Механика мерзлых грунтов общая и прикладная

подпольем, -которое находится в эксплуатации уже долгое время

без недопустимых деформаций здания.

Примеры фундаментов под тяжелое технологическое оборудо­ вание приведены на рис. 155*. На рис. 155, а, показан столбчатый фундамент для ванны сгущения обогатительной фабрики с глуби­ ной заложения ниже чаши протаивания на плотном галечнике с применением для всего здания и фундаментов под оборудование проветриваемого подполья; а на рис. 155, б — разрез здания с ус­ тановкой оборудования гидролизного цеха на трехшарнирной ар­ ке, опирающейся на мощные опоры здания. Следует отметить, что

Рис. 156. Разрез здания, построенного в Канаде по методу сохранения мерзлого состояния грунтов основания:

по нашему мнению, устойчивость фундаментов здания гидролиз­ ного цеха может быть обеспечена лишь при закладке мощных опор здания на скальных породах.

Наличие хорошо выполненного открытого подполья в здании, построенном в суровых климатических условиях (г. Черчилл в Ка­ наде, на широте 58°47' при среднегодовой температуре воздуха —7,3° С) на столбчатых фундаментах, установленных поверх гра­ вийной подсыпки (рис. 156) **, уложенной на вечномерзлый грунт с последующим промораживанием подсыпки и утеплением ее сло­ ем сухого торфа, защищенного гравием, показало хорошее сохра­ нение мерзлого состояния оснований в течение более 10 лет экс­ плуатации здания. Здесь сыграло положительную роль, как хоро-

*Рис. 155 заимствован из книги Ю. Я. Велли [и др.] (см. сноску ** на стр. 339).

**См. сноску на стр. 341.

шее производство строительных работ (с применением предвари­ тельного промораживания гравийной подсыпки), так и тщательное устройство высокого проветриваемого подполья с отражателями

на потолке подполья из алюминиевой фольги, уложенной по слою пробки * в 10 см, что, конечно, весьма дорого.

При возведении сооружений на вечномерзлых грунтах по мето­ ду сохранения их 'мерзлого состояния необходимо обратить особое внимание на недопущение нарушения теплового режима оснований прокладкой различного рода коммуникаций: водопроводов, газо­ проводов, канализационной сети и т. я.

Особо существенное нарушение теплового режима грунтов ос­ нования могут вызвать неправильно выполненные вводы различных коммуникаций, которые могут быть источником местного обогрева грунтов. Для избежания последнего рекомендуется все вводы и вы­ воды теплопроводов и водопроводов производить по системе под­ весных устройств, прикрепляя их к потолку подполья и подводя к зданиям в специальных коробах, уложенных на проветриваемых подкладках с выводом или вводом в грунт, отступая па несколько метров от периметра зданий. Разводка тепловых и водных комму­ никаций вне здания производится в специальных галереях (рис. 157), где наличие теплопроводов позволяет избежать замер­ зания воды в водопроводах, а совместное расположение их в одной галерее улучшает условия наблюдения и ремонта, а также приме­ няется подвесная подземная прокладка по эстакадам, мачтам, ог­ радам и строительным конструкциям **.

На рис. 158 показаны разрезы двухъярусных железобетонных коллекторов для подземных коммуникаций по опыту строительства в г. Норильске, предложенные К. Борисовым и Г Пчелкиным, в которых было применено вентилирование коллекторов путем за­ бора холодного воздуха из подполий зданий и вывода его через, специальные обогреваемые шахты.

Вопросы прокладки сетей теплоснабжения, а также водоснаб­ жения и канализации имеют ряд специфических особенностей, для изучения которых мы отсылаем читателей к специальной литера­ туре ***.

* С. С. В я л о в , П. И. М е л ь н и к о в [и др.] Мерзлотоведение и опыт строительства на вечномерзлых грунтах в США и Канаде. Стройиздат, 1968.

** Рекомендации по проектированию санитарно-технических сетей в районах распространения вечномерзлых грунтов. Изд. Красноярского ПромстройНИИпро-

ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ НА ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТАХ

§ 1. Условия допустимости строительства на оттаивающих грунтах

Следует прежде всего отметить, что большинство сооружений до настоящего времени возводилось с оттаиванием вечномерзлых грунтов оснований, что часто делалось несознательно, поэтому не учитывались ни величина, ни неравномерность осадок оттаивания вечномерзлых оснований.

Игнорирование оттаивания вечномерзлых оснований или допу­ щение оттаивания без учета его последствий неизбежно приводит здания и сооружения, возводимые в условиях вечномерзлых грун­ тов, к недопустимым деформациям, нарушающим эксплуатацию сооружений или приводящим их к разрушению.

Проектирование фундаментов с учетом осадок оттаивания веч­ номерзлых оснований по II принципу СНиП П-Б.6—66 — использо­ вания вечномерзлых 'грунтов в оттаивающем состоянии, применя­ ется лишь при полном учете осадок оттаивающих оснований при условии, что при постепенном оттаивании вечномерзлых грунтов оснований в процессе строительства и эксплуатации зданий и со­ оружений, расчетные осадки оттаивающих оснований не превысят предельных осадок.

Чтобы запроектировать грамотно фундаменты сооружений и са­ ми сооружения с учетом осадок оттаивания оснований, обязатель­ но необходимо иметь данные о физических и 1механических свой­ ствах грунтов оснований в мерзлом и оттаявшем состояниях, опре­ деление которых подробно было рассмотрено в I части книги и в гл. VII, § 3 II части. Перечислим их еще раз.

Хград/ккал\ 0П и 0о — температуры помещения и 'мерзлого грунта на глубине нулевых амплитуд (~ 1 0 м), °С; q = t,(Wc—WH)YCK— теплота таяния мерзлого грунта (причем, £ — удельная теплота плавления льда, равная 80 000 ккал/Т\ Wc, WH— суммарная влаж­ ность и влажность за счет содержания незамерзшей воды в долях единицы; уСк — объемный вес скелета мерзлого грунта, Т/м3), ккал/м3.

2. Прочностные свойства:

Сотт — сцепление оттаявшего грунта; ф0Тт — угол внутреннего тре­ ния оттаявшего грунта.

3. Деформативные свойства:

А — относительный коэффициент оттаивания; а — относительный коэффициент уплотнения при оттаивании.

СН 353—66) к 'повышенным неравномерным деформациям осно­ ваний (например, при устройстве жестких поясов, осадочных швов, разрезке зданий или сооружений на отдельные отсеки, которые могут оседать без связи с соседними частями зданий или сооруже­ ний), допускается принимать большие значения предельных дефор­

маций.

Кроме того, прежние нормы (СН 91—60) давали значения и предельных скоростей осадок, при этом для зданий и сооружений относительно жестких и чувствительных к неравномерным осадкам (железобетонные жесткие рамы и т. п.) допускались скорости оса­ док от 4 до 8 см в год, для нежестких (здания и сооружения со стальными разрезными несущими конструкциями) — до 10 см в год и для деревянных конструкций (статически определимых) до 12 см в год.

Приведенные значения предельных скоростей осадок необходи­ мо учитывать при быстром оттаивании вечномерзлых грунтов в ос­ нованиях сооружений, когда скорость осадок оттаивающих основа­ ний может превзойти указанные предельные значения.

Из изложенного со всей очевидностью вытекает, что главным критерием правильности запроектированных фундаментов на от­ таивающих грунтах будет учет осадки фундаментов, которая долж­ на быть менее предельной для данного вида сооружений. По­ следнее вызывает необходимость особое внимание обратить на прогноз осадок мерзлых грунтов при их оттаивании под сооруже­ ниями.

Поэтому дальнейший расчет и проектирование фундаментов на оттаивающих грунтах должны включать в себя следующее:

1)определение глубины оттаивания вечномерзлых грунтов под сооружением для различных промежутков времени и 'предельно установившейся;

2)определение расчетного сопротивления (несущей способ­

ности) оттаивающих грунтов оснований;

3)определение реакций основания фундаментов с учетом не­ равномерности осадок оттаивающих грунтов оснований;

4)определение размеров и конструирование фундаментов;

5)проверку фундаментов на морозное выпучивание.

Отметим, что общие зависимости для определения глубины от­ таивания вечномерзлых грунтов под сооружениями были рассмот­ рены в § 3, гл. VIII, а проверка фундаментов на выпучивание про­ изводится по тем же формулам и данным, какие приведены в

§5, гл. IX.

§2. О несущей способности оттаивающих и оттаявших грунтовых

оснований

При рассмотрении несущей 'способности оттаивающих грунто­ вых оснований необходимо иметь в виду, как и в других ранее рассмотренных случаях, две критические нагрузки на грунт: на­ чальную критическую нагрузку на« ркр, величина которой близка

где фотт и сотт — параметры сдвига для оттаивающего грунта без изменения его плотности-влажности.

При расчетах фундаментов величину нач ркр можно принимать как совершенно безопасное давление на грунт, близкое к пределу пропорциональности между давлением на грунт и осадкой грунта.

Для определения предельной нагрузки на грунт, соответствую­ щей полному исчерпанию несущей способности оттаивающих грунтов, можно воспользоваться формулами (IV.15) и (IV.16) и табл. 28 коэффициентов несущей способности грунта АП, Вп, Са и Аи, Вк, С„ В. Г. Березанцева:

для случая плоской задачи

где у — объемный вес грунта выше отметки заложения фундамен­ та; b — ширина подошвы ленточного фундамента; Ь\ — полушири­ на квадратной или радиус круглой площади подошвы; q — величи­ на боковой нагрузки; А, В, С — коэффициенты несущей способно­ сти для оттаивающих грунтов, определяемые по табл. 28 в зависи­ мости от значения ф0Тт-

В табл. 28 значения коэффициентов несущей способности при­ ведены лишь для углов внутреннего трения ф0тт^16°, что соответ­ ствует грунтам с наличием жесткого скелета (супесям, суглинкам, пескам и пр.); для грунтов же, имеющих ф0тт<16°, при определе­ нии критических нагрузок на грунт можно исходить лишь из вели­ чины эквивалентного сцепления сэотт, определяемого по методу шаровой пробы Н. А. Цытовича для данной плотности-влажности грунта, причем релаксацию напряжений для оттаивающих грун­

Если определена предельная нагрузка на оттаивающий грунт по формулам (IV.15'), (IV.16') или по формулам (IV.11'), (IV.11"), то величину нормативного (допускаемого) давления на оттаивающий грунт определим по формуле

где km принимается обычно равным 0,5—0,7.

Отметим, что величину начального критического давления на грунт нач р Кр можно рассматривать как нормативное давление на оттаивающий грунт без введения каких-либо понижающих коэф­ фициентов и, кроме того, при давлении на грунт от фундаментов сооружения меньше нач ркр грунт под подошвой фундаментов бу­ дет находиться в фазе уплотнения, и для расчета осадок фунда­ ментов на оттаивающих грунтах будут справедливы ранее выве­ денные зависимости, базирующиеся на теории линейно-деформи- руемых тел.

Таким образом, условием применимости выведенных ранее формул для расчета осадок фундаментов на оттаивающих грунтах будет: давление на грунт от фундаментов сооружений рд не долж­ но превосходить начальной критической нагрузки на оттаиваю­ щий или оттаявший грунт нач ркр:

рА < нач рк9« ^ н. (Х.З)

В случае отсутствия экспериментальных данных о величине коэффициента внутреннего трения <р0Тт и сцепления сотт оттаиваю­ щих или оттаявших грунтов при определении расчетных нагрузок на грунт (нормативного давления RH) можно воспользоваться (только для сооружений III и IV классов) табл. 14 СНиП И-Б.1—62, где нормативные давления даны для немерзлых песча­ ных грунтов в зависимости от их плотности, состава и увлажнен­ ности, а для глинистых (супесей, суглинков и глин) — в зависимо­ сти от величины их природного коэффициента пористости и преде­ лов консистенции (индекса текучести).

Что касается оттаявших грунтовых оснований, то несущая спо­ собность их, минимальная непосредственно после оттаивания, бу­ дет постепенно увеличиваться по мере отжатия поровой воды и уплотнения грунта под действием собственного веса.

Для тиксотропных глинистых грунтов возникнут после оттаи­ вания новые связи, и грунт станет обладать некоторой структур­ ностью, что несколько повысит его несущую способность' против той, которую он имел в момент оттаивания.

Для песчаных же грунтов, а особенно крупнообломочных (ще­ бенистых, галечных, гравелистых и т. п.) с жестким скелетом и крупными порами, вода будет отжиматься в процессе оттаивания, и несущая способность этих грунтов будет мало изменяться с те­ чением времени, хотя, как указывалось ранее, вследствие взрыхленности их в процессе промерзания, они будут давать осадки, значительно большие, чем те же грунты, не подвергавшиеся замо­ раживанию и оттаиванию.

Несущая способность оттаявших грунтов оценивается теми же общими методами, что и грунтов немерзлых — по величине их сопротивления сдвигу в оттаявшем состоянии; для предваритель­ ных расчетов можно пользоваться нормативными сопротивления­ ми по табл. 14 СНиП П-Б.1—62 в зависимости от плотности песча­ ных грунтов и консистенции глинистых.

§ 3. Расчеты ф ундам ентов по предельны м деф орм ациям (о садкам ) оттаиваю щ их оснований

Расчеты фундаментов по предельным деформациям (осадкам)

Предварительное определение размеров фундаментов произво­

При этом глубина /гд.с должна быть не менее глубины протаи­ вания данных грунтов, что определяется по результатам многолет­ них наблюдений за глубиной протаивания грунтов на открытых грунтовых площадках с оголенной от снежного и растительного покрова поверхностью или находится ориентировочно по картам сезонного протаивания для грунтов территории распространения вечномерзлых грунтов (см. рис. 17 и 18). Кроме того, глубина про­ мерзания должна быть проверена по формуле Стефана:

А я . с V > яqt г = т / ( а д

нимаемый по табл. 10 СНиП П-Б.б—66, ккал/м-ч-град-, 02 — сред­ няя температура воздуха в период отрицательных температур (аб­ солютное значение), °С; ^ — продолжительность периода с отри­ цательными температурами воздуха, ч\ <72= £ (^ с —^н)Уск(м)— —0,5 С'м02 — количество тепла, необходимое для замерзания еди­ ницы объема грунта, при этом £ — скрытая теплота замерзания во­

-j-CTU^H]— теплоемкость грунта [формула (IX.8)] с учетом агре­ гатного изменения воды (См — теплоемкость мерзлого грунта при температуре— 10° С и ниже, Ст — теплоемкость талого грунта, табл. 10 СНиПа).