Расчет оснований и фундаментов по несущей способности при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I

g_n – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 в зависимости от вида и класса ответственности сооружения.

Несущая способность основания F_u, кН (кгс), висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле [8]:

, (4.12)

где g_t – температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения из-за случайных изменений температуры воздуха;

g _с – коэффициент условий работы основания (табл. 4.6);

Таблица 4.6

Коэффициенты условий работы основания [8]

R – расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента (табл. 4.7), кПа (кгс/см²);

А – площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м² (см²), принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения, 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;

R_af,i – расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах i-го слоя грунта (табл. 4.8), кПа (кгс/см²);

А_af,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 (см²);

n – число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.

При однородных по составу многолетнемерзлых грунтах несущую способность основания висячей сваи допускается определять по формуле [8]:

F_u = g_tg_c (RA + R_af A_af) (4.13)

Расчетные температуры грунтов T_m, T_z и Т_е 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.

– g_I - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³;

– d - глубина заложения фундамента, м.

Для расчета оснований сооружений II и III уровней ответственности, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям, расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов R, R_af допускается принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными (табл. 4.7, 4.8).

Таблица 4.7

Расчетные давления на мерзлые незасоленные грунты R под нижним концом сваи

Таблица 4.8

Расчетные сопротивления мерзлых незасоленных грунтов и грунтовых растворов сдвигу по поверхности смерзания R_af [8]

Температурный коэффициент g _t определяется по формуле

,

t - длительность эксплуатации сооружения, лет; v - коэффициент вариации несущей способности, безразм.:

,

– где T_bf - температура начала замерзания грунта, °С,

– T ₀' - расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, °С (для оснований опор линий электропередач, антенно-мачтовых опор и трубопроводов принимается равной среднегодовой температуре многолетнемерзлого грунта );

– A - амплитуда сезонных колебаний температуры наружного воздуха, °С, определяемая как полуразность значений среднемесячной температуры самого теплого и самого холодного месяца по СП 131.13330;

– s - среднее квадратическое отклонение среднегодовой температуры наружного воздуха, °С, определяемое по табл. 4.10;

– D_m,e - коэффициент затухания случайных колебаний температуры с глубиной, безразм., определяемый по табл. 4.9 и принимаемый равным D_m для столбчатых и ленточных фундаментов и D_e – для свайных; T_m,e - расчетная температура многолетнемерзлого грунта, °С,

– C – коэффициент, град ^{1/ 2}, принимаемый равным 0,24 для свайных фундаментов, а для столбчатых и ленточных – в зависимости от вида грунта под подошвой фундамента: 0 - для крупнообломочных и песчаных грунтов, 0,19 - для супесей и 0,29 - для суглинков и глин.

Таблица 4.9

Коэффициенты затухания случайных колебаний температуры с глубиной

Коэффициенты	Значения
(0)	(25)	(50)	(75)	(100)	(125)	(150)	(175)	(250)	(300)
Dm	(0)	0,86 (0,80)	0,75 (0,66)	0,66 (0,54)	0,58 (0,46)	0,46 (0,39)	0,37 (0,34)	0,31 (0,29)	0,21 (0,21)	0,16 (0,18)
De	(0)	0,93 (0,90)	0,86 (0,79)	0,79 (0,73)	0,71 (0,66)	0,66 (0,60)	0,58 (0,55)	0,52 (0,50)	0,41 (0,41)	0,34 (0,36)
Условные обозначения: z - глубина заложения подошвы фундамента от поверхности многолетнемерзлого грунта, м; cf - объемная теплоемкость мерзлого грунта, Дж/(м3 0С) [ккал/(м3 0С)]; γf - теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м.0С) [ккал/(м.ч.0С)]

Таблица 4.10

Среднее квадратическое отклонение средней годовой температуры наружного воздуха () (с сокращениями)

Метеостанция	Широта, град	Долгота, град	, 0С	Метеостанция	Широта, град	Долгота, град	, 0С
Иркутская область
Алыгджер	53,6	98,2	0,82	Качуг	54,0	105,9	0,78
Балаганск	53,7	106,3	0,84	Киренск	57,8	108,1	1,29
Бодайбо	57,9	114,2	1,15	Мама	58,3	112,8	1,13
Братск	56,3	101,8	1,19	Нижнеудинск	54,9	99,0	0,91
Верхняя Гутара	54,2	100,0	0,81	Орлинга	56,1	105,8	1,06
Ербогачен	61,3	108,0	1,44	Тайшет	56,0	98,0	1,12
Жигалово	54,8	105,2	0,98	Тангуй	55,4	101,0	0,99
Зима	53,9	102,1	0,93	Танхой	51,5	105,0	0,71
Инга	53,0	102,0	0,65	Усть-Илимск	58,0	102,7	1,35
Иркутск	52,3	104,4	1,10	Усть-Уда	54,5	103,3	0,87
Казачинск	56,3	107,5	1,20	Хамар-Дабан	51,5	103,6	0,78
Красноярский край
Агата	66,9	93,5	1,31	Ессей	68,5	102,4	1,28
Байкит	61,7	96,4	1,42	Игарка	67,5	86,6	1,33
Ванавара	60,3	102,3	1,50	Норильск	69,5	88,3	1,49
Верхне-Имбатское	63,2	88,1	1,47	Туруханск	65,9	88,1	1,23
Волочанка	71,0	94,5	1,41	Тура	64,3	100,2	1,17
Ханты-Мансийский а.о.
Сургут	61,4	73,5	1,16	Ханты-Мансийск	61,1	69,1	1,10
Читинская область
Акша	50,3	113,3	0,78	Кыра	49,6	112,0	0,63
Амазар	53,7	120,7	0,78	Нерчинский з-д	51,3	119,6	0,70
Борзя	50,4	116,5	0,75	Хилок	51,4	110,5	0,76
Калакан	55,1	116,8	0,92	Чара	56,9	118,3	1,07
Красный Чикой	50,3	108,8	0,78	Чита	52,0	113,3	0,98
Республика Саха (Якутия)
Алдан	58,6	125,0	1,11	Оленек	68,5	112,4	1,21
Амга	60,9	132,0	1,17	Сангар	64,0	127,5	1,00
Верхоянск	67,5	133,3	1,07	Саханджа	69,8	128,1	1,20
Витим	59,5	112,6	1,43	Сеген-Кюель	64,0	130,3	0,90
Делянкир	63,8	145,6	1,00	Сухана	68,8	117,9	1,32
Жилинда	70,1	113,8	1,15	Тикси	71,7	128,7	1,26
Западная	62,9	138,5	1,07	Туой-Хая	62,5	111,2	1,45
Зырянка	65,8	150,8	0,91	Усть-Мая	60,4	134,5	1,00
Маак	67,8	115,5	1,49	Чульман	56,8	124,9	0,96
Мирный	62,5	114,0	1,29	Чумпурук	64,2	116,9	1,20
Мянгкяра	68,0	123,0	1,22	Шелагонцы	66,3	114,3	1,12
Нюрба	63,3	118,3	1,34	Якутск	62,1	129,5	1,15
Оймякон	63,3	143,2	0,98	Ярольин	67,1	108,5	1,54
Ямало-Ненецкий а.о.
Гыдояма	70,9	78,5	1,40	Салехард	66,6	66,6	1,46
Марре-Сале	69,7	66,8	1,39	Тазовский	67,5	78,8	1,33
Надым	65,6	72,5	1,22	Тамбей	71,5	71,8	1,14
о.Белый	73,3	70,7	1,47	Тарко-Сале	64,9	77,8	1,27
Ныда	66,6	73,0	1,46	Уренгой	66,0	78,4	1,50
Полуй	66,0	68,7	1,44	Харасавэй	71,2	66,9	1,59

При расчетах многолетнемерзлых оснований по несущей способности деформациям расчетные температуры грунтов T_m, T_z и Т_е следует принимать равными:

– Т_m – максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента z_d, отсчитываемой от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта;

– Т_е – максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундамента z_d температуре многолетнемерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная температура грунта) (рис. 4.1);

– T_z – температура многолетнемерзлого грунта на данной глубине z от его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры Т_е.

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 T_m, T_z и Т_е допускается определять по формулам для оснований сооружений с холодным подпольем [8]:

под серединой сооружения

; (4.14)

под краем сооружения

^; (4.15)

под углами сооружения

, (4.16)

где Т’₀ – расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, ° С; определяется расчетом по условию обеспечения требуемых значений расчетной температуры грунтов в основании сооружения с учетом мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка строительства. Допускается принимать значение Т’₀ – T_bf по табл. 4.9 в зависимости от среднегодовой температуры грунта, Т₀, и температуры начала замерзания грунта T_bf, ° С; с учетом ширины сооружения В и глубины заложения фундаментов z. Значение Т’₀ находится как разница между табличным значением (табл. 4.11) и T_bf.

Таблица 4.11

Расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения [8]

Значения , °С	Ширина сооруже­ния В, м	Значения °С, для фундаментов
столбчатых при глубине заложения z, м	свайных при глубине заложения z, м
–0,5		–10 –8	–3,5 –2,5	–5 –3,5	–3 –2,5	–2,5 –2
–1		–10 –8	–3 –2,5	–4 –3,5	–2,5 –2	–1,5 –1,5
–2		–9 –7	–2 –2	–3 –3	–1,5 –2	–1 –1
–5		–6,5 –6	–1 –1	–1 –2	–1 –1	–1 –1
–8		–3 –4	–1 –1	–1 –1	–1 –1	–1 –1

– a_m, a_z, a_e – коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемых по табл. 4.12 в зависимости от значения параметра , с^0,5 (ч^0,5), где z – глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта, м; C_f – объемная теплоемкость, Дж/ (м³×°С) и l _f – теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м³×°С), a_m – для расчета столбчатого фундамента, a_z и a_e для свайного;

– k ₁, k ₂ и k ₃ – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 4.13 в зависимости от отношений z / В и L / В, L и В – соответственно длина и ширина сооружения, м. Глубина заложения фундаментов z отсчитывается от уровня верхней поверхности многолетнемерзлого грунта.

– k_ts – коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений, принимаемый по табл. 4.14 в зависимости от вида и глубины заложения фундаментов z, м.

Таблица 4.12

Коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания [8]

Коэф-фици-­ енты	Значения (ч0,5)
(0)	(25)	(50)	(75)	(100)	(125)	(175)	(175)	(250)	(300)
am	(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)	0,30 (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)	0,14 (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 4.13

Коэффициенты теплового влияния сооружения [8]

Таблица 4.14

Коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений [8]

Если прочность смерзания грунтового раствора с поверхностью сваи R_af < R_sh, то расчет несущей способности сваи F_u по формуле (4.17) следует производить при значениях R_sh = R_af, принимая площадь поверхности сдвига в j -ом слое грунта A_sh,j равной площади поверхности сваи в этом слое.

Особенности проектирования оснований и фундаментов на склонах. При строительстве на склонах мерзлых пород следует применять преимущественно принцип I использования многолетнемерзлых грунтов, при условии, что в течение всего периода эксплуатации будет обеспечена отрицательная температура, требуемая по расчету устойчивости склона и несущей способности оснований.

Проектирование оснований и фундаментов на склонах (откосах) в районах распространения многолетнемерзлых грунтов следует выполнять по первой группе предельных состояний в соответствии с указаниями СП 22.13330.2011, с учетом снижения прочности мерзлых грунтов при увеличении температуры и длительности воздействия нагрузки, а также влияния геокриологических условий.

При проектировании оснований и фундаментов на склонах многолетнемерзлых грунтов и присклоновой территории следует рассматривать термодинамическое равновесие системы «сооружение-основание-склон» с учетом нормативных документов по инженерно-геологическим изысканиям для строительства (СНиП 11-02-96, СП 11-103-97, СП 11-105-97 (ч.I-IV)), а также следующих факторов:

- крутизна, высота, протяженность, ширина и экспозиция склона;

- проявление глубинных и солифлюкционных оползаний и нарушение растительного покрова, наледеобразование, бугры пучения, термокарст, термоэрозия;

- мощность слоя и характер распространения многолетнемерзлых грунтов (сплошное, прерывистое, островное), наличие жильного и пластового льда, таликов, криопэгов;

- температура мерзлого грунта во времени по глубине и простиранию склона (изотермы) на стадии строительства, эксплуатации и ликвидации объектов;

- особенности природных криогенных форм рельефа (глетчеры, курумы и др.), а также формирования техногенных форм (отвалы, карьеры, котлованы, выемки, насыпи и др.);

- геокриологические условия (текстура, влажность, льдистость физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов), а также характер напластования пород;

- наличие сооружений на склонах, имеющиеся деформации сооружений, а также мероприятия по противооползневой защите;

- интенсивность и характер техногенной нагрузки, особенности теплового и силового воздействия на склоне проектируемых сооружений по продолжительности, охвату территории, количественным значениям температуры, конструктивным особенностям сооружений.

Расчеты устойчивости склонов (откосов) и сооружений на них в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, в отличие от талых грунтов, следует осуществлять с учетом температурного состояния грунтового массива. В зависимости от температурного состояния грунтового массива следует рассматривать два основных типа криогенных оползней:

1 - мерзлые;

2 - оттаивающие.

Кроме того, существуют различные типы смешанных криогенных оползней.

Прогноз устойчивости склонов и сооружений на них необходимо осуществлять на основании выполнения прогнозных теплотехнических расчетов, схематизации природных условий и определения поверхностей скольжения в мерзлых породах, а также возможности возникновения и развития солифлюкции.