Расчет оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения

 

В период сезонного промерзания грунтов на фундамент действуют силы выпучивания, направленные вертикально вверх и стремящиеся поднять, "выдернуть" фундамент из многолетнемерзлых грунтов. Поэтому глубина заложения фундаментов должна проверяться расчетом по устойчивости фундаментов на действие сил морозного пучения грунтов. Величина пучения деятельного слоя в районах распространения многолетнемерзлых грунтов или в зоне глубокого сезонного промерзания достигает 10–30 см, а касательные силы пучения, развивающиеся при сезонном промерзании грунтов и воздействующие на фундаменты сооружений, доходят до 0,3 МПа

Различают два вида сил пучения: нормальные и касательные. Нормальные силы действуют по нормали к подошве фундамента, расположенного в слое сезонного промерзания или протаивания. Их необходимо учитывать при проектиро­вании фундаментов неглубокого заложения.

Силы пучения, обусловленные смерзанием пучинистого грунта с боковой поверхностью фундамента, действуют по касательной к его поверхности (рис. 6.3). Эти силы учитываются при проектировании основных типов фундаментов, глубина заложения которых, должна превышать нормативную глубину сезонного протаивания (промерзания) грунтов на участке.

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.

Расчет устойчивости фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения, действующих вдоль боковой поверхности фундаментов, должен выполняться при заложении подошвы фундаментов ниже расчетной глубины промерзания пучинистых грунтов.

Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию [8]:

 

, (6.5)

 

где t_fh – расчетная удельная касательная сила пучения, кПа (кгс/см²);

A_fh – площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания–от­таи­вания грунта, м² (см²);

F – расчетная нагрузка на фундамент, кН (кгс), принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветро­вые, крановые и т. п.);

F_r – расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН (кгс);

g_c – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;

g_n – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1, а для фундаментов опор мостов – 1,3.

Расчетную удельную касательную силу морозного пучения t_fh, кПа (кгс/см²), следует определять, как правило, опытным путем. Для сооружений II и III классов ответственности значения t_fh допускается принимать по табл. 4.45.

Расчетную удельную касательную силу морозного пучения t _fh, кПа, следует определять, как правило, опытным путем. Для сооружений II и III уровней ответственности значения t _fh допускается принимать по табл. 7.8 в зависимости от состава, влажности и глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов d_th.

 

Таблица 4.44

Расчетная удельная касательная сила морозного пучения

Грунты и степень водонасыщения	Значения t fh, 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
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 %
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 %

 

Расчетное значение силы F_r, кН (кгс), удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определять по формулам [8]:

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I

 

; (6.7)

 

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II

 

, (6.8)

 

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

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

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

f_i – расчетное сопротивление i -го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см²), принимаемое согласно СП 24.13330.2011, приведены в табл. 6.4.

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

 

, (7.33)

 

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

А_f – площадь подошвы фундамента и ростверка, м².

Мелкозаглубленный (незаглубленный) фундамент конструктив­но представляет собой бетонный или железобетонный элемент уложен­ный, как правило, на подушку или подсыпку из непучинистого материа­ла, которые уменьшают перемещения фундамента, как в период промерзания грунта, так и при его оттаивании. В качестве материала для устройства подушки (подсыпки) может быть использован песок гравелистый, крупный или средней круп­ности, мелкий щебень, котельный шлак, а также – непучинистые грунты, имеющие показатель дисперсности D < 1. В необходимых случаях для увеличения несущей способности основания целесообразно предусматривать устройство песчано-щебеночной подушки, состоящей из смеси песка крупного, средней крупности (40%), щебня или гравия (60%).

При высоком уровне подземных вод и верховодке необходимо предусматривать меры к предохранению материала подушки от заиливания окружающим пучинистым грунтом. Воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, если расстояние от границы промерзания d_fn до уровня подземных вод, больше значения z, м, которое определяется по табл. 4.44.

В зависимости от степени пучинистости грунта основания ленточные мелкозаглубленные фундаменты зданий со стенами из кирпича, блоков, панелей следует устраивать:

– на практически непучинистых, слабопучинистых и среднепучинистых при (при e_fh £ 0,05) грунтах – из бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой;

– на среднепучинистых (при e_fh > 0,05) и сильнопучинистых грун­тах;

– из сборных железобетонных (керамзитобетонных) блоков, жестко соединенных между собой, или из монолитного железобетона;

– на среднепучинистых грунтах могут применяться ленточные фундаменты из сборных блоков с устройством над ними и под ними армированных поясов;

– на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах – армированные монолитные фундаменты с применением при необходимости армированных или железобетонных поясов над проемами верхнего этажа и в уровне перекрытий.

Независимо от степени пучинистости грунта при f > 0,05 ленточные фундаменты всех стен здания должны быть жестко связаны между собой, объединены в единую рамную конструкцию.

Ленточные мелкозаглубленные (незаглубленные) фундаменты зданий из деревянных конструкций следует устраивать:

– на практически непучинистых и слабопучинистых грунтах – из сборных бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой;

– на среднепучинистых грунтах – из армированных блоков сечением 0,25х0,2 м и длиной не менее 2 м, укладываемых в два ряда с перевязкой швов;

– на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах из сборных арми­рованных блоков, жестко соединенных между собой, или монолитного железобетона [1].

Столбчатые мелкозаглубленные фундаменты на средне- и сильнопучинистых грунтах должны быть жестко связаны между собой фундаментными балками, объединенными в единую рамочную систему.

Протяженные здания следует разрезать по всей высоте на отдельные отсеки, длина которых принимается: для слабопучинистых грунтов до 30 м, среднепучинистых – до 25 и, сильнопучинистых – до 20 м, чрезмерно пучинистых – до 15 м.

Секции зданий, имеющие равную высоту, следует устраивать на раздельных фундаментах.

Пример расчета устойчивости свайного основания наземного трубопровода на воздействие касательных сил морозного пучения. Сваи диаметром D =0,32м. Глубина погружения сваи от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта z =3м. Расчетная нагрузка на сваю – F =10 кН. Грунт представлен суглинком мягкопластичной консистенции, показатель текучести I_L =0,6.Расчетная глубина сезонного оттаивания – d_th= 1,8м. Расчетная температура многолетнемерзлого грунта Т₀= –1,5ºС. Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта λ_f= 1,4Вт/(м·ºС), объемная теплоемкость С_f= 522 Вт/(м³·ºС).

При показателе текучести грунта I_L =0,6 и d_th= 1,8м интерполируя данные табл. 4.45, получаем значения t_fh = 114 КПа.

Определяем площадь боковой поверхности смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного оттаивания грунта:

 

A_{fh =}pDd_th= 3,14·0,32·1,8=1,8 м².

 

Прежде чем определять расчетное значение силы удерживающей фундамент от выпучивания определяется расчетная температура многолетнемерзлых грунтов по длине сваи, по которой определяется сопротивление сдвигу по поверхности смерзания. R_af.

Таблица 4.45

Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и свай-оболочек

Средняя глубина с лоя грунта, м	Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и свай-оболочек fi, кПа (тс/м2)
песчаных грунтов средней плотности
крупных и средней крупности	мел­ких	пыле­ва­тых	–	–	–	–	–	–
пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести IL равном
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	35(3,5)	23 (2,3)	15(1,5)	12(1,2)	8(0,8)	4(0,4)	4(0,4)	3(0,3)	2(0,2)
	42(4,2)	30 (3,0)	21(2,1)	17(1,7)	12(1,2)	7(0,7)	5(0,5)	4(0,4)	4(0,4)
	48 (4,8)	35(3,5)	25 (2,5)	20 (2,0)	14(1,4)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)	5(0,5)
	53(5,3)	38(3,8)	27 (2,7)	22 (2,2)	16(1,6)	9(0,9)	8(0,8)	7(0,7)	5(0,5)
	56 (5,6)	40(4,0)	29 (2,9)	24 (2,4)	17(1,7)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
	58(5,8)	42(4,2)	31 (3,1)	25 (2,5)	18(1,8)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
	62(6,2)	44(4,4)	33 (3,3)	26 (2,6)	19(1,9)	10(1,0)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
	65 (6,5)	46 (4,6)	34(3,4)	27 (2,7)	19(1,9)	10(1,0)	8(0,8)	7 (0,7)	6(0,6)
	72(7,2)	51 (5,1)	38(3,8)	28 (2,8)	20 (2,0)	11(1,1)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
	79(7,9)	56 (5,6)	41 (4,1)	30(3,0)	20 (2,0)	12(1,2)	8(0,8)	7 (0,7)	6(0,6)
	86(8,6)	61 (6,1)	44 (4,4)	32(3,2)	20 (2,0)	12(1,2)	8(0,8)	7(0,7)	6(0,6)
	93 (9,3)	66(6,6)	47 (4,7)	34(3,4)	21 (2,1)	12(1,2)	9(0,9)	8(0,8)	7(0,7)
	100 (10,0)	70 (7,0)	50(5,0)	36(3,6)	22 (2,2)	13(1,3)	9(0,9)	8 (0,8)	7(0,7)
Примечания: 1. При определении расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности свай fi пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м. 3. Значения расчетного сопротивления плотных песчаных грунтов на боковой поверхности свай fi следует увеличивать на 30% по сравнению со значениями, приведенными в таблице. 4. Расчетные сопротивления супесей и суглинков с коэффициентом пористости е < 0,5 и глин с коэффициентом пористости е < 0,6 следует увеличивать на 15 % по сравнению со значениями, приведенными в таблице, при любых значениях показателя текучести.

Поскольку разрез сложен однородным грунтом, в формуле 4.14 используем коэффициент сезонного изменения температуры грунтов основания a_е., для чего находим параметр:

 

z√C_f/λ_f = 3√522/1,4=57,9 ч^0,5.

 

Значение коэффициента a_е по данным табл. 4.10 равно 0,42, значение коэффициента k_ts по табл. 4.12 равно 1. Отсюда:

 

T_e = (T₀ – T_bf) a_m,z,ek_ts + T_bf=[–1,5–(–0,3)]·0,42·1+(–0,3)= –0,8ºC.

 

По табл. 4.8 при расчетной температур Т_е = –0,8ºC определяем среднее значение расчетного сопротивления сдвигу по поверхности смерзания. Для глинистых грунтов получаем R_af =84 КПа.

По формуле 6.7 определяется расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания:

= pD R_af d_th= 3,14·0,32·84·3=253,2 КПа.

Устойчивость фундамента на действие сил касательных сил морозного пучения оценивается по условию 6.5.

Рассчитываются силы выпучивания фундамента:

и силы, удерживающие фундамент от выпучивания:

Так как 95,2 < 230,19 условие 6.5 соблюдено, следовательно, свайное основание надземного трубопровода будет устойчивым к действию сил пучения [6, 12].