книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

снижается прочность грунтов, увеличивается сжимаемость и прояв­ ляется склонность к просадочным деформациям. В определенной мере к этой группе могут быть отнесены и насыпные грунты.

Структурно-неустойчивые грунты имеют широкое распростра­ нение на территории стран СНГ, группируясь по преимуществу в определенных географо-климатических зонах (регионах), поэтому их часто называют региональными, а условия строительства относят к региональным или особым грунтовым условиям.

Расчет и проектирование оснований и фундаментов в этих усло­ виях базируются на тех же предпосылках и методах, которые были изложены в предыдущих главах учебника. Однако всегда следует иметь в виду, что при строительстве на структурно-неустойчивых грунтах кроме общепринятых для обычных условий решенийтребу­ ется проведение комплекса специальных мероприятий, учитываю­ щих их особые свойства и обеспечивающих нормальную эксплу­ атацию сооружений. Неучет этих свойств неизбежно приводит к чре­ змерным осадкам и просадкам оснований, а в худшем случае — к потере устойчивости оснований и разрушению сооружений.

Мероприятия, осуществляемые при строительстве в особых гру­ нтовых условиях, можно разделить на четыре группы. К первой относятся меры, предпринимаемые для исключения неблагоприят­ ных воздействий на грунты основании. Вторая группа объединяет рассмотренные в гл. 12 разнообразные способы искусственного улучшения строительных свойств оснований, с помощью которых нейтрализуются последствия воздействия неблагоприятных факто­ ров. Третья включает конструктивные мероприятия, понижающие чувствительность зданий и сооружений к неравномерным дефор­ мациям оснований. Мероприятия четвертой группы заключаются в применении специальных типов фундаментов. Выбор конкретных мероприятий или их сочетаний требует специальных знаний приро­ д а и свойств структурно-неустойчивых грунтов, методов расчета оснований и особых приемов строительства.

Объемы строительства на структурно-неустойчивых грунтах в нашей стране неуклонно возрастают. Это нашло отражение в нор­ мативных документах. В СНиП 2.02.01 — 83 «Основания зданий и сооружений» впервые введены специальные разделы, регламен­ тирующие правила проектирования оснований и фундаментов на основных видах региональных грунтов. Введен в действие СНиП 2.02.04 — 88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Специальные вопросы строительства отражены в многочисленных инструктивных материалах, в Справочнике проектировщика «Ос­ нования, фундаменты и подземные сооружения».

С учетом многообразия видов и особенностей региональных грунтов и способов строительства на них в настоящей главе рас­ сматриваются лишь основные положения расчета и проектирования фундаментов. Более полные сведения приведены в указанных выше источниках, а также фундаментальных работах: Н. А. Цытовича,

391

С. С. Вялова, Б. И. Далматова, В. В. Докучаева и многих других — по строительству на вечной мерзлоте; Ю. М. Абелева, В. XI. Ананьева, В. И. Крутова, А. А. Мустафаева и многих дру­ гих— на лессовых грунтах; М. Ю. Абелева, Ф. П. Винокурова, Б. И. Далматова, II. А. Коновалова, С. Я. Кушнира, В. И. Крутова, Н. Н. Морарескула, Е. А. Сорочана и многих других отечественных ученых и инженеров — на остальных видах региональных грунтов, частично указанных в списке литературы к настоящему учебнику.

15.2. Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов

Особые природные и экономические условия районов распрост­ ранения вечномерзлых грунтов определяют специальные требова­ ния к проектированию, строительству и эксплуатации сооружений. К числу основных особенностей этих районов следует отнести суро­ вый климат, вечномерзлое состояние грунтов и экономические пока­ затели, обусловленные отдаленностью и малой освоенностью тер­ риторий. В большой мере это относится к устройству оснований и фундаментов.

Проектирование оснований и фундаментов в районах распрост­ ранения вечной мерзлоты выполняется согласно общим принципам проектирования но предельным состояниям. Для проведения соот­ ветствующих расчетов необходимо изучить механические свойства мерзлых грунтов. Характерной особенностью является то, что даже при мерзлом состоянии грунтов эти свойства существенно зависят не только от вещественного состава и влажности грунтов, но и от их температуры. Если же происходит оттаивание мерзлых грунтов, то у некоторых из них проявляется склонность к просадочным дефор­ мациям или разжижению. При промораживании грунтов может наблюдаться морозное пучение, поэтому прогноз температурного режима оснований при проектировании фундаментов в условиях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение, а его регулирова­ ние часто является действенной мерой по обеспечению прочности и надежности сооружений.

Механические свойства мерзлых грунтов. В зависимости от веще­ ственного состава и температурно-влажностных условий мерзлые грунты делятся на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые.

К твердомерзлы м относятся крупнообломочные грунты при температуре Г<0° С и суммарной влажности wto(>0,03, пески при

Г < - 0,Г...-0,3° С и W/0|> 0,03, пылевато-глинистые грунты при

Т< —0,6... —1,5° С. Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемы (£>100 МПа), при быстром на­ гружении характеризуются хрупким разрушением.

К пластичномерзлым относятся песчаные и пьшевато-глинис-

392

Рис. 15.1. Зависимости сопротивления сдвигу мерзлого грунта от температуры (а) и От нормальногодавления (б) ^изменение сцепления мерзлых грунтов во времени (в):

I — лед; 2 — супесь; 3 — глина; 4, 5 — соответственно мгновенное и предельное длительное сопротивление суглинка пылеватого; 6 — песок; 7 — глина ленточная; 8 — супесь пылеватая; 9 — суглинок пылеватый

тые грунты при температуре в пределах от начала замерзания Ть/ до

указанных выше значений. Они также сцементированы льдом, но обладают сжимаемостью и вязкими свойствами.

К сыпучемерзлым относятся крупнообломочные и песчаные грунты при 740° С и wtof<0,03. Несмотря на мерзлое состояние,

эти грунты не сцементированы льдом ввиду его малого содержания в порах. Их свойства практически не изменяются под влиянием температуры, близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии и поэтому не нуждаются в дополнительном рассмотре­ нии.

Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу зависит главным об­

разом от температуры грунта, внешнего давления и времени дейст­ вия нагрузки. Естественно, оно различно для грунтов разного со­ става и состояния.

Как показывают опыты, сопротивление сдвигу увеличивается с понижением температуры грунта (рис. 15.1, а) или увеличением нормального давления (рис. 15.1, б). При этом в общем сопротивле­ нии сдвигу сцепление составляет значительную часть; для мерзлых глин оно колеблется в пределах 80...94%. Сопротивление сдвигу снижается при длительном действии нагрузки, причем в основном за счет уменьшения во времени сцепления грунта, и связывается с нормальным давлением соотношением Кулона

393

При оценке сопротивления сдвигу мерзлых грунтов наряду с традиционными сдвиговыми и трехосными испытаниями приме­ няют метод шарового штампа (см. § 4.5), позволяющий определять эквивалентное сцепление сш. Характер изменения эквивалентного сцепления во времени для различных типов мерзлых грунтов пред­ ставлен на рис. 15.1, в.

Поскольку инженерные сооружения находятся в эксплуатации продолжительное время, в расчетах оснований должны использо­ ваться характеристики длительной прочности мерзлых грунтов. Следует помнить, что при оттаивании твердо- и пластичномерзлых грунтов происходит резкое снижение сопротивления их сдвигу.

Сжимаемость мерзлых грунтов проявляется в зависимости от времени действия и нагрузки. Грунты разного состава, температуры и влажности имеют различную сжимаемость.

Для мерзлых грунтов с низкой температурой характерна незна­ чительная сжимаемость. При температуре, близкой к нулю, мерз­ лые грунты могут даже при малых нагрузках значительно уплот­ няться. Величина сжатия достигает 1,5...4,0 см на 1 м сжимаемой толщи. Осадки таких грунтов рассчитываются общепринятыми в механике грунтов методами с использованием соответствующих

значений деформационных характеристик.

Сжимаемость оттаивающих грунтов может значительно пре­ вышать их сжимаемость в мерзлом состоянии. Это характерно для некоторых типов пластичномерзлых и особенно твердомерзлых грунтов.

Изучение сжимаемости при оттаивании обычно производится в одометрах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Образец мерзлого грунта с начальной высотой h0 помещается в камеру одометра и обжимается вертикальной нагрузкой pv При этом происходит незначительное сжатие образца и его высота уменьша­ ется до величины А/ (участок аб графика на рис. 15.2, а). Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при постоянном давлении pv В процессе оттаивания разрушаются цементационные

связи, так как вода переходит из замерзшего в жидкое со­ стояние, и грунт может зна­ чительно уплотниться (верти­ кальный участок графика на рис. 15.2, а). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации оттая­ вший образец нагружается ступенчато-возрастающей

394

оттаявшего грунта (участок вг на рис. 15.2, а). Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжатия pv Из каждого опыта определяется коэффициент просадочности

после чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки (рис. 15.2, б). Зависимость &th=f(p) имеет прак­

тически линейный характер и описывается уравнением

где Ath и 5 — соответственно коэффициенты оттаивания и сжима-

’ емости. . , Таким образом, осадка оттаявшего грунта складывается из двух

частей: осадки оттаивания, не зависящей от нагрузки и характеризу­ емой коэффициентом Аа, и осадки уплотнения, пропорциональной

нагрузке и характеризуемой коэффициентом <5.

Эти коэффициенты и являются основными расчетными харак­ теристиками при вычислении осадок оттаивающих оснований.

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве ос­ нований зданий и сооружений. СНиП 2.02.04 — 88 установлены два принципа строительства на вечномерзлых грунтах:

принцип I — вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в те­ чение всего периода эксплуатации сооружения;

принцип II — в качестве оснований зданий и сооружений ис­ пользуются предварительно оттаянные грунты или грунты, отта­ ивающие в период эксплуатации сооружений.

Принцип I применяется в тех случаях, когда расчетные дефор­ мации основания в предположении его оттаивания превышают предельные и их не удается привести в соответствие с требованиями Норм конструктивными мерами или улучшением строительных свойств основания. Этот принцип рекомендуется, когда грунты находятся в твердомерзлом состоянии и такое состояние может быть сохранено при экономически разумных затратах. Для пластич­ номерзлых грунтов, как правило, проектом предусматривают до­ полнительное охлаждение основания.

Принцип II рекомендуется применять при неглубоком залегании скальных грунтов, а также при других типах грунтов, которые в пределах расчетной глубины оттаивания малосжимаемы (плотные Крупнообцомочные грунты и пески, пылевато-глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции). В южной зоне распростране­ ния вечномерзлых грунтов, где они встречаются в виде островков или слоев небольшой мощности и отличаются высокой температу­ рой, применение принципа II часто оказывается неизбежным..

395

Рис. 15.3. Мероприятиядля сохранения вечномерзлогосостояния грунтов:

1 — вечномерзлый грунт; 2 — верхняя граница слоя вечномерзлого грунта; 3 — деятельный слой; 4 — насыпной непучинистый грунт; 5 — теплоизоляция; б — вентилируемое подполье; 7 — сваи; 8 — неотапливаемый 1-й этаж; 9 — вентиляционные каналы; 10 — замораживающие колонки

В пределах застраиваемой территории должен предусматривать­ ся, как правило, один принцип использования вечномерзлых грун­ тов. Применение двух принципов допускается лишь в качестве' исключения при разнородных мерзлотно-грунтовых условиях, если это обосновано теплотехническими расчетами и обеспечиваются специальные мероприятия, исключающие взаимное тепловое влия­ ние зданий и сооружений.

Мероприятия по сохранению вечномерзлого состояния грунтов при строительстве по принципу I. Для сохранения вечномерзлого состоя­ ния оснований используются различные методы. Выбор одного метода Или их сочетания производится на основании теплотехничес­ ких расчетов с учетом конструктивных и технологических особен­ ностей сооружения.

Возведение зданий на подсыпках (рис. 15. 3, а) целесообразно, например, если вблизи поверхности грунта размещаются линзы подземного льда. Подсыпка применяется при вертикальной плани­ ровке территорий или устраивается под отдельными зданиями или сооружениями. Этот метод может использоваться одновременно с другими мероприятиями, обеспечивающими сохранение мерзлого состояния основании (теплоизоляция, вентилируемые подполья, воздушные и другие системы охлаждения и т. п.), которые рассмат­ риваются ниже. В качестве материала подсыпок используются пески средней крупности и крупные, крупнообломочные грунты, шлаки. Теплоизоляция применяется в сочетании с другими методами, а также при устройстве фундаментов на естественном вечномерзлом

396

основании (рис. 15.3, б) для сооружений, возводимых в суровых климатических условиях и занимающих небольшую площадь.

Устройство вентилируемых подполий (рис. 15.3, в) является основным и наиболее распространенным способом регулирования теплового влияния зданий на температурный режим оснований. Открытые подполья имеют в течение всего года сообщение с наружной средой. Недостатком этого метода является то, что подполья в зимний период заносятся снегом, а летом в них непреры­ вно поступает теплый воздух, растепляющий 'основание. Кроме того, при открытом доступе холодного воздуха в зимний период возникает неблагоприятный температурный режим во внутренних помещениях первого этажа. Более эффективны подполья с регу­ лируемым проветриванием, средством вентиляции которых служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания. Обыч­ но в зимнее время продухи открыты, что способствует поступлению холодного воздуха к поверхности грунта и промерзанию основания. В летние месяцы продухи целесообразно закрывать. Низ продухов располагают на 0,25 м выше поверхности грунта во избежание их снегозаносов. Форма сечения продухов квадратная или прямоуголь­ ная с размером сторон 0,2...0,5 м. Минимальная высота подполий колеблется в пределах от 0,5 до 1,2 м.

Иногда роль вентилируемого подполья выполняют неотапли ­ ваемые помещ ения I этаж а (рис. 15.3, г).

Подсыпки с трубами воздушного охлаждения (рис. 15.3, д) применяют главным образом для тепловыделяющих зданий значи­ тельных в плане размеров, где другими способами при наличии сильнольдистых грунтов в основании трудно обеспечить заданный температурный режим. Трубы прокладываются в пределах насып­ ного слоя и выводятся наружу в подполье или вблизи стен здания. Охлаждение основания достигается движением по трубам холод­ ного наружного воздуха в зимний период.

Для предпостроечного промораживания оснований, а также для последующего поддержания в основании заданного температурного режима применяют специальные промораживающ ие колонки, (рис. 15.3, е).

При использовании принципа П строительства на вечномерзлых грунтах существуют два основных подхода.

Предпостроечное оттаивание наиболее эффективно при воз­ ведении сооружений на крупнообломочных грунтах. В пылеватоглинистых грунтах этот метод дает полоясительные результаты лишь в том случае, когда они переслаиваются хорошо фильтру­ ющими песчаными или крупнообломочными прослойками, которые способствуют быстрому удалению образующейся при таянии льда воды, или же когда одновременно с оттаиванием применяется ис­ кусственное ускорение их консолидации или закрепление. Для повы­ шения температуры грунтов наиболее часто используется игловое гидроили парооттаивание гравийно-галечниковых и песчаных гру­

397

нтов с их виброуплотнением или электрический прогрев и уплотне­ ние глинистых грунтов с применением электроосмоса и иглофильт­ рового водопонижения.

В отдельных случаях эффективной оказывается замена льдистых грунтов талым песчаным или крупнообломочным грунтом. Кон­ туры зоны оттаивания или замены грунтов в плане должны выхо­ дить за контуры сооружения не менее чем на половину глубины предварительного оттаивания или замены грунтов. Оттаивание мо­ жет производиться как в пределах всей площади застройки, так и под отдельными фундаментами, если это обосновано расчетом по деформациям.

Второй подход, при котором допускается оттаивание грунтов в процессе эксплуатации сооружений, должен применяться с большой осторожностью и подкрепляться тщательным прогнозом температурного режима и деформаций оттаивающих оснований. При этом всегда следует учитывать возможность возникновения дополнительных осадок или просадок. Если оттаивание грунтов происходит неравномерно в плане и по глубине, не исключена также и неравномерность осадок отдельных фундаментов, что может при­ вести к аварийному состоянию сооружений. В этой связи примене­ ние такого метода особенно целесообразно при строительстве на грунтах, свойства которых не претерпевают значительных ухудше­ ний . при оттаивании, например на сыпучемерзлых грунтах или скальных основаниях. !

Оттаивание основания отапливаемых зданий неравномерно: под краем зданий, особенно под их углами, оно запаздывает по сравне­ нию с оттаиванием под серединой зданий. Эта неравномерность должна оцениваться расчетом. Во всех случаях необходимо прини­ мать меры по ограничению поступления в основание дополнитель­ ного тепла: предупреждать утечки производственных и хозяйствен­ ных вод, организовывать сток поверхностных вод, сводить к мини­ муму влияние местных источников тепловыделений.

При использовании принципа II дополнительно к указанным предусматриваются мероприятия по уменьшению чувствительности зданий и сооружений к неравномерным осадкам. Применяя жесткую схему сооружения, стремятся проектировать здания простой геомет­ рической конфигурации в плане, устанавливая их преимущественно на фундаменты в виде лент или плит. Здания разрезаются деформа­ ционными швами на отдельные жесткие отсеки длиной до полутор­ ной ширины здания. В несущих конструкциях устраиваются железо­ бетонные или армокирпичные пояса, усиливается цокольная часть зданий. Гибкая схема предусматривает устройство податливых со­ единений, усилия в которых при неравномерных деформациях не­ значительны. В случаях ожидаемых больших осадок применяются устройства, позволяющие выравнивать отметки оборудования. Та­ кую схему чаще всего используют для сооружений промышленного назначения. Фундаменты в этом случае проектируют столбчатые.

398

Надежным способом фундирования сооружений, возводимых по принципу II, является прорезка слоя оттаивающих грунтов столб­ чатыми или свайными фундаментами с их опиранием на вечномерз­ лые грунты. Глубина заложения фундаментов при таком способе их устройства должна обосновываться теплотехническим расчетом мо­ щности зоны оттаивания.

Назначение глубины заложения фундаментов. Глубина заложения фундаментов назначается с учетом требований СНиП 2.02.01 — 83 (см. § 10.2) и принятого принципа использования вечномерзлых грунтов. При наличии пучинистых грунтов принимается во внима­ ние воздействие на фундамент сил морозного пучения. При возведе­ нии зданий с сохранением вечномерзлого состояния грунтов (прин­ цип I) минимальная глубина заложения фундаментов L » назнача­ ется с учетом расчетной глубины сезонного оттаивания грунтов dth.

Фундаменты всех типов, кроме свайных, заглубляются в вечномерз­ лый грунт не менее чем на 1 м, сваи — не менее чем на 2 м. Глубина заложения фундаментов зданий и сооружений, возводимых на подсыпках, не нормируется. Расчетная глубина сезонного оттаивания Для зданий и сооружений с холодным подпольем вычисляется по

формуле

у наружных стен с асфальтовыми отмостками равным 1,2, у наруж­ ных стен с отмостками без асфальтовых покрытий — 1,0, у внутрен­ них опор — 0,8; dth,n — нормативная глубина сезонного оттаива­ ния, определяемая по данным натурных наблюдений или специаль­ ным теплотехническим расчетом.

При строительстве по принципу П глубина заложения фундамен­ тов устанавливается с учетом глубины сезонного промерзания грун­ тов.

Основные положения расчета фундаментов, возводимых с сохра­ нением вечномерзлого состояния грунта. При наличии в основании твердомерзлых грунтов, имеющих ничтожную сжимаемость, осно­ вание рассчитывается только по несущей способности (первая груп­ па предельных состояний). При расчете должно быть удовлетворено условие (6.24). Основания, сложенные пластичномерзлыми и силь­ нольдистыми грунтами, рассчитываются по несущей способности и д рмациям.

лбчатые и свайные фундаменты, заглубленные в вечномерз­ лый грунт, передают нагрузку на основание не только по подошве, но и по боковой поверхности за счет смерзания грунта с материа­ лом фундамента (рис. 15.4). Для центрально нагруженных фун­ даментов эта особенность учитывается двучленной формулой рас­ чета несущей способности основания:

399

где yt — температурный коэффициент, принимаемый, как правило, равным 1,1 для твердомерзлых и 1,0 для пластичномерзлых грун­ тов; ус— коэффициент условий работы, изменяющийся в зависимо­ сти от вида фундаментов и способа их устройства от 0,9 до 1,1; А — площадь подошвы фундамента или площадь опирания сваи; п — число выделенных слоев вечномерзлого грунта; R — расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, определяемое с учетом глуби­ ны заложения фундамента и расчетной температуры грунта по рекомендациям СНиП 2.02.04 — 88; <— расчетное сопротивле­

ние мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента или сваи в пределах мго слоя грунта (рис. 15.4), прини­ маемое согласно указаниям СНиП 2.02.04 — 88; А^ ,• — площадь

поверхности смерзания i-ro слоя грунта с боковой поверхностью сваи или с нижней ступенью фундамента.

Значения температур грун­ та устанавливают теплотех­ ническим расчетом или испо­ льзуют упрощенную методи­ ку, рекомендуемую Нормами.

Несущая способность свай может уточняться по резуль­ татам полевых испытаний статической нагрузкой. При внецентренном загружении столбчатых фундаментов не­ сущую способность допуска­ ется определять по формуле (6.25), но при этом следует учитывать, что при действии на фундамент моментных на­ грузок возникает сопротивле­ ние смерзания грунта по бо­ ковым граням нижней ступе­ ни фундамента. Дополнитель­ ный реактивный момент учи­ тывается при вычислении рас­ четного эксцентриситета в со­ ответствии с рекомендациями Норм.

При расчете осадок фунда­ ментов на пластичномерзлых

400