Вечномерзлый грунт

  В лабораторных условиях силы пучения  иногда устанавливают аналогично определению  сопротивления смерзания грунта с материалом, из которого делается фундамент. Это не совсем правомерно, так как развитие касательных сил пучения происходит постепенно и в ходе процесса пучения верхние слои замерзшего грунта проскальзывают по боковой поверхности фундамента. В этом плане представляет интерес следующая методика³. Для испытания используют специальный механизированный пресс, который позволяет перемещать грунт относительно модели фундамента с постоянными скоростями, соответствующими перемещению грунта при пучении относительно боковой поверхности фундамента. В результате таких опытов получаются графики зависимости касательных сил взаимодействия между мерзлым грунтом и моделью фундамента от времени t при определенной температуре Т (рис. 11, а). Как видно из графика, после возрастания нагрузки на прессе до момента сдвига грунта относительно модели фундамента силы взаимодействия убывают и стремятся к определенному пределу - устойчивому сопротивлению сдвигу примерзшего грунта t_set. Это сопротивление и определяет касательные силы пучения, т. е. следует принимать t_fh = t_set.

  Проведение  серии таких опытов при различных  температурах с одним и тем  же грунтом показало, что t_set в области исследованных температур зависит от абсолютного значения температуры линейно (рис. 11, б). Следовательно:

t_set = b + с | Т |,

  где b и с - параметры прямой; | T | - абсолютное значение температуры, °С.

  Зная  среднюю температуру слоя промерзающего  грунта, испытывающего пучение, можно  найти t_fh и затем по этой же величине проверить устойчивость фундамента на выпучивание по условию (12).

  Величина F_r зависит от сопротивления фундамента выпучиванию. Для свайных и столбчатых фундаментов без уширений (рис. 12, а) при сливающемся деятельном слое значение F_r = F_r.af определяется по формуле

      F_r.af =

R_af.j A_af.j (13)

где n - число слоев, на которое разбивается массив вечномерзлого грунта в пределах фундамента; R_af.j - расчетное сопротивление смерзания j-го слоя вечномерзлого грунта с боковой поверхностью фундамента, принимаемо по данным изысканий или по таблицам СНиПа; A_af.j - площадь боковой поверхности фундамента в пределах j-го слоя вечномерзлого грунта.

Рис 12. Схемы действия сил  при выпучивании 

а - сваи; б - отдельного фундамента с анкером

  При несливающемся деятельном слое часть  длины фундамента (сваи) ниже границы  промерзания будет находиться в пределах талого грунта. Тогда

F_r = F_r.af + F_r.f,

где F_r.f - расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучивания, развивающегося в пределах слоя талого грунта:

      F_r.f =

R_f.j A_f.j,  (14)

n - число слоев, на которое разбивается толща талых грунтов, соприкасающаяся со сваей (фундаментом); R_f.j - расчетное сопротивление сдвигу боковой поверхности сваи (фундамента) по грунту j-го слоя, принимаемое по табл. 11.3 с учетом коэффициентов условий работы грунта по табл. 11.5 или 11.1 [1]; A_f.j - площадь боковой поверхности сваи (фундамента) в пределах j-го слоя.

  При возведении легких сооружений заглубление  столбчатых фундаментов на 1 м в  вечномерзлый грунт часто не гарантирует их устойчивости на выпучивание. В связи с этим такие фундаменты делают с анкерной плитой (рис. 12.б). В этих условиях F_r.af определяют по выражению

      F_r.af = R_af A_af + 0,67 R_sh A_sh + F_a,  (15)

где R_af - расчетное сопротивление смерзания грунта с боковыми гранями анкерной плиты; A_af - площадь боковых граней анкерной плиты; R_sh - расчетное сопротивление сдвигу массива мерзлого грунта над анкерной плитой (принимается изменяющимся с глубиной по параболе); A_sh - площадь поверхности сдвига массива мерзлого грунта, расположенного над анкерной плитой; F_a - расчетная реактивная сила заделки анкера.

  Реактивная  сила заделки анкера возникает тогда, когда развивающаяся в процессе промерзания очередного элементарного слоя сила пучения стремится переместить замерзший слой грунта вместе с фундаментом вверх. Однако, поскольку такому перемещению не поддается устойчивый фундамент, в элементарном слое грунта возникают силы, действующие вверх и вниз. Эти нормальные реактивные силы зависят от касательных сил пучения t_fh, а суммарная их величина всегда равна суммарной силе пучения.

  Интенсивность нормальных реактивных сил s_r, возникающих от действия касательных сил пучения, в настоящее время определяют различными методами, но все они очень приближенны. Даже решение Р. Миндлина не может претендовать на точность в связи с наличием в процессе промерзания трехслойной среды: мерзлого (промерзшего), талого (еще не промерзшего) и вечномерзлого слоев. Решение же Р. Миндлина основано на рассмотрении бесконечного однородного тела. В порядке первого приближения можно принимать треугольную эпюру s_r (рис. 12, б), распространяющуюся в стороны на расстояние, равное толщине промерзшего слоя⁴. Это простое предположение было подтверждено опытами В. М. Улицкого, который измерял давления, возникающие на верхней полке анкера, в процессе промерзания грунтов в Иркутской области.

  Построив  эпюру нормального давления s_r в виде части усеченной пирамиды, можно найти s_r.max. К значениям s_r следует прибавить равномерно распределенное давление от собственного веса грунта, находящегося над уступами анкерного фундамента. Далее находят F_a (реактивную силу заделки анкера) по тем частям эпюры s_r и собственному весу тех объемов, которые расположены над уступами анкерного фундамента. Тогда для ленточного фундамента получают:

а в  случае осесимметричной задачи (цилиндрический фундамент радиусом r с круглой анкерной плитой, имеющий вынос консоли l_с)

где t_fh - среднее значение расчетной удельной касательной силы пучения; d_f - глубина сезонного промерзания грунта (при сливающемся деятельном слое глубина оттаивания d_th); g - удельный вес грунта над анкерной плитой; остальные обозначения даны на рис. 12,б.

  Учитывать величину F_a при заделке анкерных фундаментов в слой вечномерзлого грунта в большинстве случаев нет необходимости, так как устойчивость фундамента обеспечивается сопротивлением смерзания мерзлого грунта сдвигу. Если же анкерный фундамент заделывается в талый грунт (например, при проектировании по принципу II), реактивную силу заделки анкера F_a приходится учитывать.

  Кроме выполнения расчетов, рассмотренных выше, необходимо убедиться, что реактивное давление над уступами анкерного фундамента не превышает несущей способности грунта на этой глубине, т. е. удовлетворяется условие

t_fh A_fh – F £ R₁ A₁

где R₁ - расчетное сопротивление мерзлого грунта на уровне верха анкерной плиты; А₁ - площадь верха анкерной плиты.

  Так как при действии сил пучения  фундаменты работают в вертикальном направлении на растяжение, их армируют вертикальными стержнями, рассчитанными по усилию

      F_fh = t_fh A_fh – F  (16)

  Кроме того, анкерную плиту армируют в  верхней и нижней зонах, поскольку  она работает на прогиб под нагрузкой F и на выгиб под нагрузкой F_fh при пучении грунта.

2.8. Конструкции и устройство фундаментов

  Наиболее  рациональные конструкции фундаментов выбирают зная силы, действующие на фундаменты, и температурные условия грунтов основания, от которых зависит сопротивляемость мерзлого грунта нагрузкам. Поскольку температура в слое вечномерзлого грунта с глубиной понижается, к тому же всегда имеется опасение, что под действием случайных факторов верхняя часть слоя вечномерзлого грунта может оттаять, при проектировании и строительстве фундаментов по принципу I целесообразно максимально возможное заглубление их. Это привело строителей к использованию свайных фундаментов. Как правило, при погружении свай в слой вечномерзлого грунта на глубину, в 3 раза большую толщины деятельного слоя, они вполне устойчивы и к действию касательных сил пучения.

  Способ  погружения свай в вечномерзлый грунт  выбирают в зависимости от его температурных условий. В пластично-мерзлые грунты (глины и суглинки) сваи обычно погружают забивкой в лидерные скважины. При низких температурах вечномерзлого грунта (ниже -3°С) допускается оттаивание его паровой иглой с забивкой свай в «мешок» оттаянного грунта (рис. 13, а), окруженный вечномерзлым грунтом. Объем оттаянного грунта должен быть как можно меньше, чтобы он мог быстро замерзнуть, отдавая тепло окружающему вечномерзлому грунту, имеющему сравнительно низкую температуру.

  Для ускорения промерзания оттаянного грунта иногда применяют саморегулирующие установки для охлаждения грунтов систем С. И. Гапеева или Лонга. Однако в целях минимального нарушения теплового режима вечномерзлого грунта чаще всего используют буроопускные сваи. Для их устройства бурят скважины в которые можно свободно опустить изготовленные железобетонные сваи. Перед опусканием свай скважины на одну треть заполняют грунтовым раствором (рис. 13, б). Раствор приготавливают из песка либо из смеси песка с местным грунтом. В этот раствор и погружают сваи (обычно вибрированием). При погружении свай под действием динамических импульсов грунтовый раствор вытесняется, заполняет все пространство между мерзлым грунтом и сваей (рис. 13, в) и относительно быстро замерзает, отдавая тепло окружающему вечномерзлому грунту.

Рис. 13. Способы погружения свай в вечномерзлый грунт 

  1 - граница вечномерзлого грунта; 2 - оттаянный грунт; 3 - скважина; 4 - грунтовый  раствор

  При проектировании и строительстве  фундаментов по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунта) применение свай целесообразно, если они прорезают всю толщу льдосодержащих грунтов и передают давление на скальную породу или другой не проседающий при оттаивании грунт (рис. 14, а). Сваи можно использовать и с целью передачи давления на мерзлые грунты, находящиеся ниже зоны оттаивания вследствие выделения тепла зданием и трубопроводами, расположенными в грунте (рис. 14, б). Те и другие сваи, погруженные в грунт до его оттаивания, будут испытывать воздействие отрицательно направленного трения, пригружающего их. 

Рис. 14. Схемы свайных  фундаментов при  проектировании и  строительстве по принципу II

  1 - сваи; 2 - граница вечномерзлого  грунта; 3 - грунт, не проявляющий  просадочных свойств при оттаивании

  Использование отдельных фундаментов, опирающихся на сохраняемый слой вечномерзлого грунта, практикуется редко, так как их устройство требует затрат ручного труда и сохранения грунта в вечномерзлом состоянии при отрывке котлована.

  Под большие нагрузки иногда применяют  глубокие столбчатые фундаменты. Для их устройства в вечномерзлом грунте бурят скважины диаметром 80...120 см и более, которые затем заполняют бетонной смесью, прогревая ее для обеспечения схватывания и твердения до требуемой прочности. Режим прогревания подбирают с таким расчетом, чтобы оттаивание грунтов вокруг фундамента было минимальным.

  Фундаменты, устраиваемые по принципу II (без сохранения вечномерзлого состояния грунтов), делают аналогично фундаментам в условиях обычного сезонного промерзания [см. 1, п. 9, 10 и п. 13].

  На  фундаменты, возведенные по принципу II, особенно ленточные, часто воздействуют значительные силы пучения. Для увеличения устойчивости фундаментов, подвергающихся воздействию сил пучения, их делают монолитными с заанкеренной плитой или стремятся уменьшить суммарные силы пучения, принимая в верхней части фундамента наименьшее сечение, чтобы сократить площадь смерзания грунта с фундаментом.

  Иногда  с целью уменьшения сил пучения  фундаменты в пределах деятельного  слоя покрывают незамерзающими обмазками (битумом, растворенным в мазуте). В последнее время появились предложения применять для покрытия боковых поверхностей фундаментов высокомолекулярные соединения на основе эпоксидной смолы. В результате такого покрытия поверхность смерзания делается гладкой и прочность смерзания грунта с поверхностью фундаментов уменьшается. Существенного снижения сил пучения можно добиться обсыпкой фундаментов гравием или песком. Однако эти обсыпки должны быть дренированы и защищены от заиления, так как после заиления они приобретают пучинистые свойства. Рекомендации по снижению сил пучения применяют также в районах глубокого сезонного промерзания, особенно когда глубина промерзания превышает 2 м.