книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

Проектирование оснований и фундаментов в районах распрост­ ранения вечной мерзлоты выполняется согласно общим принципам проектирования по 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 деформациям или разжижению. При промораживании грунтов мо­ жет наблюдаться морозное пучение, поэтому прогноз температур­ ного режима оснований при проектировании фундаментов в услови­ ях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение, а его регулиро­ вание 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 сыпуче­ мерзлые.

К твердом ерзлы м относятся крупнообломочные грунты при . температуре Г<0 °С и суммарной влажности wIot>0,03, пески при Т< -О ,Г ...-0,3 °С и wfof>0,03, глинистые грунты при Т < —0,6...

... —1,5°С. Твердомерзлые грунты прочно сцементированы льдом, практически несжимаемы (Е> 100 МПа), при быстром нагружении характеризуются'хрупким разрушением.

Кпластичном ёрзлы м относятся песчаные и глинистые грун­ ты при температуре в пределах от начала замерзания до указанных выше значений. Они также сцементированы льдом, но обладают сжимаемостью и вязкими свойствами.

Ксыпучемерзлым относятся крупнообломочные и песчаные грунты при Г<0 °С и wfol<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 и близки к свойствам тех же грунтов в немерзлом состоянии.

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

431

Рис. 15.1. Зависимости сопротивления сдвигу мерзлого грунта от температуры (а) н от нормального давления (б); изменение сцепления мерзлых грунтов во времени (в);

1 — 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

за счет уменьшения во времени сцепления грунта, и связывается с нормальным давлением соотношением Кулона

где (р, и с, — параметры прочности, зависящие от времени (фмгв~

*<Р«*Фдл).

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 пластично-мерзлых грунтов происходит 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.

432

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

Изучение сжимаемости при оттаивании обычно производит­ ся в одометрах, оборудованных нагревательной аппаратурой. Об­ разец мерзлого грунта с начальной высотой hoпомещается в камеру одометра и обжимается вертикальной нагрузкой р,. При этом происходит незначительное сжатие образца и его высота уменьша­ ется до величины й/ (участок аб графика на рис. 15.2, а). Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при постоянном давлении р\. В процессе оттаивания разрушаются цементацион­ ные связи, так как вода переходит из замерзшего в жидкое состо­ яние, и грунт может значительно уплотниться (вертикальный уча­ сток графика на рис. 15.2, а). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации . отта­ явший образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкойрг, р3, ..., р„. Получаемые при этом деформации характеризуют сжи­ маемость оттаявшего грунта (участок вг на рис. 152, а). Серия испытаний проводится при различных значениях начального об­ жатия р\. Из каждого опыта определяется коэффициент просадочности

после чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки (рис. 15.2, б). Зависимость е&=f(p) имеет прак­ тически линейный характер и описывается уравнением

где А,н и 8 — соответственно коэффициенты оттаивания и сжимаемости.

433

ми характеристиками при вычислении осадок оттаивающих основа­

ний.

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве ос­ нований зданий н 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 но-мерзлых грунтов, как правило, проектом предусматривают до­ полнительное охлаждение основания.

Принцип II рекомендуется применять при неглубоком залега­ нии скальных грунтов, а также при других типах грунтов, кото­ рое в пределах расчетной глубины оттаивания малосжимаемы (плотные крупнообломочные грунты и пески, пылевато-глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции). В южной зоне рас­ пространения вечномерзлых грунтов, где они встречаются в виде островков или слоев небольшой мощности и отличаются высокой температурой, применение принципа II часто оказывается неиз­ бежным.

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 тепловое влияние зданий и сооружений на основание.

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

434

. ...0,5 м. Минимальная высота подполий колеблется в пределах от.

0,5 до 1,2 м.

Иногда роль вентилируемого подполья выполняют неотапли ­ ваемые помещения 1 этаж а (рис. 15.3, г).

Подсыпки с трубами воздуш ного охлаж дения (рис. 15.3, д) применяют главным образом для тепловыделяющих зданий зна­ чительных 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 пром ораж иваю щ ие колонки (рис. 15.3, е).

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

П редпостроечное оттаивание наиболее эффективно при возведении сооружений на крупнообломочных грунтах. В глинис­ тых грунтах этот метод дает положительные результаты лишь в том случае, когда они переслаиваются хорошо фильтрующими песчаными или крупнообломочными прослойками, которые способ­ ствуют быстрому удалению образующейся при таянии льда воды, или же когда одновременно с оттаиванием применяется искусствен-, ное ускорение их консолидации или закрепление. Для повышения температуры грунтов наиболее часто используется игловое гидроили парооттаивание гравийно-галечниковых и песчаных грунтов с их виброуплотнением или электрический прогрев и уплотнение глинистых грунтов с применением электроосмоса и иглофильтрово­ го 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 грун­ тов в процессе эксплуатации сооружений, должен приме­ няться с большой осторожностью и подкрепляться тщательным прогнозом температурного режима и деформаций оттаивающих оснований. При этом всегда следует учитывать возможность воз­ никновения дополнительных осадок или просадок. Если оттаивание грунтов происходит неравномерно в плане и по глубине, не ис-

436

ключена также и неравномерность осадок отдельных фундаментов, что может привести к аварийному состоянию сооружений. В этой связи применение такого метода особенно целесообразно при стро­ ительстве на грунтах, свойства которых не претерпевают значитель­ ных ухудшений при оттаивании, например на сыпучемерзлых грун­ тах 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 жест­ кую схему сооружения, стремятся проектировать здания простой геометрической конфигурации в плане, устанавливая их преимуще­ ственно на фундаменты в виде лент или плит. Здания разрезаются деформационными швами на отдельные жесткие отсеки длиной до полуторной ширины здания. В несущих конструкциях устраиваются железобетонные или армокирпичные пояса, усиливается цокольная часть зданий. Гибкая схема предусматривает устройство подат­ ливых соединений, усилия в которых при неравномерных дефор­ мациях незначительны. В случаях ожидаемых больших осадок при­ меняются устройства, позволяющие выравнивать отметки оборудо­ вания. Такую схему чаще всего используют для сооружений промы­ шленного назначения. Фундаменты в этом случае проектируют столбчатые.

Надежным способом фундирования сооружений, возводимых по принципу II, является прорезка слоя оттаивающих грунтов сто­ лбчатыми или свайными фундаментами с их опиранием на веч­ номерзлые грунты. Глубина заложения фундаментов при таком способе их устройства должна обосновываться теплотехническим расчетом мощности 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 пучинисгых грунтов принимается во внима­ ние воздействие на фундамент сил морозного пучения. При возведе­ нии зданий с сохранением вечномерзлого состояния грунтов (при­ нцип I) минимальная глубина заложения фундаментов <4ш назна­ чается с учетом расчетной глубины сезонного оттаивания грунтов dth. Фундаменты всех типов, кроме свайных, заглубляются в веч-

437

номерзлыЁ 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 отта­ ивания d(b для зданий и сооружений с холодным подпольем вычис­ ляется 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; dthi „— нормативная глубина сезонного оттаива­ ния, определяемая по данным натурных наблюдений или специаль­ ным теплотехническим расчетом.

При строительстве по принципу II 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 пластично-мерзлыми и силь­ нольдистыми грунтами, рассчитываются по несущей способности и деформациям.

Столбчатые 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:

(15.5)

где у, — температурный коэффициент, принимаемый, как правило, равным 1,1 для твердомерзлых и 1,0 для пластично-мерзлых грун­ тов; уе— 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 мерзлыц 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; Rafi, — расчетное сопротивле­

438

Использование предварительного оттаивания вечномерзлых грунтов и при необходимости их уплотнение позволяют создать искусственное немерзлое основание с заданными строительными свойствами. Проектирование таких оснований и возводимых на них фундаментов ведут согласно правилам и методикам, применяемым для немерзлых оснований. Естественно, что при этом должно быть исключено развитие чаши протаивания в процессе эксплуатации сооружения.

Наиболее сложным является случай, когда оттаивание основа­ ний происходит после возведения зданий и сооружений. В этих условиях расчет по деформациям должен производиться в пределах глубины оттаивания грунтов за заданный срок эксплуатации соору­ жения с учетом развития зоны оттаивания во времени, что устанав­ ливается специальным расчетом. Некоторые рекомендации по про­ гнозу процессов оттаивания оснований для простых по форме со­ оружений приведены в СНиП 2.02.04 — 88. Следует особо обра­ тить внимание на то, что оттаивание может развиваться нера­ вномерно по площади сооружения вследствие сложного взаимо­ действия природных климатических факторов и температурных условий внутри зданий и сооружений. Результатом этого часто становятся неравномерные осадки и крены фундаментов. В качестве примера на рис. 1S.5 показана характерная схема развития зоны оттаивания основания под наружной стеной отапливаемого зда­ ния. Очевидно, что с течением времени грань б фундамента даст большую осадку, чем грань а, вследствие чего возникнет крен фундамента.

Общая осадка s фундамента на оттаивающем основании склады­ вается из осадки sp, обусловленной дополнительным давлением на грунт от фундамента, и осадки srA, вызываемой действием собствен­ ного веса оттаивающего грунта, т. е.

s=sp+slh. (15.6)

Составляющая осадки sp обычно определяется по схеме основа­ ния в виде линейно деформируемого слоя, мощность которого зависит от расчетной глубины оттаивания, с использованием коэф­ фициента сжимаемости д оттаивающего грунта. Для вычисления составляющей осадки sth применяется формула, вытекающая из соотношения (15.3):

где А,к find, — соответственно коэффициенты оттаивания и сжима­ емости /-го слоя; о.f i — вертикальное напряжение от собственного

440