в соответствии со СП 22.13330.2011;

sad — дополнительная осадка основания при оттаивании многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации сооружения, определяемая по формуле (7.20) для интервала глубин dthhb,th, где dth — расчетная глубина оттаивания грунта, считая от уровня планировки под зданием, устанавливаемая теплотехническим расчетом.

Глубину предварительного оттаивания или замены грунтов основания hb,th следует устанавливать исходя из условия

sp,th + sad  < su, (23)

где su — предельно допустимая для данного сооружения осадка основания.

Крен фундамента i на оттаивающем основании, вызванный внецентренными нагрузками, неравномерным оттаиванием и неоднородностью грунтов, а также влиянием близко расположенных фундаментов, следует определять по формуле

i = (sa sb)/b, (24)

где sa и sb — осадка краев фундамента; b — размер фундамента в направлении крена.

Расчет гибких ленточных фундаментов на оттаивающих в процессе эксплуатации сооружения грунтах надлежит производить с учетом переменной по длине фундамента осадки основания, обусловленной неравномерным оттаиванием грунтов под сооружением. При определении реактивных давлений оттаивающего грунта на подошву фундамента допускается рассматривать оттаивающий грунт как линейно-деформируемое основание, характеризуемое переменным по длине фундамента коэффициентом постели.


Осадку s свайных фундаментов из висячих свай, погруженных в предварительно оттаянные грунты, в том числе при их локальном оттаивании, следует определять как для условного фундамента, границы которого принимаются согласно СП 24.13330.2011 . При этом следует учитывать возможность проявления отрицательных (негативных) сил трения по периметру условного фундамента или по поверхности отдельных свай, а также воздействие горизонтальных усилий на фундаменты в периферийных частях зоны оттаивания.

Расчет свай-стоек по несущей способности при опирании их на скальные или другие малосжимаемые при оттаивании грунты следует производить исходя из условия

, (25)

где F — расчетная нагрузка на сваю, кН; Fu — несущая способность основания одиночной сваи, кН;

gk — коэффициент надежности, принимаемый в соответствии с указаниями СП 24.13330.2011 в зависимости от вида сооружения, конструкции фундаментов и принятого способа определения несущей способности свай;

gp — коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности свай в пределах зоны оттаивания, определяемый по опытным данным с учетом способов погружения свай; в запас надежности допускается принимать: gр = 1,1 — для забивных и бурозабивных; gp = 1 для буронабивных и буроопускных свай с цементно-песчаным заполнителем пазух и gp
= 0,9 – для буроопускных свай с пылевато-глинистым заполнителем пазух;

Fneg — отрицательная (негативная) сила трения, кН.

Несущую способность основания сваи-стойки Fu, кН, следует определять по формулам:

для защемленных свай-стоек, заделанных в невыветрелый скальный (без слабых прослоек) грунт не менее чем на 0,5 м

Fu = (Rc,n A/γg)( 1+0,4 ld /dr); (26)

для незащемленных свай-стоек

, (27)

где Rc,n — нормативное значение временного сопротивления грунта под нижним концом сваи одноосному сжатию в оттаявшем водонасыщенном состоянии, кПа;

А — площадь опирания сваи на грунт, м2, принимаемая для незащемленных свай-стоек сплошного сечения или полых, нижний конец которых заполнен в пределах высоты трех диаметров бетоном, равной площади поперечного сечения брутто; для защемленных свай-стоек — площади поперечного сечения нижней части (забоя) скважины;

gg — коэффициент надежности по грунту, принимаемый: для незащемленных свай-стоек равным 1,0, для защемленных — 1,4;

ld и dr — соответственно глубина заделки сваи в скальный грунт и наибольшее поперечное сечение заделанной части сваи, м.

Значение фактора заглубления 1+0,4 принимается не более 3.

Для окончательных расчетов оснований сооружений, а также оснований, сложенных выветрелыми, размягчаемыми, со слабыми прослойками скальными грунтами, несущую способность сваи-стойки Fu следует принимать по результатам испытаний свай статической нагрузкой.

Отрицательную (негативную) силу трения оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи

, (28)


где up — периметр поперечного сечения сваи, м; fn,i — отрицательное трение i-го слоя оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи, кПа, определяемое по опытным данным; допускается принимать расчетные значения fn,i по СП 24.13330.2011 ; hi — толщина i-го слоя оттаивающего грунта.

Расчет конструкций свайных фундаментов следует выполнять в соответствии с указаниями СП 24.13330.2011 с учетом инженерно-геокриологических условий. Расчет свай по прочности и деформациям материала может выполнятся по рекомендациям приложения Ж, с учетом отрицательных (негативных) сил трения оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи Fneg  и усилий в сваях от горизонтальных нагрузок и воздействий.

Читать по теме:

ЛИТЕРАТУРА 

  •  Болтрамович С.Ф. Геоморфология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. Заведений/С.Ф.Болтрамович. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 528 с.
  • Кудрявцева В.А. Общее мерзлотоведение (геокриология), изд. 2 [текст]/В.А.Кудрявцева. – М.: Издательство МГУ, 1978. – 464 с.
  • Малахов А.А. Краткий курс общей геологии/А.А.Малахов. – М.: Издательство «Высшая школа», 1969. – 232 с.
  • Сергеев Е.Е. Инженерная геология СССР в 8 томах. Т. 3. Восточная Сибирь/Е.Е.Сергеев. – М.: Издательство Московского ун-та, 1977. – 657 с.

 

Written by Админ

Ноябрь 5th, 2013 at 3:00 пп