Лекция №4

Особенности проектирования малонагруженных

фундаментов на морознопучинистых грунтах.

Пучинистые грунты.

При строительстве часто приходится учитывать морозное пучение – возможность увеличения объема грунта при промерзании. Пучению подвержены пылевато-глинистые грунты, а также пылеватые и мелкие пески. Это явление лишь частично объясняется тем, что объем воды, содержащейся в грунте, увеличивается при ее замерзании приблизительно на 9 %. При замерзании даже всей поровой воды в грунте увеличение его объема не превышало бы 3…4 %.

Рисунок 4.1. Схема миграции влаги к фронту промерзания:

1. растущие кристаллы льда; 2.толщина гидратных оболочек; 3.твердые частицы

4. движение пленочной воды.

В то же время опыты и наблюдения в натуре показывают, что объем грунта при его промерзании иногда увеличивается на 50 и даже 100%. Рост объема грунта при его промерзании сопровождается резким увеличением влажности грунта с образованием в ней льда в виде линз и других включений. Пучение грунта развивается вследствие притока воды к фронту промерзания из ниже лежащих слоев. Миграция влаги (рисунок 4.1.) зависит главным образом от движения пленочной воды, окружающей твердые частицы, вследствие разности сил притяжения молекул воды к поверхности твердых частиц у фронта промерзания (где толщина гидратных оболочек резко уменьшается из-за включения молекул воды в состав растущих кристаллов льда) и несколько ниже границы промерзания, а также от движения свободной воды по капиллярам.

Аналогичное пучение происходит в процессе образования верхних слоев вечномерзлого грунта. При протаивании этих слоев, а также грунтов, содержащих клинья и слои льда толщиной в несколько метров, неизбежны значительные просадки. Поэтому по мере протаивания вечномерзлого грунта в основании зданий и сооружении часто наблюдаются просадки, приводящие к их деформации или даже разрушению.

При промерзании и оттаивании пылевато-глинистых и мелкопесчаных грунтов возможно существенное изменение их объёма. Сильно увлажненные такие грунты при промерзании испытывают пучение, увеличиваясь в объёме, а при оттаивании под нагрузкой – просадку. При пучении в грунтах могут развиваться напряжения, превышающие давление по подошве фундаментов. В связи с этим промерзание пучинистого грунта в основании сооружения опасно не только при устройстве фундаментов, но и в период возведения надземных конструкций.

Особенности проектирования фундаментов на пучинистых грунтах.

Интенсивное освоение природных ресурсов в различных регионах нашей страны ставит в разряд актуальных вопросов о надежности и долговечности зданий и сооружений, возводимых на пучинистых и вечномерзлых грунтах.

Морозное пучение грунтов относится к физико-механическим процессам, в результате которых промерзающий грунт приобретает напряженно-деформированное состояние под действием термодинамических изменений.

Напряжения, возникающие при пучении грунтов, настолько значительны, что могут вызвать:

- деформации промышленных зданий и сооружений;

- смещение (и искривление) железнодорожной колеи, опор мостов и линий электропередачи;

- разрушение покрытий автомобильных дорог, аэродромов и др.

Пучинистыми и морозоопасными называют грунты, которые при промерзании увеличивают свой объем.

Рисунок 4.2. Силы пучения, возникающие при сезонном промерзании грунтов

Силы пучения, действующие на фундамент при промерзании грунта:

• нормальные;

• касательные.

К пучинистым грунтам относят: пески мелкие и пылеватые, суглинки и глины, а также крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, содержащие в своем составе более 30% (по массе) частиц размером менее 0,1 мм и промерзающие в условиях увлажнения.

По степени морозоопасности (в зависимости от гранулометрического состава, природной влажности, глубины промерзания и уровня подземных вод) пучинистые грунты подразделяют на пять групп, приведенных в таблице 4.1.

Пучинистые грунты характеризуются деформацией морозного пучения , равной высоте поднятия поверхности слоя промерзшего грунта, а также относительным пучением , определяемым по отношению:

где

слой промерзающего грунта, подверженного морозному пучению.

Параметром оценивают принадлежность глинистого грунта к одной из вышеуказанных групп, при этом определяют:

где

влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести, доли единицы;

расчетная критическая влажность, ниже которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте, доли единицы (определяется по графику рисунка 4.3);

безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха, определяемый по СНиП 2.02.03-83* .

Рисунок 4.3. Величина критической влажности в зависимости от числа пластичности и влажности на границе текучести грунта

Таблица 4.1. Классификация пучинистых грунтов по степени морозоопасности

Вид грунта и пределы нормативных значений числа пластичности	Значения параметра для грунта
	Практически непучинистого		Слабо пучинистого		Средне пучинистого 0,035 < f ≤ 0,07	Сильно пучинистого 0,07 < f ≤ 0,12		Чрезмерно пучинистого f > 0,12
1	2		3		4	5		6
1.Супесь 2 < ≤ 7								>
2. Супеси пылеватые 2 < ≤ 7
3.Суглинок 7 < ≤ 17
4.Суглинок 7 < ≤ 13
5.Суглинок 13 < ≤ 17
6.Глина > 17

Примечания:

1.Значение определять по формуле (4.2), в которой плотность сухого грунта принята равной 1,5 т/м³; при другой плотности грунта расчетное значение умножать на отношение ( - плотность исследуемого грунта), т/м³.

2.Грунты, перечисленные в позициях 2,4,5,содержат пылеватых частиц размером 0.05…0.005 мм не более 50% по массе.

Устойчивость фундаментов сооружений на действие касательных сил морозного пучения грунтов в соответствии с указаниями следует проверять по условию:

где

расчетная удельная касательная сила пучения, кПа;

площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания грунта, м² ;

расчетная нагрузка на фундамент (включая собственный вес фундамента), кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий;

коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;

коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый (кроме фундаментов опор мостов) равным 1,1.

расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН;

где:

расчетное сопротивление талого грунта сдвигу по боковой поверхности фундамента в j-м слое (кПа) принимаемое по указаниям СНиП 2.02.03-85;

площадь вертикальной поверхности фундамента ниже расчетной глубины промерзания, м² ;

число слоев.