15.2. Фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов

Особые природные и экономические условия районов распрост­ранения вечномерзлых грунтов определяют специальные требова­ния к проектированию, строительству и эксплуатации сооружений. К числу основных особенностей этих районов следует отнести суро­вый климат, вечномерзлое состояние грунтов и экономические пока­затели, обусловленные отдаленностью и малой освоенностью тер­риторий. В большой мере это относится к устройству оснований и фундаментов.

Проектирование оснований и фундаментов в районах распрост­ранения вечной мерзлоты выполняется согласно общим принципам проектирования по предельным состояниям. Для проведения соот­ветствующих 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 может наблюдаться морозное пучение, поэтому прогноз температурного режима оснований при проектировании фундаментов в условиях вечной мерзлоты имеет первостепенное значение, а его регулирова­ние часто является действенной мерой по обеспечению прочности и надежности сооружений.

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

К твердомерзлым относятся крупнообломочные грунты при температуре Т < 0° С и суммарной влажности w_tot > 0,03, пески при T < -0,1°...-0,3° С и w_tot > 0,03, пылевато-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.

К пластичномерзлым относятся песчаные и пылевато-глинистые грунты при температуре в пределах от начала замерзания Т_bf до указанных выше значений. Они также сцементированы льдом, но обладают сжимаемостью и вязкими свойствами.

К сыпучемерзлым относятся крупнообломочные и песчаные грунты при T < 0° С и w_tot < 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 не мерзлом состоянии и поэтому не нуждаются в дополнительном рассмотре­нии.

Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу зависит главным об­разом от температуры грунта, внешнего давления и времени дейст­вия нагрузки. Естественно, оно различно для грунтов разного со­става и состояния.

Рис. 15.1. Зависимости сопротивления сдвигу мерзлого грунта от температуры (а) и 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

Как показывают опыты, сопротивление сдвигу увеличивается с понижением температуры грунта (рис. 15.1, а) или увеличением нормального давления (рис. 15.1,6). При этом в общем сопротивле­нии 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

 =  tg_t + c_t, (15.1)

где _t и c_t - параметры прочности, зависящие от времени (_{мгн } _{t } _дл).

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

Поскольку инженерные сооружения находятся в эксплуатации продолжительное время, в расчетах оснований должны использо­ваться 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 незна­чительная сжимаемость. При температуре, близкой к нулю, мерз­лые грунты могут даже при малых нагрузках значительно уплот­няться. 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 пре­вышать 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 h_о помещается в камеру одометра и обжимается вертикальной нагрузкой р₁. При этом происходит незначительное сжатие образца и его высота уменьша­ется до величины h_f (участок аб графика на рис. 15.2, а).

Рис. 15.2. Зависимости деформаций образца оттаивающего грунта (а) и коэффициента проса­дочности (б) от нормального давления

Затем образец нагревают и происходит его оттаивание при постоянном давлении p₁. В процессе оттаивания разрушаются цементационные связи, так как вода переходит из замерзшего в жидкое со­стояние, и грунт может зна­чительно уплотниться (верти­кальный участок графика на рис. 15.2, а). Деформация имеет просадочный характер. После стабилизации просадочной деформации оттая­вший образец нагружается ступенчато-возрастающей нагрузкой р₂, р₃, .... р_n. Полу­чаемые при этом деформации характеризуют сжимаемость оттаявшего грунта (участок вг на рис. 15.2, а). Серия испытаний проводится при различных значениях начального обжатия р₁. Из каждого опыта определяется коэффициент просадочности

_th = (h_f — h_th) / h_f, (15.2)

после чего строится график зависимости этого коэффициента от внешней нагрузки (рис. 15.2, б). Зависимость _th = f(p) имеет прак­тически линейный характер и описывается уравнением

_th = A_th+  p, (15. 3)

где A_th и  — соответственно коэффициенты оттаивания и сжима­емости.

Таким образом, осадка оттаявшего грунта складывается из двух частей: осадки оттаивания, не зависящей от нагрузки и характеризу­емой коэффициентом A_th , и осадки уплотнения, пропорциональной нагрузке и характеризуемой коэффициентом .

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

Принципы использования вечномерзлых грунтов в качестве ос­новании здании 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 те­чение всего периода эксплуатации сооружения;

принцип II — в качестве оснований зданий и сооружений ис­пользуются предварительно оттаянные грунты или грунты, отта­ивающие в период эксплуатации сооружений.

Принцип I применяется в тех случаях, когда расчетные дефор­мации 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 пластич­номерзлых грунтов, как правило, проектом предусматривают до­полнительное 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 крупнообломочные грунты и пески, пылевато-глинистые грунты твердой и полутвердой консистенции). В южной зоне распростране­ния вечномерзлых грунтов, где они встречаются в виде островков или слоев небольшой мощности и отличаются высокой температу­рой, применение принципа II часто оказывается неизбежным.

В пределах застраиваемой территории должен предусматривать­ся, как правило, один принцип использования вечномерзлых грун­тов. 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 влия­ние зданий и сооружений.

Мероприятия по сохранению вечномерзлого состояния грунтов при строительстве по принципу I. Для сохранения вечномерзлого состоя­ния оснований используются различные методы. Выбор одного метода или их сочетания производится на основании теплотехничес­ких расчетов с учетом конструктивных и технологических особен­ностей сооружения.

Рис. 15.3. Мероприятия для сохранения вечномерзлого состояния грунтов:

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

10 — замораживающие колонки

Возведение зданий на подсыпках (рис. 15. 3, а) целесообразно, например, если вблизи поверхности грунта размещаются линзы подземного льда. Подсыпка применяется при вертикальной плани­ровке территорий или устраивается под отдельными зданиями или сооружениями. Этот метод может использоваться одновременно с другими мероприятиями, обеспечивающими сохранение мерзлого состояния оснований (теплоизоляция, вентилируемые подполья, воздушные и другие системы охлаждения и т. п.), которые рассмат­риваются 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 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 непреры­вно поступает теплый воздух, растопляющий основание. Кроме того, при открытом доступе холодного воздуха в зимний период возникает неблагоприятный температурный режим во внутренних помещениях первого этажа. Более эффективны подполья с регу­лируемым проветриванием, средством вентиляции которых служат отверстия (продухи), устраиваемые в цоколе здания. Обыч­но 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 прямоуголь­ная 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 неотапли­ваемые помещения 1 этажа (рис. 15.3, г).

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

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

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

Предпостроечное оттаивание наиболее эффективно при воз­ведении сооружений на крупнообломочных грунтах. В пылевато-глинистых грунтах этот метод дает положительные результаты лишь в том случае, когда они переслаиваются хорошо фильтру­ющими песчаными или крупнообломочными прослойками, которые способствуют быстрому удалению образующейся при таянии льда воды, или же когда одновременно с оттаиванием применяется ис­кусственное ускорение их консолидации или закрепление. Для повы­шения температуры грунтов наиболее часто используется игловое гидро- или парооттаивание гравийно-галечниковых и песчаных грунтов с их виброуплотнением или электрический прогрев и уплотне­ние глинистых грунтов с применением электроосмоса и иглофильтрового водопонижения.

В отдельных случаях эффективной оказывается замена льдистых грунтов талым песчаным или крупнообломочным грунтом. Кон­туры зоны оттаивания или замены грунтов в плане должны выхо­дить за контуры сооружения не менее чем на половину глубины предварительного оттаивания или замены грунтов. Оттаивание мо­жет 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 при­вести к аварийному состоянию сооружений. В этой связи примене­ние такого метода особенно целесообразно при строительстве на грунтах, свойства которых не претерпевают значительных ухудше­ний при оттаивании, например на сыпучемерзлых грунтах или скальных основаниях.

Оттаивание основания отапливаемых зданий неравномерно: под краем зданий, особенно под их углами, оно запаздывает по сравне­нию с оттаиванием под серединой зданий. Эта неравномерность должна оцениваться расчетом. Во всех случаях необходимо прини­мать меры по ограничению поступления в основание дополнитель­ного тепла: предупреждать утечки производственных и хозяйствен­ных вод, организовывать сток поверхностных вод, сводить к мини­муму 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 геомет­рической конфигурации в плане, устанавливая их преимущественно 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 податливых со­единений, усилия в которых при неравномерных деформациях не­значительны. В случаях ожидаемых больших осадок применяются устройства, позволяющие выравнивать отметки оборудования. Та­кую схему чаще всего используют для сооружений промышленного назначения. Фундаменты в этом случае проектируют столбчатые.

Надежным способом фундирования сооружений, возводимых по принципу II, является прорезка слоя оттаивающих грунтов столб­чатыми или свайными фундаментами с их опиранием на вечномерзлые 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 пучинистых грунтов принимается во внима­ние воздействие на фундамент сил морозного пучения. При возведе­нии зданий с сохранением вечномерзлого состояния грунтов (прин­цип I) минимальная глубина заложения фундаментов d_min назнача­ется с учетом расчетной глубины сезонного оттаивания грунтов d_th.

Фундаменты всех типов, кроме свайных, заглубляются в вечномерзлый 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 d_th для зданий и сооружений с холодным подпольем вычисляется по формуле

d_th = k'_p d_{th, n} (15.4)

где k'_p — коэффициент теплового влияния зданий, принимаемый у наружных стен с асфальтовыми отмостками равным 1,2, у наруж­ных стен с отмостками без асфальтовых покрытий — 1,0, у внутрен­них опор — 0,8; d_{th, n} — нормативная глубина сезонного оттаива­ния, определяемая по данным натурных наблюдений или специаль­ным теплотехническим расчетом.

При строительстве по принципу II глубина заложения фундамен­тов устанавливается с учетом глубины сезонного промерзания грун­тов.

Основные положения расчета фундаментов, возводимых с сохра­нением вечномерзлого состояния грунта. При наличии в основании твердомерзлых грунтов, имеющих ничтожную сжимаемость, осно­вание рассчитывается только по несущей способности (первая груп­па предельных состояний). При расчете должно быть удовлетворено условие (6.24). Основания, сложенные пластичномерзлыми и сильно льдистыми грунтами, рассчитываются по несущей способности и деформациям.

Столбчатые и свайные фундаменты, заглубленные в вечномерзлый грунт, передают нагрузку на основание не только по подошве, но и по боковой поверхности за счет смерзания грунта с материа­лом - фундамента (рис. 15.4). Для центрально нагруженных фун­даментов эта особенность учитывается двучленной формулой рас­чета несущей способности основания:

F_u = _t _c (RA +R_af,i A_af,i ) (15.5)

где _t — температурный коэффициент, принимаемый, как правило, равным 1,1 для твердомерзлых и 1,0 для пластичномерзлых грун­тов; _c — коэффициент условий работы, изменяющийся в зависимо­сти от вида фундаментов и способа их устройства от 0,9 до 1,1; А — площадь подошвы фундамента или площадь опирания сваи;

n — число выделенных слоев вечномерзлого грунта; R — расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, определяемое с учетом глуби­ны заложения фундамента и расчетной температуры грунта по рекомендациям СНиП 2.02.04 — 88; R_af,i — расчетное сопротивле­ние мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента или сваи в пределах i-го слоя грунта (рис. 15.4), прини­маемое согласно указаниям СНиП 2.02.04 — 88; A_af,i — площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи или с нижней ступенью фундамента.

Рис. 15.4. Схемы к расчету несущей способ­ности столбчатого фундамента (а) и сваи (б)

Значения температур грун­та устанавливают теплотех­ническим расчетом или испо­льзуют упрощенную методи­ку, рекомендуемую Нормами.

Несущая способность свай может уточняться по резуль­татам полевых испытаний статической нагрузкой. При внецентренном загружении столбчатых фундаментов не­сущую способность допуска­ется определять по формуле (6.25), но при этом следует учитывать, что при действии на фундамент моментных на­грузок возникает сопротивле­ние смерзания грунта по бо­ковым граням нижней ступе­ни фундамента. Дополнитель­ный реактивный момент учи­тывается при вычислении рас­четного эксцентриситета в со­ответствии с рекомендациями Норм.

При расчете осадок фунда­ментов на пластичномерзлых и сыпучемерзлых грунтах используют методы, применяемые для немерзлых грунтов (см. гл. 7). Характеристики сжимаемости опреде­ляются при максимальной расчетной температуре грунта. При про­ектировании отапливаемых зданий предусматривают мероприятия по искусственному понижению температуры пластичномерзлых гру­нтов либо проектируют основания и фундаменты по принципу II.

Основные положения расчета фундаментов, возводимых без со­хранения вечномерзлого состояния грунтов. Поскольку оттаявшие грунты обладают большей сжимаемостью, чем мерзлые грунты, основным расчетом при проектировании сооружений, возводимых по принципу II, является расчет по деформациям (вторая группа предельных состояний). 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 основа­ний происходит после возведения зданий и сооружений. В этих условиях расчет по деформациям должен производиться в пределах глубины оттаивания грунтов за заданный срок эксплуатации соору­жения с учетом развития зоны оттаива­ния во времени, что устанавливается специальным расчетом. Некоторые ре­комендации по прогнозу процессов от­таивания оснований для простых по форме сооружений приведены в СНиП 2.02.04 — 88. Следует особо обратить внимание на то, что оттаивание может развиваться неравномерно по площади сооружения вследствие сложного вза­имодействия природных климатичес­ких факторов и температурных усло­вий внутри зданий и сооружений. Ре­зультатом этого часто становятся не­равномерные осадки и крены фундаме­нтов.

Рис. 15.5 Изменение во времени зоны оттаивания под фундаментом наружной стены:

1 — фундамент; 2 — граница; 3 — эпюра осадок фундамента.

В качестве примера на рис. 15.5 показана характерная схема развития зоны оттаивания основания под наружной стеной отапливаемого здания. 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 склады­вается из осадки s_p, обусловленной дополнительным давлением на грунт от фундамента, и осадки s_th, вызываемой действием собствен­ного веса оттаивающего грунта, т. е.

s = s_p+ s_th (15.6)

Составляющая осадки s_p обычно определяется по схеме основа­ния в виде линейно деформируемого слоя, мощность которого зависит от расчетной глубины оттаивания, с использованием коэф­фициента сжимаемости  оттаивающего грунта. Для вычисления составляющей осадки s_th применяется следующая формула, вытека­ющая из соотношения (15.3):

s_th = (A_th,i + _i _zg,i) h_i (15.7)

где A_th,i и _i —соответственно коэффициенты оттаивания и сжима­емости i-го слоя; _zg,i — вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i-го слоя; h_i — толщина i-го слоя отта­ивающего грунта, т. е. производится суммирование осадок п элеме­нтарных слоев в пределах расчетной глубины оттаивания.

Крен фундаментов на оттаивающем основании определяется по формуле (рис . 15.5)

i= (s_б – s_а) / b, (15.8)

где s_б и s_а— осадки краев фундамента; b — ширина фундамента.

При прорезке слоя оттаивающих грунтов сваями и их опирании на скальные или вечномерзлые грунты несущую способность свай определяют как для свай-стоек. Особенностью расчета является то, что по части поверхности свай, расположенной в пределах отта­ивающей толщи, за счет ее просадки могут возникнуть силы от­рицательного трения. С учетом этого расчет свай-стоек по несущей способности производится исходя из условия

F  F_u / _k - _p F_neg (15.9)

где F — расчетная нагрузка на сваю; F_u — несущая способность сваи; _k —коэффициент условий работы, принимаемый согласно СНиП 2.02.03 — 85; _p — то же, в пределах зоны оттаивания (_p = 1 для бурозабивных и буроопускных свай с цементнопесчаным запол­нителем пазух и _p = 0,7 для буроопускных свай с пылевато-глинистым заполнителем пазух); F_neg — отрицательная сила трения:

F_neg = u_p f_{n, i} h_i (15.10)

где u_p — периметр сваи; f_{n, i} — отрицательное трение i-го слоя отта­ивающего грунта, принимаемое по табл. 11.2; h_i — толщина i-го слоя оттаивающего грунта.

Расчет фундаментов на воздействие сил морозного пучения.

В пределах глубины сезонного оттаивания основания d_th грунт попеременно будет находиться в талом и мерзлом состоянии. Мо­розное пучение связано с увеличением объема влажного грунта при промерзании. В зимний период грунт, окружающий фундамент или сваю, смерзается с боковой поверхностью и в результате пуче­ния стремится увлечь фундамент вверх. Если усилия, противодейст­вующие силам морозного пучения, недостаточны, фундамент вме­сте с сооружением может подняться на некоторую высоту. В летний период произойдет оттаивание грунта деятельного слоя, сопровож­дающееся осадкой фундамента. В результате циклического сезон­ного промерзания и оттаивания через несколько лет такой фун­дамент может быть «выпучен» из грунта на десятки сантиметров. Недоучет этого фактора явился причиной аварий многих, особенно малонагруженных, сооружений в районах вечной мерзлоты.

Чтобы предотвратить подобные последствия, выполняются спе­циальные расчеты фундаментов на действие сил морозного пучения. Основная расчетная зависимость имеет вид

_th A_th – F  _c F_r / _n (15.11)

где _th — расчетная удельная касательная сила пучения; A_th — пло­щадь боковой поверхности смерзания фундамента в промерза­ющей — оттаивающей толще мощностью h_th; F — расчетная на­грузка на фундамент, прини­маемая с коэффициентом 0,9;

_c = 1,0 и _n = 1,1 — соответст­венно коэффициенты условий работы и надежности; F_r — расчетная сила, удержива­ющая фундамент от выпучи­вания.

Особенности определения величин, входящих в формулу (15.11), рассмотрим на расчет­ных схемах, приведенных на рис. 15.6.

Рис. 15.6. Схемы к расчету фундаментов на действие сил морозного пучения:

1 — фундамент; 2 — деятельный слой; 3 — вечномерзлый грунт; 4 — свая

Значения _th СНиП 2.02.04 - 88 рекомендует определять опытным путем, а для сооружений II и III классов — по таблице, приведенной в Нормах. Силы пучения можно понизить до 30 %, если нанести на поверх­ность бетона полимерную пленку или покрыть ее консистентной смазкой. Площадь боковой поверхности смерзания A_th, может быть принята равной A_th = h_th u_th, где u_th — периметр сечения смер­зания.

Сила F_r , удерживающая фундамент от выпучивания, находится в зависимости от принципа использования основания. При проек­тировании по принципу I сила F_r складывается из двух компонент: силы смерзания материала фундамента с грунтом на высоте фун­даментной подушки h_af и силы по периметру вышележащей грун­товой призмы высотой h_sh , (рис. 15.6, а). Тогда

F_r = u (R_af h_af + R_sh h_sh) (15.12)

где и — периметр сечения сдвига; R_af и R_sh принимаются согласно рекомендациям СНиП 2.02.04 - 88.

При расчете свайных фундаментов на действие сил морозного пучения второй член в формуле (15.12) отсутствует (рис. 15.6, б).

При расчете фундаментов, возводимых по принципу II, сила F_r определяется соотношением

F_r = u f h, (15.13)

где f - расчетное сопротивление талого грунта сдвигу по поверх­ности фундамента, принимаемое по табл. 11.2; h - мощность слоя талого грунта, соприкасающегося с нижней ступенью фундамента или сваей.

Для неоднородных по глубине напластований в формулах (15.12)...(15.13) выполняется послойное суммирование.

Устойчивость на действие сил пучения проверяют как для по­строенного сооружения при полной нагрузке на фундаменты, так и для незавершенного строительства, если предполагается, что фун­даменты не будут полностью нагружены к моменту начала промер­зания грунта. Может оказаться, что в последнем случае устой­чивость фундаментов будет недостаточной и потребуется защита грунта от промерзания.

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу I. Применение фундаментов мелкого заложения в этом случае не всегда оправдано по технологическим и экономическим соображениям. Наиболее часто такой тип фундаментов применяет­ся при использовании в качестве оснований грунтовых подсыпок и по своим конструктивным решениям не отличается от фундамен­тов, возводимых на немерзлых грунтах. Прорезка оттаивающего слоя с заглублением фундамента в вечномерзлые грунты практику­ется редко из-за ее трудоемкости. Кроме того, возникают сложности в связи с необходимостью сохранения грунта в мерзлом состоянии при отрывке котло­вана.

Наибольшее распростра­нение при строительстве с со­хранением вечной мерзлоты получили свайные фундамен­ты. Глубина заделки свай в вечномерзлые грунты долж­на составлять не менее 2 м, а для опор мостов превышать 4 м. Поскольку вечномерзлые грунты обладают высокой прочностью, использование обычных забивных свай воз­можно только в пластично-мерзлых грунтах. Примене­ние свай в условиях твердомерзлых грунтов и особенно мерзлых скальных оснований требует специальных способов их устройства.

Рис. 15.7. Способы погружения свай в вечномерзлый грунт:

1 — свая; 2 — верхняя граница вечномерзлого грунта; 3 — грунтовый раствор; 4 — стенка скважины; 5 — граница оттаивания

Буроопускные сваи (рис. 15.7, а) применяют в любых грун­товых условиях при температуре грунта ниже -0,5° С. Сначала в основании пробуривают скважины диаметром, на 5... 10 см превы­шающим поперечный размер сваи. Затем скважины заполняют грунтовым раствором, после чего погружают в них сваи. После замерзания грунтового раствора свая оказывается надежно защем­ленной в вечномерзлом грунте.

Бурозабивные сваи (рис. 15.7, 6) устраивают забивкой свай в предварительно пробуренные лидерные скважины, имеющие диа­метр, несколько меньший размера свай. Такие сваи эффективны в пластичномерзлых грунтах, не содержащих крупнообломочных включений.

Опускные сваи (рис. 15,7, в) изготовляют методом вмораживания и применяют в твердомерзлых грунтах с содержанием крупно­обломочных включений не более 15 % при температуре грунта ниже -1,5° С. Суть метода заключается в том, что сначала производится локальное оттаивание грунта паровой иглой, а затем в оттаявший грунт погружается забивная свая. После промерзания грунта вокруг сваи она оказывается вмороженной в грунт.

Сопряжение несущих конструкций со сваями обычно осуществ­ляется с помощью высоких ростверков или специальных свайных оголовков. Иногда совмещают сваю со стойкой каркаса в одну конструкцию - сваю-колонну.

Конструкции и методы устройства фундаментов, возводимых по принципу II, практически не отличаются от применяемых на немерз­лых основаниях.

Мероприятия по борьбе с морозным пучением. Уменьшение влияния сил морозного пучения может быть достигнуто различными способами. Применяемый иногда комплекс мер по регулированию температурно-влажностного режима включает осушение грунтов с помощью дренажа, отвод поверхностных вод и понижение уровня подземных вод, а также утепление грунтов около фундаментов. Для уменьшения касательных сил пучения фундаменты в пределах деятель­ного слоя покрывают незамерзающими обмазками на основе битума или эпоксидной смолы. Можно применять противопучинистые засып­ки из сухого гравия, гальки, шлака или засоленной глины, имеющей пониженную температуру замерзания. Конструктивным мероприяти­ем является заанкеривание фундаментов в вечномерзлый грунт, что достигается увеличением глубины заложения. При этом должна быть проверена прочность фундамента на разрыв от действия сил пучения.

В заключение отметим, что разработанные отечественными спе­циалистами методы устойчивого строительства на вечномерзлых грунтах позволяют успешно возводить современные здания и со­оружения различного назначения в районах с суровыми климатичес­кими условиями. В то же время пренебрежение особыми свойствами мерзлых грунтов и методами строительства на них является основ­ной причиной недопустимых деформаций и аварий зданий и соору­жений в северной климатической зоне.