17. Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований фундаментов. Конструкции фундаментов на вечномерзлых грунтах.

Нормы рекомендуют два принципа проектирования и строительства на территориях, сложенных вечномерзлыми грунтами:

Принцип 1- в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов как в процессе строительства, так и в течении всего периода эксплуатации;

Принцип 2 - в основании зданий и сооружений используется предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаивающие в период эксплуатации.

Если вечномерзлые грунты залегают лишь под частью проектируемого здания, то грунты основания либо предварительно искусственно замораживают и тогда проектируют фундаменты по принципу 1, либо, наоборот, оттаивают и строят здание как на талых грунтах. Сохранение вечномерзлого состояния грунтов в основании зданий при проектировании и строительстве по принципу 1 обычно обеспечивается следующими приемами: возведением зданий на подсыпках; теплоизоляцией поверхности грунта под полом здания; устройством вентилируемых подполий; расположением в 1-м этаже зданий неотапливаемых помещений; прокладкой под полом здания охлаждающих вентиляционных каналов; искусственным охлаждением грунтов с помощью специальных установок.

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 1 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.

Объем оттаянного грунта должен быть как можно меньше, чтобы он мог быстро замерзнуть, отдавая тепло окружающему вечномерзлому грунту, имеющему низкую температуру.

При проектировании и строительстве фундаментов по принципу 2 применение свай целесообразно, если они прорезают всю толщу льдосодержащих грунтов и передают давление на скальную породу.

18. Как рассчитываются фундаменты на мерзлых и вечномерзлых грунтах.

Мерзлые и вечномерзлые грунты распростра­нены на большой части территории СССР (вечномерзлые грунты — на 49% всей площади) и являются типичными четырехкомпонентными системами частиц, так как к обычным трем компонентам грунтов (твердой, жидкой и газообразной) прибавляется идеально пластичная компонента — лед, образующийся из поровой воды при температуре замерзания. Однако поровая вода в грунтах замерзает далеко не вся при 0^е: свободная вода (в крупных порах) замер­зает при температуре, близкой к 0°, слои связанной воды замерзают при отрицательных температурах, все более низких по мере увели­чения связанности воды минеральными частицами; некоторое же количество связанной воды при любой отрицательной температуре в дисперсных грунтах всег­да остается в незамерзшем состоянии.

М ерзлые грунты - имею­щие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть со­держащейся воды замерзла, т. е. превратилась бы в лед, цементируя частицы. Рис. Кривые содержания незамерзшей воды W_нз в мерзлых грунтах в зависимости от величины их отрицательной температуры (-0°) 1 - глина; 2 - суглинок; 3 - супесь; 4 - песок

Грунты в зависимости от их состава содержат при одной и той же отрицатель­ной температуре различное количество незамерзшей воды (рис). Количество незамерзшей воды и льда в мерзлых грунтах изменяется под влиянием внешних воздействий. Принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых грунтах является основной базой исследования физико-механических свойств мерзлых грунтов. Влияние на физ.-мех. свойства мерзлых грунтов оказывает цементирующее действие льда, общее содержание которого определяется льдистостью (весовая) мерзлых грунтов, равной отношению веса льда к весу всей воды, содержащейся в грунте i = (w_c – w_m)/w_c w_m — влажность за счет незамерзшей воды, w_c — суммарная влажность мерзлого грунта; льдистость (объемная) i_об = γ (w _с– w_m) / γ_л (1+w_с). Общая влажность w_о6щ , равна отношению веса воды к весу всего грунта w_общ = w_с/(1+w_с)

Вес составных частей для 1 см³ мерзлого грунта: вес твердых частиц g_d = γ (1- ω_о6щ)

вес льда g_л = γw_общ i

вес воды в жидкой фазе g_w = γw_общ(1 - i)

для единицы объема грунта будет справедливо равенство g_d + g_л + g_w = γ

Т.о., для оценки физических свойств мерзлых грунтов необходимо знать четыре характеристики: объемный вес γ; удельный вес γ_c; суммарную влажность w_с; влажность за счет незамерзшей воды w_m.

Важными показателями механических свойств мерзлых и вечномерзлых грунтов:

Величина длительного сцепления с, позволяющая оценить несущую способность мерзлого грунта при данной его отри­цательной температуре. С = 0,18Р/πDs s— длительная осадка мерзлого грунта под шаровым штампом диаметром D при нагрузке Р. Зная c, можно легко определить совершенно безопасную нагрузку на вечномерзлые грунты при сохранении их отрицательной темпера­туры, рассматривая мерзлые грунты как идеально связные тела.

Величина коэффициента оттаивания А_о, позволяющая рассчитать возможную «осадку оттаивания», которая обычно составляет значительную (иногда более 90%) долю от всей осадки оттаивающих оснований. Величину коэффициента оттаивания А_о можно определить при испы­тании на осадку оттаивающего грунта (в шурфе площадью 1—2 м²) под действием только его собственного веса (без нагрузки). Если оттаивающий слой будет незначительной толщины (менее 0,5 м), то максимальное давление от собственного веса грунта также будет малым [как правило, менее 0,1 кгс/см² (~10⁴ Па)], А_o = S_o/h где s₀ — осадка слоя оттаивающего грунта; h — глубина оттаивания.