Вечномерзлый грунт

  Кроме того, в каждый момент времени температура в пределах глубины сваи неодинакова. Чтобы не учитывать неодинаковую прочность грунта на глубине, обычно находят эквивалентную температуру, которая позволяет определять среднее значение R_af.

  Значения  температур грунта устанавливают теплотехническим расчетом. Для упрощения расчетов в СНиПе даны таблицы коэффициентов для определения температур грунта, требующихся в расчете несущей способности фундаментов и свай.

  Несущую способность сваи можно проверить  экспериментально. В таком случае сила предельного сопротивления основания F_u одиночной сваи, по данным испытания вдавливающей статической нагрузкой, определяется из выражения

      F_u = g_T k F_exp, (7)

где g_T - температурный коэффициент, учитывающий различие температурных условий грунта во время опыта и в период эксплуатации; k - коэффициент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемой свай:

      k = F_u.p / F_u.T; (8)

F_exp - расчетное сопротивление сваи статической нагрузкой, кН: F_exp = F_n /g_g; F_u.p и F_u.T силы предельного сопротивления, определяемые по формуле (6) для соответственно проектируемой и опытной сваи, устанавливаемые с учетом температурных условий сваи под сооружением и при испытании опытной сваи на различных глубинах; F_n - нормативное предельно длительное сопротивление основания сваи статической нагрузке, кН, определяемое по ГОСТ 24546-81; g_g -коэффициент надежности по грунту, обычно равный 1,1.

  Рассмотренный расчет несущей способности столбчатых фундаментов и свай справедлив, если к фундаменту приложены постоянные или длительно действующие нагрузки. При кратковременных нагрузках (например, действии ветра, сейсмических волн, снеговой нагрузки и др.) мерзлый грунт будет оказывать значительно большее сопротивление. В связи с этим целесообразно вводить на эти нагрузки понижающий коэффициент, учитывающий не только вероятность одновременного их воздействия, но и повышенное сопротивление мерзлых грунтов при непродолжительном действии нагрузки.

  Поскольку несущая способность мерзлых  грунтов зависит от льдистости, нормы дают расчетные давления на грунты оснований свайных фундаментов только при льдистости i_i £ 0,4 и запрещают возведение отдельных фундаментов на слое льда без устройства распределительной подушки. Исследования показали, что сильнольдистые грунты можно использовать в качестве основания, если проводить расчет по деформациям с учетом ползучести такого грунта.

2.3. Расчет внецентренно нагруженных фундаментов, возводимых с сохранением вечномерзлого состояния грунта (по принципу I)

  При действии на столбчатый фундамент момента от внешних нагрузок, стремящихся повернуть его, возникают сопротивления смерзания грунта по боковым граням фундамента и сопротивление горизонтальному смещению обреза фундамента при его повороте относительно горизонтальной оси вращения, проходящей через центр тяжести подошвы. Вследствие обычно небольшого сечения верхней части фундамента и относительно высоких температур сопротивлением горизонтальному смещению обреза фундамента пренебрегают (в запас). В таком случае на подошву фундамента будет передаваться момент

  М₀ = М - M_af,

где М - момент от внешних нагрузок, действующий  в плоскости подошвы фундамента относительно одной из ее осей; M_af - момент сопротивления грунта в результате смерзания его с нижней ступенью фундамента по его граням, определяемый для случая, когда момент действует относительно одной оси фундамента (рис. 14.9) по формуле

      M_af = g_c R_af h_p l (b + 0,5l); (9)

g_c - коэффициент условий работы мерзлых грунтов основания, принимаемый так же, как для формулы (6); R_af - расчетное сопротивление смерзания грунта с бетоном, определяемое так же, как и ранее на глубине z - 0,5h_p, соответствующей заглублению середины нижней ступени фундамента от верхней границы вечномерзлого грунта; h_p - высота боковой поверхности нижней ступени фундамента; l - размер подошвы фундамента в плоскости действия момента; b - размер подошвы, перпендикулярный размеру l.

Рис. 9. Расчетная схема  при внецентренном  загружении фундамента

  Когда по расчету подошва фундамента отрывается от основания, можно дополнительно  учесть сопротивление грунта над уступом фундамента p₁, которое не должно превышать расчетное сопротивление мерзлого грунта над уступом или сопротивление мерзлого грунта сдвигу выше уступа фундамента R_sh (рис. 9). Значения р₁ и l₁ находят из двух уравнений равновесия (рис. 9) -проекции всех сил на вертикальную ось и момента всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести площади подошвы.

2.4. Расчет фундаментов при действии горизонтальных сил

  Расчет  фундаментов на плоский сдвиг  по подошве при действии значительных горизонтальных сил проводят аналогично расчету фундаментов на немерзлых грунтах. При этом основное сопротивление будет оказывать не трение, а смерзание грунта с фундаментом по его подошве и боковым граням. При расчете свай на действие горизонтальных нагрузок учитывают их совместную работу с мерзлым грунтом основания. Коэффициент постели обычно принимают возрастающим по глубине. Работой слоя оттаивающего грунта часто пренебрегают.

2.5. Расчет фундаментов, возводимых в пластично-мерзлых и сыпучемерзлых грунтах, по второй группе предельных состояний (по деформациям)

  Расчетные величины осадок и их неравномерностей определяют в соответствии с методами, изложенными в п. 7 [1]. Характеристики деформируемости грунтов вычисляют для расчетной температуры в период эксплуатации зданий. Полученные расчетом величины осадок и их неравномерностей должны удовлетворять условиям (9.5) и (9.6) [1].

  В основании отапливаемых зданий вследствие неустойчивости пластично-мерзлого грунта либо предусматривают искусственное  понижение температуры, либо проектируют фундаменты по принципу II.

2.6. Расчет оснований при возведении фундаментов без сохранения вечномерзлого состояния грунта (по принципу II)

  Различают основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину, основания с предварительно оттаянными грунтами только в верхней зоне (остальная часть основания оттаивает в процессе эксплуатации сооружений) и основания, грунты которых оттаивают на всю глубину в процессе эксплуатации.

  Основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину проектируют так же, как основания, сложенные немерзлыми грунтами [см.1, п. 6...13].

  Основания, в которых грунты оттаяны только в верхней зоне, а подстилающие грунты оттаивают в процессе эксплуатации, рассчитывают по второй группе предельных состояний как основания немерзлых грунтов и оттаявшие основания проверяют на устойчивость по первой группе предельных состояний.

  Основания, грунты которых оттаивают на всю  глубину во время эксплуатации сооружений, рассчитывают по первой группе предельных состояний с учетом процесса оттаивания верхних слоев и по второй группе предельных состояний, исходя из деформаций всего основания как от нагрузок, передаваемых фундаментами, так и под действием собственного веса грунта.

  Осадка  с просадкой частично или полностью оттаивающего основания состоит из двух слагаемых: осадки s_p уплотнения грунта от давления под подошвой фундамента, которая определяется как для талых грунтов по СНиП 2.02.01-83, и осадки s_th дополнительной, возникающей за счет оттаивания толщи вечномерзлого грунта в процессе эксплуатации под действием собственного веса. Следовательно,

      s = s_p + s_th (10)

  Дополнительную  осадку s_th СНиП рекомендует определять по формуле

где п - число выделенных при расчете слоев грунта; А_th.i - коэффициент оттаивания, доли единицы; d_i - коэффициент сжимаемости i-го слоя оттаивающего грунта, кПа^-1; s_zg.i - вертикальное природное напряжение в середине i-го слоя грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины z_i считая от уровня планировочной отметки с учетом взвешивающего действия воды для водопроницаемых грунтов; h_i - толщина i-гo слоя оттаивающего грунта, м.

  Коэффициенты  А_th.i и d_i устанавливаются экспериментально по результатам полевых или лабораторных испытаний грунтов [см. 1, п. 3.3)]

  Величину  осадки уплотнения s_p определяют одним из методов, изложенных в п. 7 [1].

  Полученное  по формуле (10) значение s должно удовлетворять условию (9.5) или (9.6) [1]. Однако это не гарантирует от развития значительных неравномерностей осадок в ходе оттаивания грунта. По этой причине производят теплотехнический расчет процесса оттаивания грунтов под отдельными фундаментами и анализируют неравномерности осадки во времени.

  Для песков, супесей и даже суглинков (с некоторым приближением) можно  считать, что стабилизация осадки наступает в процессе оттаивания. В таком случае осадку под действием собственного веса грунта s_th устанавливают для оттаивающих зон в течение принятых промежутков времени. Осадку же под действием давления, передаваемого фундаментами, определяют с учетом деформируемости грунта, оттаявшего на данное время. Если при таких расчетах окажется удовлетворенным условие (9.5) [1], значит принятое решение об  использовании  оттаивающих грунтов в основании допустимо. При этом, конечно, предполагается, что поверхность оттаивающего массива под каждым отдельным фундаментом относительно горизонтальна. Под фундаментами наружных стен граница оттаивания может перемещаться и в горизонтальном направлении (рис. 10). В таком случае возможен поворот фундамента в сторону оттаивающего грунта.

  При медленном уплотнении оттаивающих  грунтов можно провести расчет процесса оттаивания и уплотнения пылевато-глинистых грунтов с учетом фактора времени².

  Проектирование  на региональных грунтах (засоленных, торфянистых, сильнольдистых и др.) рассмотрено в СНиП II-18-76.

2.7. Фундаменты в условиях пучинистых грунтов

  На  боковые грани верхней части  фундаментов, расположенной в пределах пучинистых грунтов, действуют силы морозного пучения, которые в некоторых случаях достигают значительной величины и могут поднимать здания высотой три этажа и более. Вследствие этого фундаменты в условиях пучинистых грунтов необходимо рассчитывать на выпучивание. При расчете должно удовлетворяться условие

      t_fh A_fh - F £ (g_c / g_n) F_r, (12)

где t_fh - расчетная удельная касательная сила пучения, зависящая от характера грунта и мощности деятельного слоя (значение t_fh определяется по СНиПу или экспериментально); A_fh - расчетная площадь боковой поверхности фундамента в пределах расчетного деятельного слоя; F - расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент (при определении F принимают коэффициент 0,9); g_c - коэффициент условий работы, принимаемый равным 1; g_n - коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1; F_r - расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучивания.

  Поскольку значения t_fh, определяемые по СНиПу, весьма ориентировочны, при крупных строительствах правильнее устанавливать t_fh экспериментально. Существует несколько методик определения t_fh в полевых и лабораторных условиях. В полевых условиях требуется проведение эксперимента в течение нескольких зим, поскольку, как доказано Н. А. Перетрухиным, силы пучения, действующие на один и тот же фундамент, из года в год существенно варьируют.