Многолетнемерзлых грунтов по I принципу

 

Существование и тепловое состояние вечномерзлых грунтов в их конкретной геолого-географической обстановке связано с теплообменом поверхности Земли с атмосферой. Сезонные изменения этого теплообмена до застройки территории приводят к периодическому оттаиванию и промерзанию грунта лишь в приповерхностном слое сравнительно небольшой мощности. В процессе строительства и последующей эксплуатации сооружений условия теплообмена на площадке застройки существенно меняются.

Во время строительства нарушается растительный покров стройплощадки, служивший до этого теплоизоляцией ее поверхности, усиливается приток дождевых и талых вод в грунты основания. Летний прогрев солнечным теплом надфундаментных конструкций также усиливает приток через них тепла в основание. Эти процессы приводят к постепенному «растеплению» грунтов и формированию в них чаши протаивания ( рис. 8.8 ) / 12 /.

 

Рис. 8.8 Схема оттаивания вечномерзлых грунтов в основании опоры моста

1 - тело опоры, 2 - тепловые потоки, 3 - положение верхней границы вечномерзлых грунтов, 4 - границы чаши оттаивания.

 

Наиболее рациональными типами фундаментов при сохранении грунтов основания в мерзлом состоянии являются столбчатые или свайные, предпочтительнее с высоким ростверком. Подошву плиты высокого ростверка назначают выше поверхности промерзающего грунта не менее чем на 0,15 м, а для устоев мостов — не менее 0,5 м.

При использовании низкого ростверка его подошва должна быть заглублена ниже толщи пучиноопасных грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания.

Нижние концы свай или подошву столбов заглубляют в вечномерзлую толщу не менее 4 м. При наличии в основании подземных льдов или льдонасыщенных грунтов их следует прорезать или располагать нижние концы свай выше кровли этих пород не менее 4 м.

Минимальные расстояния a_cмежду осями соседних свай и столбов назначают в зависимости от способа их погружения. При установке в пробуренные скважины диаметром d_ск £ 1 м a_c = 2d_ск, при d_ск > 1 м a_c = d_ск + 1 м. Для опускных с протаиванием грунта и бурозабивных свай асназначают не менее 3-х наибольших размеров поперечного сечения свай.

Приступая к расчету и конструированию фундаментов сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах по методу сохранения мерзлого состояния оснований, необходимо установить глубину заложения фундаментов, отсчитываемую от глубины максимального летнего оттаивания грунтов.

Глубина заложения фундаментов определяется по формуле

, (8.29)

Нормативные глубины сезонного промерзания d_f,nи сезонного оттаивания d_tnдля районов распространения вечномерзлых грунтов определяют по данным натурных наблюдений или теплотехническими расчетами /18/. Расчетные глубины сезонного промерзания d_fи сезонного оттаивания d_th,nгрунтов определяют умножением их нормативных значений на коэффициенты теплового влияния сооружения k_hи k'_h, принимаемые по табл. 3 прил. 3 /18/.

Минимальную глубину заложения фундаментов d_min необходимо принимать в зависимости от расчетной глубины сезонного оттаивания d_thпо табл.8.2.

Минимальная глубина заложения фундаментаТаблица 8.2.

№ п/п	Фундаменты	Минимальная глубина заложения фундаментов
	Фундаменты всех типов, кроме свайных	+1
	Свайные фундаменты зданий и сооружений	+2
	Сваи опор мостов	+4
	Фундаменты зданий и сооружений, возводимых на подсыпках	Не нормируется

 

Расчеты фундаментов и оснований при использовании твердомерзлых грунтов по принципу I выполняют главным образом по первой группе предельных состояний, учитывая, что деформации таких грунтов несущественны. Расчет свайных и столбчатых фундаментов опор мостов по второй группе предельных состояний сводится лишь к определению перемещений фундаментов и опор от горизонтальных нагрузок и моментов.

Несущую способность вечномерзлых оснований для фундаментов всех типов определяют с учетом ее зависимости от значений возможных максимальных отрицательных температур в основании, определяющих прочность мерзлых грунтов. Расчетную температуру вечномерзлого грунта в пределах глубины заложения фундамента устанавливают специальными теплотехническими расчетами.

Расчетную температуру вечномерзлых грунтов t_zдля свайных и столбчатых фундаментов сооружений определяют по формуле (8.30).

(8.30)
где Т_о - температура вечномерзлого грунта на глубине нулевых годовых амплитуд (10 – 15 м от поверхности), определяемая при инженерных изысканиях; Т_bf - температура начала замерзания, °С, равная для незасоленных песков 0, супесей - 0,1, суглинков и глин - 0,2; α_m,z,e- коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемые по табл. 4 /18/. k_ts- коэффициент теплового влияния фундамента, принимаемый для фундаментов массивных и свайных с низким ростверком при глубине z < 2 м равным 0,7, при 2 £ z £ 6 м k_ts = 0,9, при z > 6 м k_ts = 1, а для свайных с высоким ростверком при глубине z > 2 м - равным 1, при меньшей глубине - 0,9.

Расчет оснований по несущей способности производится исходя из условия (8.31)

 

- расчетная нагрузка на основание в наиболее невыгодном сочетании, включая вес фундамента;

- несущая способность, сила предельного сопротивления основания;

- коэффициент надежности ( не менее 1.2, в зависимости от ответственности сооружения).

 

Несущая способность центрально нагруженного столбчатого фундамента или висячей сваи ( рис. 8.9 ) определяется по формуле /8.32/,

(8.32)

где: g_t- коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения, принимаемый для оснований мостов равным 0,8; γ_c- коэффициент условий работы основания, принимаемый для опускных, буроопускных и бурозабивных свай равным 1,0; R - расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сваи или столбчатого фундамента при температуре Т_m,z,e- на этой глубине; A - площадь опирания сваи или столбчатого фундамента на грунт; R_af,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания в зависимости от температуры Т_m,z,e для середины i-го слоя мерзлого грунта толщиной h_i; A_af,i - площадь поверхности смерзания i – ого слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента - площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента; n - число выделенных при расчете слоев вечномерзлого грунта.

Рис. 8.9Расчётные схемы свай, погруженных в вечномёрзлый грунт

а) - при определении несущей способности сваи на осевую сжимающую нагрузку, б) - эпюры отрицательных температур в вечномёрзлом грунте,

в) - при расчёте на поперечные нагрузки.

 

Расчетные сопротивления R и R_af,i определяют по результатам испытаний грунтов на сжатие и сдвиг при соответствующих температурах, а при отсутствии опытных данных для незасоленных грунтов принимают потаблицам прил. 2 /18/.

Значения R и для засоленных грунтов существенно ниже и зависят от их засоленности D_sol, % /18/.

При действии поперечных нагрузок на сваи и столбы их считают жестко защемленными в твердомерзлом грунте, как в скале, на глубине, равной толщине свай или столба, считая от уровня, на котором температура грунта t_тв соответствует переходу его в твердомерзлое состояние ( рис. 8.9, б ). Выше этого уровня до поверхности грунта или подошвы низкого ростверка грунт считают упругой средой, свойства которой характеризуются коэффициентом постели С_z = Kz, линейно возрастающим по глубине h. При этом коэффициент пропорциональности грунта K в пределах этой глубины принимают по табл.1 прил. 1 /18/в зависимости от свойств грунта после оттаивания.

Если d_th £ 5d, то боковое сопротивление грунта в пределах глубины h можно не учитывать.

Расчетную длину сжатия сваи или столба принимают равной L_N = l₀ + h (l₀- свободная длина), и выполняют расчет для приведенной глубины погружения где a_eопределяют по формуле 4.20.

Дальнейший расчет и проектирование фундамента ведут, как и фундаментов со сваями, погруженными в обычные талые грунты, на совместное действие вертикальных и горизонтальных сил и моментов (смотри разд. 4.6). Сопротивление грунта перемещениям заглубленного в грунт ростверка при этом не учитывают.

Для столбов проверяют также условие прочности мерзлого грунта в уровне их защемления:

(8.33)
где M_hи H_h- изгибающий момент и поперечная сила в уровне защемления, определяемые по формулам 4.22; g_cи g_n- коэффициенты условий работы и надежности; R — расчетное сопротивление мерзлого грунта сжатию при его температуре в уровне защемления.

Расчетную схему свайного фундамента как условно массивного не рассматривают, а его осадку не определяют.

Обязательным является расчет фундаментов всех типов на вечномерзлых грунтах по устойчивости против морозного выпучивания. При оценке анкерующей силы F_a, удерживающей фундамент от выпучивания ( рис. 8.10 ), вместо сил трения f_iталого грунта о фундамент ниже глубины промерзания учитывают сопротивление вечномерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности фундамента R_fi, зависящее от его температуры t_zi.

 

Рис. 8.10Расчетная схема проверки устойчивости фундамента при действии касательных сил морозного пучения

 

Растягивающее усилие N_pот сил пучения t_fв опасном сечении на уровне границы промерзания грунта определяют по формуле

(8.34)
где q_c- вес части фундамента (сваи, столба), расположенной выше опасного сечения.

По усилию N_pпроверяют прочность и трещиностойкость материала ствола сваи и столбов и назначают его армирование.

Способы сохранения грунтов в мерзлом состоянии. Обеспечить сохранность грунтов основания в мерзлом состоянии отапливаемых зданий и сооружений можно путем отвода тепла, выделяемого сооружением в атмосферу. Достигается это следующими способами:

Устройством проветриваемых зимой подполий рис.8.11, а;

Строительство зданий с холодным первым этажом рис.8.11, б;

Устройство теплоизоляции поверхности грунта под полом подвала рис.8.11, в;

Возведение зданий на подсыпках рис.8.11, г;

5. Устройством в основании охлаждающих труб рис.8.11, д;

6. Применение саморегулирующих охлаждающих устройств рис.8.11, е;

7. Заложение фундаментов ниже расчетной зоны оттаивания.

Рис 8.11Способы сохранения вечномерзлого состояния грунтов

а) - устройство вентилируемого подполья, б) - устройство холодного первого этажа, в) - теплоизоляция пола в здании и поверхности грунта, г) - возведение зданий на подсыпках, д) - применение охлаждающих труб, е) - использование саморегулирующих охлаждающих установок.

утеплитель, 2- подсыпка, 3- охлаждающие трубы, 4- саморегулирующие охлаждающие установки

 

Холодные подполья являются наиболее простыми и надежными охлаждающими устройствами. Пол первого этажа устраивается в этом случае на перекрытии, приподнятом над поверхностью грунта. Подполья закрывают с боков, оставляя в стенах продухи. В зимнее время продухи открыты, а в летнее время закрываются.

Роль вентилируемого подполья могут выполнять неотапливаемые помещения первого этажа. Интенсивное охлаждение осуществляется в этом случае через стены. Поэтому стены устраиваются из теплопроводного материала, а окна с одинарным остеклением.

В производственных зданиях или при больших размерах здания в плане под полом устраивают специальные вентиляционные каналы, а в случае выделения тепла в грунт в результате технологических процессов применяют искусственное охлаждение грунтов за счет циркуляции газа или керосина по трубам. Диаметр охлаждающих труб обычно применяются от 0,2 до 0,5 метров.

Вопрос о сохранении вечномерзлого состояния грунтов в основании мостов возникает обычно при переходах через малые и периодически действующие водотоки (малые и средние мосты), где верхняя граница вечномерзлых грунтов находится на небольшой глубине от поверхности.

Предпочтительнее схемы мостов с хорошей продуваемостью подмостового пространства, уменьшающей здесь скопление снега, и с минимальным стеснением руслового потока воды, исключающим размыв дна. На малых водотоках, промерзающих до дна, где ледоход отсутствует, возможно, применение свайно-эстакадных мостов с опорами из сплошных свай небольшого поперечного сечения. При слабом ледоходе используют конструкции безростверковых опор из сплошных столбов круглого или многоугольного сечения, а также из толстостенных оболочек, заполненных бетоном, с увеличенным размером сечений. Защитный слой их арматуры назначают не менее 5 см. При строительстве БАМа для опор таких мостов широко применялись сплошные сборные столбы диаметром 0,8 м /12/.

Сваи и столбы в опорах мостов имеют небольшие массы и поверхности нагрева солнечным теплом, что уменьшает его сток через фундаменты в грунты основания по сравнению с опорами массивного типа. Фундаментные сваи и столбы в таких опорах мостов несут большие продольные нагрузки и лучше противостоят морозному выпучиванию при сезонном промерзании грунтов, их можно надежно заанкерить в основание против сил морозного пучения. Они меньше стесняют русла водотоков.

Массивные опоры мостов устраивают на реках с сильным ледоходом на свайных или столбчатых фундаментах с высоким ростверком. Массивные устои мостов делают обсыпного типа, закрытыми конусами насыпей, что уменьшает их нагрев солнечным теплом, а для лучшего охлаждения их основания в зимний период конусы насыпей обсыпают слоем камня толщиной 0,8-1,0 м.

Большое значение для сохранения мерзлого состояния грунтов в основании опор мостов имеют общестроительные мероприятия: планировка территории с сохранением растительного покрова (подсыпкой) и организованным отводом дождевых и талых вод; организация строительных работ нулевого цикла в зимний период и другие мероприятия, способствующие поддержанию расчетного температурного режима вечномерзлых грунтов основания во время строительства.