7.6. Расчет оснований и фундаментов на воздействие касательных сил морозного пучения

В период сезонного промерзания грунтов на фундамент действуют силы выпучивания, направленные вертикально вверх и стремящиеся поднять, "выдернуть" фундамент из многолетнемерзлых грунтов. Поэтому глубина заложения фундаментов должна проверяться расчетом по устойчивости фундаментов на действие сил морозного пучения грунтов.

Различают два вида сил пучения: нормальные и касательные (рис. 7.11 а,б). Нормальные силы действуют по нормали к подошве фундамента, расположенного в слое сезонного промерзания или протаивания. Их необходимо учитывать при проектировании фундаментов неглубокого заложения. Силы пучения, обусловленные смерзанием пучинистого грунта с боковой поверхностью фундамента, действуют по касательной к его поверхности.

Рис. 7.11. Схема к расчету фундаментов на действие касательных сил пучения в многолетнемерзлых (а) и талых грунтах (б)

Эти силы учитываются при проектировании основных типов фундаментов, глубина заложения которых, согласно СНиП 2.02.04–88, должна превышать нормативную глубину сезонного протаивания (промерзания) грунтов на участке. Расчет оснований и фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить как для условий эксплуатации сооружения, так и для условий периода строительства, если до передачи на фундаменты проектных нагрузок возможно промерзание грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания). При необходимости в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению выпучивания фундаментов в период строительства.

Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию

(7,38)

где _fh– расчетная удельная касательная сила пучения, кПа (кгс/см²); A_fh– площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания–оттаивания грунта, м² (см²); F – расчетная нагрузка на фундамент, кН (кгс), принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т. п.); F_r– расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН (кгс); – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0; – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1, а для фундаментов опор мостов – 1,3. Расчетную удельную касательную силу морозного пучения _fh , кПа (кгс/см²), следует определять, как правило, опытным путем. Для сооружений II и III классов ответственности значения _fhдопускается принимать по табл. 7.36 в зависимости от состава, влажности и глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов d_th. Показатель текучести определяется по формуле:

(7, 39)

Расчетное значение силы Fr, кН (кгс), удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определять по формулам:

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I

(7,39)

Таблица 7,26

Расчетная удельная касательная сила морозного пучения

Грунты и степень водонасыщения	Значения fh , кПа (кгс/см2), при глубине сезонного промерзания оттаивания dth, м
	1,0	2,0	3,0
Пылевато-глинистые при показателе текучести IL > 0,5, пески мелкие и пылеватые при степени влажности Sr > 0,95.	130 (1,3)	110 (1,1)	90 (0,9)
Пылевато-глинистые при , пески мелкие и пылеватые при мелкие и пылева-тые крупнообломочные с запол-нителем (глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) свыше 30 %.	100 (1,0)	90 (0,9)	70 (0,7)
Пылевато-глинистые при, пески мелкие и пылеватые при крупнообломочные с заполнителем (пылевато-глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) от 10 % до 30 %.	80 (0,8)	70 (0,7)	50 (0,5)

при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II

(7,40)

где u – периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты – периметру сечения фундамента; для столбчатых фундаментов с анкерной плитой – периметру анкерной плиты; R_af,i– расчетное сопротивление i-го слоя многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания, кПа (кгс/см²); h_i– толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания–оттаивания, м (см); f_i– расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см²), принимаемое согласно СНиП 2.02.03–85, приведены в табл. 7.27.

Таблица 7.27

Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и

свай-оболочек

h погружения конца сваи, м	Расчетные сопротивления на боковой поверхности забивных свай и свай оболочек fi, кПа (тс/м2)
	песчаных грунтов средней плотности
	Круп- ных	Мел-ких	Пыле-ватых	-	-	-	-	-	-
	пылевато-глинистых грунтов при показателе текучести ILравном
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 25 30 35	35 42 48 53 56 58 62 65 72 79 86 93 100	23 30 35 38 40 42 44 46 51 56 61 66 70	15 21 25 27 29 31 33 34 38 41 44 47 50	12 17 20 22 24 25 26 27 28 30 32 34 36	8 12 14 16 17 18 19 19 20 20 20 21 21	4 7 8 9 10 10 10 10 11 12 12 12 13	4 5 7 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9	3 4 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8	2 4 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7
Примечания. Чтобы перевести кПа в тс/м2необходимо значения в таблице умножить на 0,1; 1. При определении расчетных сопротивлений грунтов на боковой поверхности свай fi пласты грунтов следует расчленять на однородные слои толщиной не более 2 м. 2. Для промежуточных глубин погружения свай и промежуточных значений показателя текучести IL пылевато-глинистых грунтов значения R и fi в табл. 7,27  определяются интерполяцией. 3. Значения расчетного сопротивления плотных песчаных грунтов на боковой поверхности свай fi следует увеличивать на 30% по сравнению со значениями, приведенными в таблице. 4. Расчетные сопротивления супесей и суглинков с коэффициентом пористости е < 0,5 и глин с коэффициентом пористости е < 0,6 следует увеличивать на 15 % по сравнению со значениями, приведенными в таблице, при любых значениях показателя текучести.

Лабораторная работа. Вариант 1.

Цель работы. Освоить методику оценки пучинистости грунтов и обоснования конструктивных схем мелкозаглубленых фундаментов

Задание. Оценить устойчивость свайного основания на воздействие сил морозного пучения для наземного строительства газопровода в Забайкалье

Исходные данные. Сваи диаметром D = 0,32м. Глубина погружения сваи от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта z= 3м. Расчетная нагрузка на сваю – F = 10 кН. Грунт представлен суглинком мягкопластичной консистенции, показатель текучести I_L=0,6. Расчетная глубина сезонного оттаивания – d_th = 2,8м. Расчетная температура многолетнемерзлого грунта Т₀= –1,5.^oС. Коэффициент теплопроводности мерзлого грунта λ_f=1,4Вт/(м·^oС), объемная теплоемкость С_f=522 Вт/(м³·^oС).

Ход работы. При показателе текучести грунта I_L=0,6 и d_th= 2,8м интерполируя данные табл. 7.26, получаем значения _fh = 96 КПа. Определяем площадь боковой поверхности смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного оттаивания грунта: A_fh = Dd_th=3,14·0,32·2,8= ? м². Прежде чем определять расчетное значение силы удерживающей фундамент от выпучивания определяется расчетная температура многолетнемерзлых грунтов по длине сваи, по которой определяется сопротивление сдвигу по поверхности смерзания. Raf. Поскольку разрез сложен однородным грунтом, в формуле 7.18 используем коэффициент сезонного изменения температуры грунтов основания ., для чего находим параметр: = ?. Значение коэффициента = ?находим по таблице 7,13. Значение коэффициента k_ts = ? по табл. 7.15. следовательно: T_с= (T₀– T_bf) ,z,k_ts+ T_bf= ?^oC.По табл. 7.11 при расчетной температур Тс= ?^oC определяем среднее значение расчетного сопротивления сдвигу по поверхности смерзания. Для глинистых грунтов получаем R_af =? КПа. По формуле 7.38 определяется расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания: = ?, Кпа; по формуле 7,36 определяем силы выпучивания фундамента = ? и силы удерживающие фундамент от выпучивания по формуле 7.38, а затем проверяем справедливость формулы 7,36. Если оно будет соблюдено, то свайное основание надземного трубопровода будет устойчивым к действию сил пучения

Лабораторная работа № 6.1. Цель работы: Научиться оценивать пучинистость грунтов и выбирать конструктивные схемы мелкозаглубленных фундаментов Задание: оценить пучинистость глинистых и песчаных грунтов и дать рекомендации относительно выбора конструкции фундамента на глинистых и песчаных грунтах для г. Чита. Исходные данные. Характеристики глинистых грунтов приведены в табл. 7.28, песков в табл. 7.29. Температуры выбираются по метеостанциям населенных пунктов указанных в задаче в соответствии указанными пунктами строительства по СНиП 23-01-99. Строительная климатология.

Ход работы. 1. По СНиП 23-01-99. Строительная климатология, выбираются отрицательные температуры для г. Чита и рассчитывается их среднее значение М₀.

Таблица 7,28

Исходные данные для лабораторной работы (характеристика глинистых грунтов)

№ грунта	Характе- кристика	h,м	t, oC			W, д.ед.		Wtot д.ед.
1	Суглинки,кт-сетчатая	3.0	-1,5	2,70	1,62	0,42	0,30	0,38
2	Глины, кт-слоистая	2,8	-3,0	2,74	1,65	0,46	0,27	0,40
3	Супеси, кт-сетчатая	2,3	-0,5	2,68	1,74	0,23	0,17	0,31
4	Супеси, кт-массивная	2,5	-0,8	2,68	1,79	0,21	0,18	0,26

Примеячание. кт – криогенная текстура; h,м – мощность слоя грунта; t, ^oC – температура грунта; – плотность минеральной составляю-щей; ρ – плотность грунта естественного сложения; w_L,w_{p –} влажность грунта на пределе текучести и на пределе раскатывания; W_tot – суммарная влажность грунтов.

Таблица 7,29

Исходные данные для лабораторной работы (характеристика песчаных грунтов – гранулометрический состав и коэффициент пористости е, д.ед)

№ грунта	е, д.ед	Пределы диаметров частиц фракций, мм и содержание фракций, в %
		2,0-0,5	0,5-25	0,25-0,1	0,1-0,05	0,05-0,005
1	0,28	6	28,5	42,2	19,0	5,9
2	0,33	7	25,5	41,1	19,1	4,3
3	0,31	4	27,0	42,7	17,3	10,3
4	0,27	4	31,1	39,7	22,4	1,3
5	0,32	3	33,1	40,1	21,8	2,0

2. По графику (рис. 7. 5) определяется критическая влажность w_cr глинистого грунта.

3. Рассчитывается параметр R_f, принимая w_totза расчетную предзимнюю влажность грунта в слое сезонного промерзания, при

необходимости корректировать R_f по d

4. По табл. 7.18 оценивается пучинистость глинистого грунта по параметру R_f,.

5. содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при Ip<0,02 определяются через показатель дисперсности D. Эти грунты относятся к непучинистым при D<1, к пучинистым – при D>1. Для слабопучинистых грунтов показатель D изменяется от 1 до 5 (1<D<5). Значение D определяется по формуле: (здесь –коэффициент, равный 1,85х10^-4 см² , е – коэффициент пористости; d₀ – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле: (где di – средний диаметр частиц отдельных фракций, см; рi – доля фракций, % по массе. Средние диаметры частиц отдельных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный средний диаметр последней тонкой фракции принимается максимальный размер частиц, деленный на коэффициент 1,4.

6. По формуле определяется средний показатель дисперсности D, по которому оценивается пучинистость песков и супесей с Ip < 0,02.