ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. Часть II

Расчет фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения грунта

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.

Разрушение жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты

Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию
, (29)
где tfh расчетная удельная касательная сила пучения, кПа;
Afh площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания–оттаивания грунта, м2;
F расчетная нагрузка на фундамент, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т. п.);
Fr расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН;
gc коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;
gn коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1, а для фундаментов опор мостов – 1,3.
 
Расчетную удельную касательную силу морозного пучения tfh, кПа, следует определять, как правило, опытным путем. Для сооружений II и III уровней ответственности значения tfh допускается принимать по табл. 8 в зависимости от состава, влажности и глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов dth.

Таблица 8

Грунты и степень водонасыщения Значения tfh, кПа, при глубине сезонного промерзания – оттаивания dth, м
  1,0 2,0 3,0
Глинистые при показателе текучести IL > 0,5, пески мелкие и пылеватые при степени влажности Sr > 0,95 130 110 90
Глинистые при 0,25 < IL < 0,5, пески мелкие и пылеватые при 0,8 < Sr < 0,95, крупнообломочные с заполнителем (глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) свыше 30 % 100 90 70
Глинистые при IL < 0,25, пески мелкие и пылеватые при 0,6 < Sr < 0,8, а также крупнообломочные с заполнителем (глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) от 10 до 30 % 80 70 50

Примечания

1. Приведенные в таблице значения tfh относятся к поверхности бетонного фундамента. Для фундаментов из других материалов табличные значения tfh
должны умножаться на коэффициент
gaf, значения которого даны в рекомендуемом приложении В.

2. Для поверхностей фундаментов, покрытых специальными составами, уменьшающими силы смерзания, а также при применении других противопучинных мероприятий, значение tfh следует принимать на основании опытных данных.

Расчетное значение силы Fr, кН, удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определять по формулам:

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I

; (30)

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II

, (31)


где u

периметр сечения поверхности сдвига, м, принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты – периметру сечения фундамента; для столбчатых фундаментов с анкерной плитой – периметру анкерной плиты;

Raf,i

расчетное сопротивление i-го слоя многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания, кПа;

hi

толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания–оттаивания, м;

fi

расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа.
 
Заанкеренный столбчатый фундамент должен быть проверен на отрыв силами морозного пучения стойки фундамента от анкерной плиты. Усиление Ffh, кН, разрывающее заанкеренный фундамент, определяется по формуле

Ffh = tfhAfhF, (32)

где Afh–площадь боковой поверхности стойки фундамента, находящейся в пределах слоя сезонного промерзания–оттаивания грунта, м2.

Поверхностные, малозаглубленные фундаменты и свайные ростверки, закладываемые в слое сезонного промерзания–оттаивания грунтов, следует рассчитывать по устойчивости на действие нормальных сил морозного пучения и по деформациям.

Устойчивость фундаментов на действие нормальных сил морозного пучения проверяется по формуле

, (33)


где pfh

удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента и ростверка, кПа, устанавливаемое по опытным данным;

Аf

площадь подошвы фундамента и ростверка, м2.


Остальные обозначения те же, что в формуле (3).

Расчет по деформациям следует производить с учетом совместной работы сооружения и неравномерно выпучиваемого основания. При этом возникающие в результате неравномерных поднятий и опусканий фундаментов дополнительные усилия в конструкциях сооружения не должны превышать предельно допустимых значений, а крены и прогибы не препятствовать нормальной эксплуатации сооружения.

Особенности проектирования оснований и фундаментов на сильнольдистых многолетнемерзлых грунтах и подземных льдах

При проектировании оснований и фундаментов на сильнольдистых многолетнемерзлых грунтах и подземных льдах следует предусматривать использование таких грунтов в качестве основания, как правило, по принципу I. В случаях необходимости использования сильнольдистых грунтов по принципу II должны обязательно предусматриваться мероприятия по их предварительному оттаиванию или замене льдистых грунтов на непросадочные на расчетную глубину.

Для предотвращения деформаций поверхности планировки у сооружений и развития термокарста вследствие оттаивания подземных льдов или сильнольдистых грунтов, залегающих на небольшой глубине от поверхности, необходимо предусматривать устройство теплоизоляционной подсыпки и (или) теплозащитных экранов в пределах всей застраиваемой площадки. Толщина подсыпки hs,
а также параметры теплозащитных экранов определяются прогнозным теплотехническим расчетом из условия сохранения природного температурного состояния грунтов и положения верхней поверхности многолетнемерзлого грунта или ее повышения. Для сплошных подсыпок значение hs, м, допускается определять по формуле

, (34)


где dth,n и
dths,n
 нормативные глубины сезонного оттаивания соответственно природного грунта и грунта подсыпки, м;

d`th

допустимая глубина сезонного оттаивания природного грунта под подсыпкой, м.

Требования к материалу подсыпок, способам их укладки и уплотнения устанавливаются в проекте с учетом местных условий.

Основания фундаментов, закладываемых в пределах толщины подсыпки, следует рассчитывать по несущей способности и деформациям в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 . При отсутствии мероприятий по укреплению откоса подсыпки, расстояние от цоколя сооружения до бровки подсыпки должно быть не менее 3 м, а крутизна откосов подсыпки не более 1:1,5 для крупнообломочных грунтов, 1:1,75 – для песков и 1:2 – для прочих материалов.

Если столбчатые или ленточные фундаменты устанавливаются на многолетнемерзлые грунты, содержащие подземные льды, между их подошвой и слоем подземного льда должна быть прослойка природного грунта, искусственно уложенная с уплотнением грунтовая подушка и (или) несущий теплозащитный экран. Толщину прослойки (подушки) следует принимать исходя из расчета основания по деформации, но не менее четверти ширины подошвы фундамента. Параметры теплозащитного экрана определяются теплотехническим расчетом с учетом теплопередачи от здания к грунту основания по фундаменту.

При устройстве свайных фундаментов на участках с сильнольдистыми грунтами и подземными льдами следует применять буроопускные сваи с заливкой известково-песчаных или цементно-песчаных растворов с расстоянием в осях не менее двух диаметров скважины. Сваи не должны опираться на прослои льда, а под их торцом следует устраивать уплотненную грунтовую подушку толщиной не менее диаметра сваи. Оттаивание грунта вокруг сваи и под ее нижнем торцом не допускаются.

Осадку основания столбчатого фундамента на сильнольдистых грунтах и подземных льдах s следует определять по формуле

s = sp + st, (35)


где s p

осадка, обусловленная уплотнением основания под нагрузкой;

st

осадка, обусловленная пластичновязким течением грунта за заданный срок эксплуатации сооружения, определяемая по формуле

 

st = tun, (36)


здесь tu

– заданный срок эксплуатации здания (сооружения), год;

n

– скорость осадки, м/год, определяемая исходя из модели линейно- или нелинейновязкого полупространства.


Несущую способность основания свайного фундамента Fu в сильнольдистых грунтах следует определять, как правило, по данным полевых испытаний свай. Допускается определять несущую способность сваи расчетом по наименьшему значению Fu, полученному по условиям ее сопротивления сдвигу по грунтовому раствору и сдвигу грунтового раствора по контакту с льдистым грунтом. В последнем случае значение Fu, кН, следует рассчитывать по формуле

, (37)


где
gt и gc

обозначения те же, что и в формуле (2);

R —

расчетное сопротивление сильнольдистого грунта или льда под нижним концом сваи, кПа;

Aw

площадь поперечного сечения скважины, м2;

ii,j

льдистость за счет ледяных включений j-го слоя грунта;

Rsh,j; Rsh,i,j

расчетные сопротивления сдвигу грунтового раствора по многолетнемерзлому грунту и грунтового раствора по льду для середины j-го слоя, кПа;

Ash,

площадь поверхности сдвига в j-ом слое, определяемая в зависимости от диаметра скважины, м2.


Если прочность смерзания грунтового раствора с поверхностью сваи Raf < Rsh, то расчет несущей способности сваи Fu по формуле (37) следует производить при значениях Rsh = Raf, принимая площадь поверхности сдвига в j-ом слое грунта Ash,j равной площади поверхности сваи в этом слое.

В случаях, когда под торцом сваи предусматривается устройство грунтовой подушки, то значение R в формуле (37) принимается для грунта подушки. При этом предельная нагрузка на торец сваи определяется по формуле (37), как для сваи, диаметр которой равен диаметру скважины, а длина – толщине подушки.


Рис. 9. Схема к расчету фундаментов на действие касательных сил морозного пучения

Основные положения расчета малозаглубленных (поверхностных) фундаментов

Особый тип фундаментов составляют поверхностные и мало-заглубленные фундаменты, которые используются при строительстве сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов как по принципу I, так и по принципу П (п. 4.45 СНиП 2.02.04-98).

Такие фундаменты применяются и в районах с сезонным промерзанием грунтов, как правило, под здания и сооружения различного назначения с небольшими нагрузками на основание (п. 14* СНиП 2.02.01-83*). Применение указанного типа фундаментов позволяет исключить или существенно уменьшить вредное воздействие касательных сил морозного пучения и в несколько раз снизить затраты на работы нулевого цикла.

В том и другом случаях рассматривается возможность использования в основаниях сезоннопромерзающих грунтов, в том числе пучинистых. Процессы, которые происходят в грунтах при промерзании и оттаивании (миграция влаги, морозное пучение, образование криогенной текстуры, формирование посткриогенной структуры, изменение деформационных и прочностных свойств в процессе сезонного оттаивания) обуславливают морозоопасные свойства грунтов.

Проектирование фундаментов на сезоннопромерзающих грунтах выполняется с учетом совместной работы сооружения и основания, находящегося последовательно в двух состояниях: промерзающем и оттаивающем. Предварительное определение размеров подошвы фундаментов производится по расчетному сопротивлению оттаивающего грунта основания Rlh, величина которого рассчитывается по характеристикам прочностных свойств грунта в процессе его оттаивания — ср и clh. Значения таких характеристик устанавливаются опытным путем или на основании прогнозного расчета.

Расчет промерзающего основания по деформациям выполняют исходя из условия


Uде — величина деформации морозного пучения грунта основания с учетом его напряженного состояния: — значение предельной величины допустимой деформации морозного пучения основания проектируемого сооружения.

Малозаглубленные и поверхностные фундаменты, закладываемые в слое сезонного промерзания-оттаивания, рассчитывают по устойчивости на действие нормальных сил морозного пучения по формуле


где — удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента; — площадь подошвы фундамента; F — расчетная нагрузка на фундамент; , — коэффициенты соответственно условий работы и надежности.

Нормы проектирования указывают, что значение следует устанавливать опытным путем. Однако для целей проектирования это практически неосуществимо. Величина этого давления зависит от степени стесненности (ограничения) деформации морозного пучения промерзающего основания. При свободном перемещении ненагруженной поверхности основания.

Оценку устойчивости оснований малозаглубленного или поверхностного фундамента при оттаивании сезонномерзлых грунтов необходимо выполнять исходя из условия


Для прогноза указанных характеристик можно использовать закономерности изменения показателей прочности грунта в процессе его промерзания и последующего оттаивания (Карлов В.Д., 1997). На основании этих закономерностей разработана методика определения величины угла внутреннего трения оттаивающего грунта путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания (ф и с) за счет понижающих коэффициентов по формулам


где коэффициенты надежности по грунту при его оттаивании соответственно для угла внутреннего трения и удельного сцепления; у — коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влаги и морозного пучения на формирование посткриогенной структуры грунта и его прочностные свойства.

Составлены таблицы значений понижающих коэффициентов в зависимости от вида грунта, его состояния по консистенции и величины обобщенных коэффициентов морозного пучения грунта при промерзании его в конкретных условиях площадки или территории строительства’.

Рассматриваемая методика позволяет прогнозировать тотальную влажность грунтов после промерзания, по величине которой можно определить показатели теплофизических свойств промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов, необходимые при проектировании малозаглубленных фундаментов с теплоизоляцией.

Расчет оснований и малозаглубленных фундаментов по деформациям при использовании в качестве основания сезоннопромерзающих грунтов следует выполнять с учетом совместной работы основания и сооружения.

Мероприятия по уменьшению деформаций и сил морозного пучения (а следовательно, и по увеличению устойчивости основания при оттаивании) определяются в зависимости от характеристик морозоопасных свойств грунтов, рассмотренных выше. Использование эффективных утеплитечей (пенополистирол, пенопласт и др.) для уменьшения глубины промерзания — один из распространенных в настоящее время приемов проектирования малозаглубленных фундаментов.


Рис. 10. Варианты использования теплоизоляции а — с асфальтовой отмосткой и наружной вертикальной теплоизоляцией ленточного фундамента, б — без жесткой отмостки (задерновка) и с устройством теплоизоляции под подошвой фундамента (прочный пенополистирол) и с внутренней стороны ленточного фундамента, в — плитный фундамент и вертикальная теплоизоляция, размещенная внутри фундамента, I — железобетонный фундамент. 2 — теплоизоляция пола, 3 — вертикальная теплоизоляция. 4 — горизонтальная теплоизоляция, 5 — гидроизоляция (морозостойкая полиэтиленовая пленка), 6 — дренирующий грунт, 7-дренажная труба, 8 — асфальтобетонное покрытие, 9 — дренажная трубка для отвода конденсата

Конструкции и методы устройства фундаментов в районах распространения вечномерзлых грунтов

При проектировании сооружений по принципу 1 применяются следующие типы фундаментов на естественном основании, на искусственном основании, свайные и другие фундаменты глубокого заложения Фундаменты на естественном основании используются, когда по мерзлотно-грунтовым условиям технически целесообразно и экономически выгодно использовать сопротивление верхних горизонтов твердомерзлых грунтов под подошвой фундамента. Фундаменты на искусственных основаниях (главным образом на подсыпных) применяются, когда устройство заглубленных фундаментов является экономически не оправданным.

Свайные фундаменты являются наиболее распространенным типом фундаментов. По материалу они подразделяются на железобетонные, металлические и комбинированные (деревометаллические и деревожелезобетонные). Используются как сваи в готовом виде, так и изготовляемые в пробуренных скважинах (набивные). К материалу фундаментов предъявляются требования по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и устойчивости к воздействию агрессивных сред исходя из специфических условий эксплуатации сооружений в районах Севера. В проекте свайных фундаментов должны быть указаны способ погружения свай, а также температурные условия, при которых разрешается загружение свай.

По способу погружения в вечномерзлый грунт сваи подразделяются на следующие виды- буроопускные, бурозабивные, опускные.

Буроопускные сваи погружаются в пробуренные скважины, диаметр которых превышает на 5..10 см наибольший размер поперечного сечения сваи. После заполнения скважины грунтовым раствором производится опускание в нее сваи, которая постепенно смерзается с раствором и окружающим грунтом. Буроопускные сваи применяются в любых грунтах при температуре по их длине минус 0,5 °С и ниже.

 


Рис. 11. Способы погружения свай в вечномерзлый грунт: 1 — свая 2 — верхняя граница вечномерзлого фунта 3 — грунтовый раствор 4- стенка скважины, 5 — граница оттаивания вечномерзлого грунта

Бурозабивные сваи погружаются забивкой в лидерные скважины, диаметр которых несколько меньше наибольшего размера поперечного сечения сваи. Такие сваи допускаются к применению в пластично-мерзлых грунтах, не содержащих крупных включений, затрудняющих использование забивки свай.

Опускные сваи свободно (или с пригрузом) погружаются в оттаянный грунт в зоне диаметром до двух наибольших размеров поперечного сечения сваи. Указанный способ погружения допускается к применению в твердомерзлых грунтах, содержащих не более 15 % крупнообломочных включений при средней температуре грунта по длине сваи не выше минус 1,5 °С.

Расстояния между сваями принимаются для буроопускных — не менее двух диаметров скважины при ее диаметре до 1 м и не менее диаметра сваи плюс 1 м и более; для опускных и бурозабивных свай — не менее трех наибольших размеров поперечного сечения сваи.

Конструкции и методы устройств фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу II практически такие же, как и в условиях талых грунтов. В зависимости от конструкций фундаментов, характера и величины неравномерных деформаций оттаявшего и оттаивающего основания намечаются те или иные конструктивные мероприятия по приспособлению конструкций к восприятию дополнительных усилий, вызванных неравномерными осадками фундаментов.

При допущении оттаивания вечномерзлых грунтов под зданием в процессе эксплуатации применение свайных фундаментов особенно целесообразно, если они прорезают всю толщу льдо-содержащих грунтов и передают давление на скальную породу или другой малосжимаемый при оттаивании грунт. Сваи рационально использовать и с целью передачи нагрузки на вечномерзлые грунты, находящиеся ниже зоны оттаивания. При этом в расчетах фундаментов необходимо учитывать отрицательное трение, пригружающее сваи.

 


Рис. 12. Схема свайных фундаментов при допущении оттаивания вечномерзлых грунтов под сооружением: а — в скальных грунтах; б — при опирании свай на вечномерзлый грунт ниже зоны оттаивания; 1 — сваи; 2 — граница чаши протаивания; 3 — скальный грунт; 4 — вечномерзлый грунт

В заключение отметим, что большие и специфические трудности и сложности фундаментостроения на вечномерзлых грунтах определяются не только суровыми климатическими условиями рассматриваемых районов, но и особыми свойствами мерзлых грунтов, обусловленными их криогенным строением, составом и состоянием, зависящими в значительной степени от температуры.

Впервые разработанные российскими специалистами методы проектирования и устройства фундаментов в районах распространения вечномерзлых грунтов позволяют возводить современные здания и сооружения различного назначения, строить города и поселки в северной климатической зоне России. Новые проблемы надежности оснований и фундаментов в настоящее время возникают в связи с глобальным потеплением климата Земли.

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 3:05 пп