37. Особенности проектирования фундаментов на многолетнетнемерзлых грунтах по принципу II. Расчет осадки при оттаивании основания

Существуют два принципиально разных подхода к использованию вечномерзлых грунтов в основаниях сооружений.

Принцип I предусматривает сохранение мерзлого состояния грунтов основания на весь период строительства и эксплуатации сооружения.

Принцип II предполагает использование вечномерзлых грунтов в основании в оттаивающем или оттаявшем состояниях.

Принятое решение в пользу одного из названных принципов определяет конструктивную схему сооружения, его проектирование, строительство и эксплуатацию.

Принцип Ι наиболее эффективен при наличии в основании твердомерзлых грунтов с устойчивым температурным режимом и для тех сооружений, для которых технически и экономически целесообразнее выполнение мероприятий, обеспечивающих сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии. Использование пластичномерзлых грунтов по принципу I допускается при осуществлении мероприятий, обеспечивающих понижение температуры грунтов до их твердомерзлого состояния (раздел 9.3.3).

По этому принципу на вечномерзлых грунтах строят не только сооружения без тепловыделения, но и отапливаемые здания. Транспортные сооружения можно возводить с сохранением мерзлого состояния незасоленных грунтов основания, если их температура не выше –1,5 °С в несвязных грунтах и –2,0 °С в глинистых. Засоленные грунты при этих температурах в природном залегании бывают талыми.

Использование принципа II в строительстве на вечномерзлых грунтах рекомендуется при опирании фундаментов на скальные или другие грунты, осадка которых при оттаивании не превышает предельных значений для сооружения. Его применяют также при островном характере распространения мерзлоты и в других мерзлотно-грунтовых условиях, когда сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии невозможно или экономически не выгодно.

При использовании вечномерзлых грунтов по этому принципу допускается постепенное протаивание оснований в процессе эксплуатации сооружения, если ожидаемые осадки и крены фундаментов не превосходят предельных величин. Если же эти деформации превосходят предельные значения, то выполняют предпостроечное оттаивание основания. В этом случае часть осадки протаявшей толщи совершается под действием собственного веса грунта еще до постройки сооружения. Предпостроечное оттаивание эффективно, если основание сложено хорошо дренирующими грунтами. Глинистые грунты с плохой дренирующей способностью при оттаивании под собственным весом уплотняются очень медленно и слабо.

Для каждого отдельного сооружения должен предусматриваться один и тот же принцип использования вечномерзлых грунтов в основании. Не составляют исключения из этого правила и мосты. Применение разных принципов для грунтов основания соседних опор моста допускается при условии надежного сохранения в процессе строительства и эксплуатации состояния грунтов, используемых в основании одной из опор по принципу I. Принцип использования вечномерзлых грунтов основания фундаментов транспортных сооружений и примыкающих к ним участков насыпей должен приниматься одинаковым.

Нередко мерзлотно-грунтовые условия площадки строительства позволяют возводить сооружения с использованием, как первого, так и второго принципов. В этом случае предпочтение тому или другому из них отдают на основе анализа технико-экономического сравнения разных вариантов.

Особенности проектирования фундаментов без сохранения

мерзлого состояния грунтов основания (II принцип)

Использование вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу II по своему существу приближает условия работы фундаментов сооружений к обычным условиям. Этот принцип проектирования и строительства сооружений применяется в южных районах области распространения вечномерзлых грунтов, сохранение которых в мерзлом состоянии требует дорогостоящих мероприятий.

Проектные решения сооружений на таких основаниях должны применяться обязательно с учетом деформаций основания. Этот расчет является главным. Расчет же по несущей способности производится, если:

на основание передается значительная горизонтальная нагрузка;

сооружение находится на склоне;

основание сложено скальными грунтами.

Развитие осадки протаивающего основания определяется скоростью и глубиной протаивания грунтов под сооружением. Если эти осадки не превосходят предельно допустимых величин, следует ориентироваться на протаивание грунтов основания в процессе эксплуатации сооружения. Если же ожидаемые осадки в основании оказываются больше предельных, выбор проектного решения может идти двумя путями:

Путем уменьшения чувствительности сооружения к осадкам (разрезка сооружения деформационными швами на небольшие жесткие отсеки, устройство сплошных фундаментных плит и т. п.).

Путем уменьшения осадки основания, что достигается сокращением глубины протаивания, увеличением глубины заложения подошвы фундамента, предпостроечным оттаиванием или заменой грунтов основания и т.п.

При больших величинах ожидаемых осадок конструктивные меры часто оказываются неэкономичными. Наиболее целесообразно в этом случае предпостроечное оттаивание грунтов основания.

Предпостроечное оттаивание грунтов основания осуществляют с использованием естественного солнечного тепла или положительной температуры воды (гидрооттайка), а также искусственными источниками тепла: огневое оттаивание с поверхности пожогами горючих материалов, водяными и паровыми иглами, электропрогревом.

Основой расчета на оттаивающих основаниях является прогноз их осадки. В свою очередь этот расчет связан с определением глубины протаивания грунтов под сооружением. Таким образом, расчет оснований, проектируемых по принципу ΙΙ, включает в себя две группы расчетов:

теплотехнические расчеты, связанные с оценкой хода протаивания вечномерзлых грунтов в основании;

расчеты оснований и фундаментов по предельным состояниям.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по принципу II минимальную глубину заложения фундаментов d_min следует принимать в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания d_f.

Предварительно площадь подошвы фундамента определяется как и для обычных немерзлых грунтов. Расчетное сопротивление R_o определяется с характеристиками грунтов, которые они будут иметь к моменту возведения сооружения.

Вследствие тепловыделения зданий и сооружений под ними будет формироваться чаша протаивания грунта. Вначале этот процесс протекает интенсивно, затем замедляется и на некоторой глубине прекращается. Глубина протаивания грунта под средней частью здания и под его краями неодинакова, поэтому она должна определяться как под центром здания, так и под его краями. Максимальная глубина оттаивания грунта под зданием, соответствующая установившемуся предельному положению границы зоны оттаивания может быть определена по формулам:

под серединой - ; (8.35)

под краем - , (8.36)

где kn - коэффициент, определяемый в зависимости от формы сооружения по прил. 8 /18/;

, - коэффициенты, определяемые по графикам того же приложения;

B – ширина здания.

Для промежуточных сечений глубина протаивания приближенно может приниматься исходя из круглоцилиндрической формы очертания чаши протаивания.

Эксплуатационное протаивание оснований предполагает приспособление сооружений к развитию их неравномерных осадок. Для неотапливаемых сооружений, к которым относятся и опоры мостов, наиболее целесообразной фундаментной конструкцией в этом случае будет конструкция с опиранием на скальные или другие малосжимаемые при оттаивании (не льдонасыщенные) грунты, осадка которых под фундаментом будет незначительной. При близком залегании таких грунтов (до 5–6 м) под массивные опоры мостов на реках с сильным ледоходом можно применять массивные фундаменты мелкого заложения с анкерующей плитой против действия сил морозного пучения (рис. 8.12, а). Устои мостов на таких фундаментах можно устраивать рамно-стоечного типа (рис. 8.12, б).

Р ис. 8.12 Массивные фундаменты опор мостов

а) - промежуточной опоры, б) - устоя.

1 - анкерующая плита, 2 - массивная опора, 3 - устой рамно-стоечного типа.

Если скальные или другие малосжимаемые грунты залегают на большой глубине от поверхности, применяют сваи или столбы с заделкой в эти грунты. Ростверки свайных фундаментов могут быть как низкими, так и высокими (приподнятыми над поверхностью грунта не менее 15 см у промежуточных опор и не менее 50 см в устоях). Подошву плиты низкого ростверка назначают глубже мощности пучиноопасных грунтов слоя сезонного промерзания.

Рис. 8.13 Схема к расчету свай с учетом отрицательного трения оттаивающего грунта 1- талый грунт, 2- мерзлый грунт, 3- малосжимаемый грунт.

Несущую способность свай и столбов, опертых на скалу или другие мало сжимаемые грунты, определяют с учетом негативных сил трения, возникающих при оттаивании мерзлых грунтов выше кровли несущего слоя (рис. 8.13):

(8.37) где _c, R и A имеют тот же смысл, что и в формуле (8.32); u- наружный периметр поперечного сечения сваи или столба в пределах всей глубины оттаивания грунта H; - отрицательное (негативное) трение i-го слоя оттаивающего грунта толщиной h_i, которое допускается принимать по табл. 4.4.

При опирании свай и столбов, а также фундаментов мелкого заложения на нескальные оттаивающие грунты их несущую способность определяют в зависимости от состава и состояния этих грунтов после оттаивания, как обычных немерзлых грунтов. Важное значение при этом имеет расчет возможной осадки основания s при его эксплуатационном протаивании, которая нарастает по мере развития чаши протаивания под фундаментом. Наибольший интерес представляет максимальное значение этой осадки, соответствующее конечному положению границы чаши протаивания основания на глубине h_t от подошвы фундамента.

Расчет осадки мерзлого основания, оттаивающего в процессе эксплуатации здания, имеет свои особенности:

1 - осадка оттаивающего грунта складывается из двух частей - осадки оттаивания, не зависящей от давления и осадки уплотнения, прямо пропорциональной величине действующего давления ;

2 - осадку уплотнения протаивающего основания вызывают не только внешние нагрузки, передаваемые основанию фундаментом, но и давления в основании от собственного веса оттаявшего грунта;

3 - величина осадки зависит от глубины протаивания грунта под фундаментом.

, (8.38)

Составляющую осадки основания, вызванную действием собственного веса оттаивающего грунта s_th, определяют по формуле

, (8.39)

где A_th,i и δ_i - коэффициент оттаивания и коэффициент уплотнения оттаивающего слоя грунта высотой h_i, значения, которых определяют экспериментально в полевых условиях (горячими штампами) или компрессионным методом в лабораторных условиях; - вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i-го слоя.

Составляющую осадки основания s_p, обусловленную дополнительным давлением p на грунт от фундамента, можно вычислить по формуле (3.25), в которой

(8.40)

а определяют от полного давления под фундаментом.

При еще не гарантируется, что не будет значительных неравномерностей осадок в ходе оттаивания. Поэтому рассчитывают процесс оттаивания под отдельными фундаментами и анализируют неравномерность осадок во времени.

Осадки, горизонтальные перемещения и углы поворота ростверков свайных и столбчатых фундаментов определяют, как в обычных немерзлых грунтах при оттаивании основания на полную глубину h_t, используя деформационные характеристики грунтов, которые они приобретают при оттаивании.

При определении изгибающих моментов в сваях необходимо рассматривать промежуточные стадии работы фундамента до полного оттаивания основания, поскольку при этом меняется длина сжатия свай L_N, что увеличивает их продольную жесткость и может привести к существенному возрастанию изгибающего момента в стволе сваи в уровне подошвы ростверка. Продольные усилия в сваях при этом меняются незначительно.

Обязательным является расчет всех видов фундаментов на оттаивающих основаниях на устойчивость против действия сил морозного пучения грунтов слоя сезонного промерзания с проверкой прочности на разрыв от действия результирующей этих сил F_fh, определяемой по формуле (8.34). Для увеличения анкерующей способности столбов в скальном основании их нижнюю часть на участке заделки в скалу длиной 1-2 м делают рифленой /12/.