Оценка пучинистости грунтов

На территории России широко распространены пучинистые грунты, к которым относятся глины, суглинки, супеси, пески пылеватые и мелкие. При определенной влажности эти грунты, замерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пре­делах глубины его промерзания. Находящиеся в таких грунтах фундаменты также подвергаются подъему, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. Поскольку деформации пучения грунта, как правило, неравномерны, происходит неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается. В результате этого надфундаментные конструкции зданий и сооружений претерпевают недопустимые деформации и разрушаются. Деформациям от пучения грунта особенно подвержены легкие сооружения, к числу которых откосит­ся большинство малоэтажных сельских зданий.

В соответствии с нормами по проектированию оснований зданий и сооружений глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания. В этом случае подошва фундамента освобождается от воздействия нормальных сил пучения. Однако глубоко заложенные фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют касательные силы пучения. Если эти силы превосходят нагрузки, передаваемые легкими зданиями на фундаменты, то фундаменты также выпучиваются.

При проектировании фундаментов на основаниях, сложенных пучинистыми грунтами, следует учитывать возможность повышения влажности грунта за счет подъема уровня подземных вод, инфильтрации поверхностных вод и экранирования поверхности.

Пучинистые грунты характеризуются:

– абсолютной деформацией морозного пучения h_f, представляющей подъем ненагруженной поверхности промерзающего грунта;

– относительной деформацией (интенсивностью) морозного пучения e_fh (отношением h_f к толщине промерзающего слоя d_f);

– вертикальным давлением морозного пучения р_fh,v, действующим нормально к подошве фундамента;

– горизонтальным давлением морозного пучения р_fh,h, действующим нормально к боковой поверхности фундамента;

– удельным значением касательной силы морозного пучения t_fh, действующей вдоль боковой поверхности фундамента.

Указанные характеристики должны устанавливаться на основе опытных данных с учетом возможного изменения гидрогеологических условий.

Степень относительной деформации морозного пучения e_fr, определяется согласно ГОСТу 28622, по результатам испытаний образцов грунта в специальных установках, обеспечивающих промораживание образца исследуемого грунта в заданном температурном и влажностном режимах. Относительную деформацию морозного пучения образца грунта e_fh вычисляют с точностью 0,01 по формуле [1]:

 

,

 

где h_f – вертикальная деформация образца грунта, мм;

d_i – фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

Грунты в зависимости от e_fh подразделяются согласно ГОСТ 25100:

Практически непучинистые	efh <0,01
Слабопучинистые	0,01 < efh <0,035
Среднепучинистые	0,035 < efh <0,07
Сильно и чрезмерно пучинистые	0,07 < efh

Для сооружений III уровня ответственности допускается определять значения e_fh в зависимости от параметра R_f (рис. 4.), вычисляемого по формуле

(4.1)

где w, w_p - влажность в пределах слоя промерзающего грунта соответственно природная и на границе раскатывания, доли единицы;

w_cr - критическая влажность, доли единицы, ниже значения которой в промерзающем пучинистом грунте прекращается перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение; определяется по графикам (рис. 4.11);

w_sat - полная влагоемкость грунта, доли единицы;

r_d - плотность сухого грунта, т/м;

М ₀ - безразмерный коэффициент, численно равный абсолютному значению средней многолетней температуры воздуха за зимний период, определяемый в соответствии с СП 131.13330.

Значение R_f рассчитывается по формуле 6.1, если плотность сухого грунта равна 1,5 т/м³; при иной плотности грунта расчетное значение R_f умножается на отношение r_d/ 1,5, где r_d – плотность сухого исследуемого грунта, т/м³.

Пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) со степенью влажности S_r >0,9, или уровень подземных вод которых, расположен у границы сезонного промерзания грунта считаются сильнопучинистыми.

Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод; при водонасыщении в условиях замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых.

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при I_p <0,02 определяются через показатель дисперсности D на основании выявления их зернового состава (рис. 6.1). Эти грунты относятся к непучинистым при D<1, к пучинистым – при D > 1. Для слабопучинистых грунтов показатель D изменяется от 1 до 5 (1< D<5). Значение D определяется по формуле [11]:

 

, (6.3)

 

где k – коэффициент, равный 1,85х10^-4 см²; e – коэффициент пористости; d_o – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле [11]:

 

(6.4)

 

где р_i – доля фракций, % по массе; d_i – средний диаметр частиц отдельных фракций, см, определяемый по формуле

где р ₁, р ₂,..., p_i - процентное содержание отдельных фракций грунта, доли единицы; d ₁, d ₂,..., d_i - средний диаметр частиц отдельных фракций, см. Средние диаметры частиц отдельных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный средний диаметр последней тонкой фракции принимается максимальный размер частиц, деленный на коэффициент 1,4.

 

Рис. 4. 9 - Взаимосвязь параметра R_f и относительной деформации пучения e_fh: 1, 2 - супеси; 3 - суглинки; 4 - суглинки с 0,07 < I_p £ 0.13; 5 - суглинки с 0,13 < I_p £ 0,17; 6 - глины (в грунтах 2, 4 и 5 содержание пылеватых частиц размером 0,05-0,005 мм составляет более 50 % по массе); а - практически непучинистый; б - слабопучинистый; в - среднепучинистый; г - сильнопучинистый; д – чрезмернопучинистый

 

Рис. 4. 10 - Зависимость критической влажности w_cr от числа пластичности J_p и предела текучести грунта w_L

 

Пример оценки пучинистых грунтов. Требуется запроектировать мелкозаглубленный фундамент одноэтажного здания с полами по цокольному перекрытию, возводимому вблизи г. Вологды.

Грунты площадки представлены покровными суглинками, которые в пределах нормативной глубины промерзания имеют следующие характеристики:

плотность сухого грунта r_d = 1,64 т/м³;

плотность твердых частиц r_s = 2,79 т/м³;

природная влажность грунта w₁ = 0,295, w₂ = 0,26 (неравномерное распределение по площадке изысканий);

влажность на границе текучести w_L = 0,32;

влажность на границе раскатывания w_p = 0,208;

число пластичности I_p = 0,112;

полная влагоемкость грунта w_sat = 0,251;

коэффициент фильтрации K = 3х10^-2 м/сут.

Уровень подземных вод залегает на глубине 3,0 м. Нормативная глубина промерзания d_fn = 1,5 м.

Определим параметр R_f по формуле:

,

где w – расчетная предзимняя влажность грунта в слое сезонного промерзания, определяется по формуле

w_п – среднее значение природной влажности по глубине d_fn в период изысканий в конце июля, равно W₁ = 0,295, W₂ = 0,26;

W_e, W₀ – расчетное количество осадков, выпавших за период t_e, предшествующий моменту проведения изысканий, и за тот же период t_e до установления среднемесячной отрица­тельной температуры воздуха, соответственно.

Согласно данным «Справочника по климату», вып. 1 (Л., Гидроме-теоиздат, 1968) среднемесячное количество осадков, выпадающих в летне-осенний период в районе г. Вологды, составляет:

Месяц VI VII VIII IX Х

количество

осадков, мм 74 76 75 72 58

 

Расчетное количества осадков за период 1,7 месяца до начала промерзания грунта равно:

Расчетные экстремальные значения влажности при w₁ и w₂ равны:

w_cr = 0,21 (рис. 6.2)

(СП 131.13330).

с учетом исходной плотности сухого грунта r_d = 1,64 т/м³;

Согласно табл. 6.1 площадка сложена среднепучинистыми грунтами. На основе полученного результата производится выбор конструктивного решения фундамента.

Согласно методике приведенной в [117], величина относительной деформации морозного пучения (коэффициент морозного пучения) промерзающего слоя глинистого грунта при ненагруженной его поверхности в естественных условиях для случая отсутствия подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле:

 

e_f=(αw(ρ_d/ρ_w) –b)g_Т, (6.2)

где w – природная влажность грунта перед его промерзанием, доли единицы;
ρ_d=ρ/(1–b) – плотность скелета грунта при его естественной (природной) плотности ρ, кг/м³; ρ_w – плотность воды, находящейся в порах грунта, ρ_w =1000 кг/м³; g_Т – коэффициент, учитывающий влияние скорости и продолжительности промерзания грунта в районе строительства; α и b – параметры пучинистых свойств грунтов, определяемые по табл. 6.4 в зависимости от вида глинистого грунта, величины числа пластичности I_p и значения влажности грунта на границе текучести w_L.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта, воспринимающего внешнее давление от сооружения при отсутствии подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле:

 

e_f=(αw(ρ_d/ρ_w) –b–yσ)g_Т, (6.3)

 

где σ – среднее дополнительное вертикальное напряжение в промерзающем слое грунта, МПа; y – параметр, учитывающий влияние внешнего давления на интенсивность морозного пучения грунта, МПа^–1, определяется по табл. 6.4.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта при отсутствии на его поверхности нагрузки в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания определяется по формуле:

 

e_f=(αw(ρ_d/ρ_w) –b–y)g_Тχ,

 

где χ – коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность процесса миграции влаги и морозного пучения, определяемый по формуле:

χ =(z_max d_ws)/(z+ d_ws),

 

где z – расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод, м, z_max – то же, когда влияние подземных вод можно не учитывать (z≥z_max), устанавливается по табл. 6.5; d_ws – глубина зоны всасывания, в пределах которой происходит миграция влаги к границе промерзания, равная 0,30 м.

Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта, воспринимающего внешнее давление от сооружения в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания, определяется по формуле:

 

e_f=(αw(ρ_d/ρ_w) –b–yσ)g_Тχ.

 

Коэффициент морозного пучения слоя песка крупного или средней крупности при невозможности отжатия влаги от границы промерзания определяется по формуле:

 

e_f=0,09S_re(ρ_d/ρ_s),

где ρ_s – плотность минеральных частиц, величина которой может быть принята равной 2650 кг/м³; S_r=wρ_s/eρ_w – степень влажности песка перед промерзанием, доли единицы; e=(ρ_s–ρ_d)/ρ_d – коэффициент пористости песка, д. ед.

Таблица 4.41

Значения параметров пучинистых свойств α, b, y глинистых грунтов [117]

Наименование грунта и число пластичности	Влажность грунта на границе текучести, wL, д. ед.	Параметры
α	b	y
Супеси 0,02< Ip £0,07	0,15	0,216	0,025	0,028
0,25	0,174	0,037	0,029
0,33	0,155	0,043	0,030
Супеси пылеватые 0,02< Ip £0,07	0,15	0,302	0,041	0,034
0,25	0,245	0,058	0,035
0,33	0,228	0,071	0,036
Суглинки 0,07< Ip £0,17	0,20	0,310	0,048	0,050
0,30	0,242	0,054	0,052
0,40	0,202	0,056	0,054
0,50	0,168	0,058	0,056
Суглинки пылеватые 0,07< Ip £0,13	0,20	0,268	0,029	0,056
0,30	0,237	0,046	0,058
0,40	0,224	0,062	0,060
0,50	0,206	0,070	0,062
Суглинки пылеватые 0,13< Ip £0,17	0,20	0,234	0,015	0,059
0,30	0,199	0,026	0,061
0,40	0,189	0,039	0,064
0,50	0,184	0,050	0,068
Глины Ip >0,17	0,25	0,176	0,017	0,050
0,35	0,149	0,021	0,052
0,45	0,141	0,029	0,054
0,55	0,134	0,035	0,056
0,65	0,131	0,040	0,058

Таблица 4.42

- Значение z _max

 

Наименование грунта	Значение z max, м
Глины с монтмориллонитовой и иллитовой основой	3,5
Глины с каолинитовой основой	2,5
Суглинки пылеватые с Ip > 0,13	2,5
Суглинки с Ip > 0,13	2,0
Суглинки пылеватые с Ip £ 0,13	2,0
Суглинки с Ip £ 0,13	1,8
Супеси пылеватые с Ip > 0,02	1,5
Супеси с Ip > 0,02	1,3
Супеси с Ip £ 0,02, пески пылеватые	1,0
Пески мелкие	0,8

 

 

В условиях промерзания крупных и средней крупности песков с отжатием воды от фронта промерзания коэффициент морозного пучения может быть менее 0,01.

Коэффициент морозного пучения слоя пылеватого и мелкого песка определяется по формуле:

 

e_f=0,09S_re(ρ_d/ρ_s) χ,

 

Здесь, глубина зоны всасывания d_ws принимается равной 0,4 м.

Величина абсолютной деформации морозного пучения (величина пучения) слоя грунта при отсутствии на его поверхность внешней нагрузки определяется из выражения:

 

f_f =e_f d_f,

 

где e_f – коэффициент морозного пучения слоя грунта при ненагруженной поверхности, величина которого определяется в зависимости от положения уровня подземных вод, доли единицы; d_f – глубина промерзания грунта, м.

Величина абсолютной деформации морозного пучения грунта основания в пределах сжимаемой толщи (при местной нагрузке на основание) определяется по формуле:

 

f_f =e_f h_f,

 

где e_f – средневзвешенное значение коэффициента морозного пучения грунта, определяемое по формуле (6.3) с учетом средней величины дополнительного напряжения в промерзшем слое грунта толщиной h_f.

Величина максимального значения нормального давления морозного пучения глинистого грунта по подошве фундамента или к поверхности иной конструкции, определяется по формуле:

 

p_fmax=(αw(ρ_d/ρ_w)–b/y,

 

где p_fmax – максимальное значение удельного нормального давления морозного пучения грунта, МПа; остальные значения указаны выше.

Величина удельного нормального давления морозного пучения песка пылеватого и мелкого может быть вычислена по формуле:

 

p_fmax =0, 09S_re(ρ_d/ρ_s) /y,

 

где y – коэффициент, величина которого принимается для песка пылеватого 0,042, а для мелкого песка – 0,049 [117].

В соответствии с нормами по проектированию оснований зданий и сооружений глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания. В этом случае подошва фундамента освобождается от воздействия нормальных сил пучения. Однако глубоко заложенные фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют касательные силы пучения. Эти силы превосходят нагрузки, передаваемые легкими зданиями на фундаменты, в результате чего фундаменты выпучиваются. Определяются эти силы в полевых условиях согласно ГОСТ 27217.