книги из ГПНТБ / Ушкалов, В. П. Строительство в условиях пучинистых и слабых грунтов Севера

свойств, температуры нижележащих слоев грунта и наружно­ го воздуха.

Для определения теплофизических коэффициентов мерзлых и талых грунтов рекомендуется основанный на нестационарном тепловом режиме метод расчета коэффициента по физическим характеристикам грунта [16, 20]. Расчетные значения тепло­ физических коэффициентов песчаных и глинистых грунтов в зависимости от их физических характеристик — объемного ве­ са "Yo, влажности W и степени влажности G — определяются по табл. 3.

СТРОИТЕЛЬСТВО

В УСЛОВИЯХ П УЧИ Н И С ТЫ Х ГРУНТОВ

СЕЗОННОЕ ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТОВ

Почти на всей территории СССР наблюдается ежегодное зимнее промерзание и летнее протаивание верхнего слоя грунта — так называемого сезоннопромерзающего и протаиваю­ щего слоя. Около 47% территории покрыто мощной толщей вечномерзлых пород, залегающей на незначительной глубине и простирающейся вглубь от нескольких до сотен метров. Предметом нашего изучения будут сезоннопромерзающие грун­ ты и методы рационального строительства сооружений на пучинистых грунтах.

Согласно СНиП И-Б. 1— 62 п. 4.2— 4.5 [16], нормативная глубина сезонного промерзания грунта Я " принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного про­ мерзания грунтов, по данным наблюдений за фактическим про­ мерзанием грунтов под открытой, оголенной от снега и расти­ тельного покрова поверхностью за срок не менее 10 лет.

При отсутствии данных многолетних наблюдений норматив­ ную глубину промерзания Нк разрешается определять на осно­ ве теплотехнических расчетов или по схематической карте нор­ мативных глубин промерзания грунта на территории СССР,

где 2 Г Ы— сумма среднемесячных отрицательных температур воздуха за зиму, принятая как средняя из данных многолетних наблюдений местной метеорологической станции (данные встав­ ляются в формулу со знаком плюс). При отсутствии таких данных величина 2 Г М может быть определена ориентировочно по данным наблюдений гидрометеорологической станции, на­ ходящейся в аналогичных со строительной площадкой услови­ ях. Для супесей и песков мелких и пылеватых нормативная

10

Т а б л и ц а 4

Значения коэффициентов Кв

* Вся вода в порах грунта находится в немерзлом состоянии.

глубина промерзания принимается по схематической карте или

где — коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, при­ нимаемый по табл. 3, ккал/м-ч•град; tB— средняя температура воздуха за период отрицательных температур, принимаемая согласно [14], °С. Для Москвы среднемноголетнее значение. гв= — 7,1°. В формуле (23) берется со знаком плюс; т„ — про­ должительность периода с отрицательными температурами воз­ духа, принимаемая согласно [14], ч. Для Москвы среднее мно­ голетнее значение тм=

=3600 ч; q — скрытая теплота льдообразова­ ния, ккал/м3;

(Ks — коэффициент, принимаемый по табл. 4); Сг и Ся —объем­ ная теплоемкость талого и мерзлого грунта соответственно, принимаемая по табл. 3, ккал/м3 • град. Расчетная глубина про­ мерзания Н определяется по формуле

у наружных стен, определяемый по табл. 5.

ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ ГРУНТОВ ПО СТЕПЕНИ МОРОЗНОЙ ПУЧИНИСТОСТИ

В зависимости от гранулометрического состава, числа плас­ тичности, природной влажности, уровня стояния подземных вод грунты могут быть сильнопучинистыми, среднепучинистыми, слабопучинистыми и непучинистыми [19].

Ксильнопучинистым относятся пылеватые супеси, суглин­ ки и пылеватые глины текучей и текучепластичной консистенции, если уровень подземных вод находится в зоне промерза­ ния или превышает расчетную глубину промерзания на 0,5—

1м. Возможная величина пучения WBTt> 2 0 см.

Ксреднепучинистым грунтам относятся пески пылеватые, супеси, суглинки и глины с природной влажностью на период промерзания выше влажности на границе раскатывания Wр<

<W <CWP+0,5 Wa при стоянии уровня подземных вод, превы­

супеси, суглинки и глины тугопластичной консистенции, а так­ же крупнообломочные грунты с пылевато-глинистым заполни­ телем больше 30% при стоянии уровня подземных вод, превы­

12

стояния грунтов; этим подразделением можно руководствовать­ ся для ориентировочной оценки возможности морозного пуче­ ния грунтов за короткий период времени, в течение которого есть гарантия, что условия увлажнения грунта и его влажность перед замерзанием и в процессе замерзания существенно не изменятся.

Вследствие неизбежного нарушения естественной структу­ ры грунтов при производстве земляных работ, а также при эксплуатации слабопучпнистые грунты могут перейти в сильнопучинистую категорию. Степень пучинистости грунтов сезоннопромерзающего слоя приближенно может быть выражена коэффициентом пучения кп, который принимается равным отно­ шению величины пучения ТУду, к расчетной глубине сезонного

Н. А. Цытович [24], Н. И. Салтыков [13], Б. И. Далматов [5],

сказано ранее, обусловливается следующими факторами: пре­ обладающим содержанием в грунте пылеватых и глинистых частиц; увлажненностью грунта перед промерзанием не менее влажности W p+0,5 W„ при неглубоком залегании уровня грун­ товых вод и возможности миграции влаги из подстилающих слоев грунта; действием температурного градиента в зоне ак­ тивного промерзания в пределах температур —0,5°-=— 5°.

Как отмечает Н. А. Цытович [22], процесс миграции влаги в замерзающих грунтах представляет собой сложное физиче­ ское явление, возникающее, в общем случае, под действием молекулярных сил. При промерзании грунтов и дальнейшем понижении температур в указанных пределах происходит миг­ рация воды к фронту охлаждения и промерзания. Наибо­ лее интенсивен этот процесс при промерзании грунтов. Мигра­ ция влаги и последующее замерзание миграционной воды су­ щественно изменяют физические и механические процессы в этих грунтах. Происходит тепломассоперенос к фронту про­

13

мерзания вследствие добавочных теплозатрат на заморажива­ ние поступивших новых масс воды, а также притока нового количества тепла вместе с миграционной водой. Это вызывает основные изменения объема грунтов. Интенсивность миграции влаги зависит от температуры наружного воздуха и промерза­ ния грунта. При медленном промерзании количество мигриру­ ющей воды больше. Если же промерзание грунта происходит интенсивно, например при сильных морозах, то вода в диспер­ сных грунтах с малым коэффициентом фильтрации не успевает подтянуться из нижележащих горизонтов к фронту про­ мерзания.

Следует различать две системы в условиях пучения грун­ тов: при отсутствии подтока воды — закрытая, при которой об­ щая величина морозного пучения грунтов незначительна, и открытая — когда на небольшой глубине залегает уровень грунтовых вод, свободно мигрирующих к фронту промерзания и увеличивающих объем грунта.

При замерзании содержащейся в порах водонасыщенного грунта влаги объем грунта увеличивается сравнительно мало — около 2%. Значительно больше он изменяется (на 10% и бо­ лее) вследствие замерзания воды, мигрирующей из соседних непромерзших областей грунта.

В соответствии с предложенной Н. А. Перетрухиным [9] схемой морозного пучения грунтов сезоннопромерзающий слой грунта может быть представлен в виде чередующегося ряда элементарных слоев. С понижением температуры воздуха про­

грунта, водонасыщенностью, химическим составом грунтовой воды. На этой стадии частично замерзает свободная грунтовая вода и формируется морозная структура грунта без увеличе­ ния его объема;

2)активного промерзания и пучения; стадия соответствует дальнейшему понижению температуры слоя грунта от — 2° до

—5°; происходит почти полное замерзание свободной воды; вследствие увеличения объема льда увеличивается высота слоя грунта с перемещением вверх его поверхности и некоторым опусканием нижней плоскости за счет уплотнения нижележа­ щих слоев;

3)последующего охлаждения, с понижением температуры слоя грунта от — 5° до температуры, при которой начинается уменьшение объема мерзлого грунта и которая примерно соот­

ветствует — 15Ч-----20° ( —f сжатия). Слой перемещается вверх под влиянием давления нижележащего слоя, находящегося в стадии активного пучения;

14

Рис. 1. Стадии промерзания элементарных слоев пучинпстого грунта.

а — распределение температуры по глубине; б — стадии промерзания: 1— на­ чального промерзания; 2— активного промерзания и пучения; 3— дальней­ шего охлаждения; 4 — переохлаждения; нг — немерзлый грунт. А — началь­ ная, Б — последующая стадии промерзания.

4) переохлаждения; в эту стадию может перейти слой грун­ та, залегающий с поверхности, при дальнейшем понижении температуры ниже — 1° сжатия. Слой испытывает внутриобъемное сжатие и в отдельных сечениях — растяжение. При превы­ шении этих напряжений сопротивления грунта разрыву об­ разуются морозобойные трещины. Этот слой, как и предыду­ щий, перемещается вверх под воздействием нижележащего, находящегося на стадии активного пучения. Эти стадии пере­ мещаются вниз по мере понижения температуры слоев, опре­ деляющего переход из одной стадии в другую (рис. 1).

При замерзании грунта изменяются его свойства и контакт­ ные связи между фундаментом и грунтом. В процессе взаимо­ действия перемещающиеся на стадии активного промерзания и пучения слои грунта стремятся поднять фундамент вверх. Силы воздействия пучащегося грунта на фундамент определя­ ются длительным сопротивлением смерзания грунта с мате­ риалом фундамента при непрерывном относительном перемеще­ нии слоев грунта.

.15

КАСАТЕЛЬНЫЕ И НОРМАЛЬНЫЕ СИЛЫ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ

Касательные силы пучения развиваются по боковым поверх­ ностям фундамента в грунте, непосредственно прилегающем к ним. Величина касательных сил пучения промерзающих грун­ тов близка к величине устойчивого сопротивления грунтов смерзанию. Эта величина определяется опытным путем при не­ прерывном сдвиге сто й ки , вмороженной в грунт, посредством продавливания или выдергивания ее. При этом скорость дви­ жения стойки должна быть задана близкой к скорости выпучи­ вания грунтов в природных условиях, т. е. от 2 до 20 мм в сутки [21].

Нормативное значение касательной силы пучения тн (кГ/см2), согласно СНиП Н-Б. 6— 66 [18], принимается на ос­ новании опытных данных; при отсутствии опытных данных до­ пускается принимать тн равной 0,8 кГ/см2.

Нормальпые силы пучения действуют перпендикулярно к подошве фундаментов, заложенной в сезоннопромерзающем слое. Величина нормальных сил пучения зависит от влажностно­ го режима грунтов, скорости их промерзания, сжимаемости под­ стилающего слоя, величины воспринимающей площади фунда­ мента и величины внешней нагрузки. При наличии малосжи-

могут быть допущены. Поэтому глубину заложения фундамен­ тов на пучинистых грунтах рекомендуется принимать ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Глубина заложения фундаментов зданий определяется в зависимости от глубины сезонного промерзания грунтов, с уче­ том назначения зданий, наличия подвалов, подземных комму­ никаций, геологических и гидрогеологических условий площад­ ки. Действующим СНиП Н-Б. ,1— 62, п. 4.6 [16] рекоменду­ ется глубину заложения фундаментов с учетом возможности пучения грунтов основания при промерзании назначать по табл. 6. Ниже приводим ее без принципиальных изменений, н* в более удобном для пользования виде (табл. 6).

Согласно табл. 6 [16], разрешается в определенных услови­ ях закладывать фундаменты зданий выше глубины промерза­ ния. Между тем практика строительства показывает, что та­ кие здания часто получают недопустимые деформации.

Исследования^ произведенные в Братском энергопромышлрнром районе [7], показали, что ряд зданий, фундаменты ко-

1

Т а б л и ц а 6

Глубина заложения фундаментов Н,ь с учетом возможности пучения

ваемых зданий назначается без учета промерзания грунтов при условии, если грунты будут защищены от увлажнения поверхностными водами, а также и от промерзания их в период строительства (с начала строительства до ввода зда­

ния в эксплуатацию). 2. Глубина заложения фундаментов стен и колонн зда­ ний, имеющих неотапливаемые подвалы или. по) !Г8ЛЬ')Г 'ттртг- гРунт-зх,...

ЯГ

ЭНЭс

торых были заложены в пучинистых грунтах выше глубины сезонного промерзания, получили деформации; другая же часть таких зданий не имела значительных деформаций. Грунты это­ го района представлены суглинками, часто пылеватыми, слегка макропористыми, преимущественно непросадочными, твердой и полутвердой консистенции. При промерзании такие грунты обычно не испытывают заметного пучения. Но в большинстве случаев непосредственно у фундаментов влажность грунта вы­ ше, чем на расстоянии 3— 4 м от них. Увеличение влажности грунта у фундаментов объясняется следующими причинами:

—при планировке площадки застройки нарушается естест­ венный, сложившийся сток поверхностных вод;

—водопроницаемость грунта засыпки пазух больше перво­ начальной вследствие его разрыхления;

—отмостка шириной 0,8— 1,0 м меньше ширины обратной засыпки пазух; кроме того, отмостка обычно растрескивается в первые годы эксплуатации; при пучении грунта у фундамента она принимает обратный уклон;

— весной грунт протаивает раньше у фундамента здания, й вода от таяния снега стекает в разрыхлённый грунт пазух у фундаментов; кроме того, дополнительно поступает вода с кры­ ши здания;

—по рыхлой засыпке траншей наружных коммуникаций вода проникает в пазухи фундаментов, из этих коммуникаций нередко происходит утечка производственных и хозяйственных вод;

—наличие здания, отмостки, асфальтированных проездов п дорог ухудшает условия испарения влаги с поверхности грунта по сравнению с открытой площадкой.

Таким образом, после возведения здания у его фундамента образуется сдой дополнительно увлажненного до состояния полного водонасыщения грунта.

Грунты при начальной влажности, превышающей предел раскатывания Wp, подвержены пучешио. Если показатель кон­

но, фундаменты зданий можно закладывать выше глубины промерзания только в том случае, если природная влажность грунта меньше irp-f-0,25 WK (грунты полутвердой консистен­ ции) [6, 7], а не ГГр + 0,5 W n (грунты тугопластичной консис­ тенции), как указано в табл. 6 [16].

При промерзании без подтока воды грунт испытывает пу­ чение только в верхнем, активном по пучению слое. Ниже слоя пучения грунт оказывается осушенным до влажности на гра­ нице раскатывания и его промерзание происходит без избыточ­ ного льдообразования. Таким образом, в сезоннопромерзающем грунте образуются два ‘слоя: верхний — активный по пучению,

18

толщина которого не превышает 0,7— 0,8 И. и нижнпй — иепучащпнся.

ГТрн заложении фундаментов на глубине, меньшей активно­ го по пученшо слоя, на фундамент действуют как касательные, так и нормальные силы пучения. В этом случае здание может получить недопустимые деформации. Для предотвращения де­ формаций зданий глубина заложения фундаментов должна быть не менее толщины активного по пучению слоя грунта. Если природная влажность грунта превышает Wv + 0,25 Wn пли имеется высокий горизонт грунтовых вод, активный по пуче­ нию слой грунта может равняться глубине промерзания. В этих случаях глубина заложения фундаментов должна быть не ме­ нее Н (расчетной глубины промерзания).

РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ ПО УСТОЙЧИВОСТИ И ПРОЧНОСТИ

НА ДЕЙСТВИЕ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ

При слое сезонного промерзания, сложенном иучпнистыми грунтами, следует проверять фундаменты на действие касатель­ ных сил морозного пучения (рис. 2).

Расчет устойчивости фундаментов на действие сил пучения производится по формуле

где « 1 — коэффициент перегрузки постоянной нагрузки, дейст­ вующей на фундамент, «i= 0 ,9 ; iVH— нормативное значение по­ стоянной нагрузки, включая вес фундамента и грунта на его уступах, кГ; кт — произведение коэффициентов однородности

Рис. 2. Расчетная схема фундамента, нагружен­ ного касательными силами лучения.