Численная реализация упругопластической модели грунта

Идеализация модели грунтового основания осуществляется следующим образом. Если при внешнем или внутренним воздействии усилий напряжение грунта характерного объема меньше предельного

, то связь между напряжениями и деформациями описывается законом Гука (рис. 5.1, область I), который для условий плоской деформации может быть записан в виде

,

. (5.1)

Здесь

; – плоские аналоги модуля деформации Е и коэффициента Пуассона n .

Предельные напряжения в области растяжения ограничиваются прочностью на растяжение

(рис. 5.1).

Таким образом, область I в зоне растяжения ограничивается напряжением

, а области сжатия – критерием прочности Кулона в виде:

,

                                                    (5.2)

где Rc – прочность на одноосное сжатие

; ,

где C, j – удельное сцепление и угол внутреннего трения.

Последовательность упругопластического решения следующая. Нагрузка прикладывается малыми ступенями в той последовательности, в какой происходит реальное воздействие. Напряжения

, деформации и перемещения узлов от каждой ступени накапливаются в специально отведенных полях.

Рис. 5.1 Схема модели грунта

Матрица жесткости системы (МЖС) формируется один раз и в процессе решения остается постоянной. Для каждой ступени нагружения решается система уравнений с вектором сил

, составленным из нагрузок данной ступени. По найденным с использованием соотношений Коши

,

,                                                             (5.3)

рассчитываются относительные деформации и по закону Гука “упругие” напряжения .

Найденные “упругие” напряжения суммируются с ранее накопленными в данном элементе:

,                                          (5.4)

вычисляются главные суммарные напряжения



и угол a между s1 и осью х

.                                           (5.6)

Производится сравнение с границами текучести (рис. 5.1).

Если определяемая точка с координатами попадает в пределы области упругости I, то значит, что элемент находится в упругом состоянии, корректировка напряжений не требуется.

Если точка оказывается вне контура текучести, то находятся “теоретические” напряжения в следующем порядке. Если точка суммарных напряжений Мп попадает в область II (основная область пластичности), то “теоретическая” точка Мпт лежит на пересечении границы текучести с прямой Мп и Мпт. Угол наклона b прямой

Мп Мпт определяется законом течения и задан. При равнообъемном течении поверхность пластического потенциала параллельна гидростатической оси, при этом .

При известных координатах точки МII

уравнение прямой Мп Мпт имеет вид:

.                                                  (5.7)

Уравнение предельной линии BC описано формулой (5.2). Совместное решение уравнений (5.7) и (5.2) относительно s1 и s3 дает координаты точки Мпт – теоретические напряжения:

;

.                                                        (5.8)



При поверхность пластического потенциала, к которой перпендикулярен вектор Мп Мпт, совпадает с границей текучести, т.е. закон является ассоциированным, при поверхность пластического потенциала параллельна гидростатической оси и течение является равнообъемным. Если точка суммарных напряжений попадает в область III (см. рис. 5.1, точка МIII), то , . Элемент будет разорван в направлении действия s3, а напряжение s1 снизится до . Для области IV ; ; . Наконец в области V, в которой элемент будет разорван по всем направлениям, .

Если параметры границ текучести с, и постоянны, то среда идеально пластическая. Если задать тот или иной закон расширения границы текучести (возрастание с и j ) до предельных значений, в зависимости от накопленной пластической деформации, то среда будет упрочняющейся. Если же границы текучести будут сужаться, то среда будет разупрочняющейся.

Разница между исходными суммарными и теоретическими напряжениями рассматривается как “начальные” главные напряжения . По приросту подсчитывается вектор начальных узловых сил , который добавляется к вектору узловых сил .

Начальные напряжения цикл за циклом в пределах шага накапливаются:

.                                                 (5.9)

Если необходимая точность достигнута, то прикладывается следующая ступень нагрузки, если нет, то вырабатывается признак продолжения итераций и программа возвращается вновь на вычисление узловых перемещений, но уже при новых значениях и . Если процесс расходящийся, то он заканчивается.

При реализации вышеприведенного алгоритма УП решения в программе “Геомеханика CREEP” рассмотрена изотропная среда с равнообъемным течением.

Деформации сооружений в пучинистых грунтах

В южной части Дальнего Востока районами массовой застройки являются крупные города, расположенные на берегах р. Амур. Это Благовещенск, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре, Николаевск-на-Амуре. Много населенных пунктов (станций) возникло во время строительства Транссибирской магистрали. Часть из них переросла в рабочие поселки и города. Наиболее крупные из них города Шимановск, Свободный, Белогорск, Биробиджан, Вяземский, Бикин, Спасск-Дальний, Уссурийск, Владивосток и др.

До 60-х годов нынешнего столетия застройка указанных городов велась зданиями в 2–5, в поселках в 1–2 этажа. С середины 60-х годов получило распространение строительство зданий повышенной этажности в 7–9–14 этажей. Промышленные здания в большинстве своем имеют 1–2 этажа.

Известно, что основания и фундаменты являются важнейшими конструктивными элементами зданий и промышленных сооружений. Потеря несущей способности или сверхнормативные деформации оснований, нередко заканчиваются авариями сооружений или приводят их к аварийному состоянию. Следствием воздействия климатических (замораживание – оттаивание, замачивание – высыхание), производственных (разрыхление – уплотнение) и эксплуатационных (замачивание бытовыми водами, затенение, лесопосадки и т.п.) факторов на грунты с нарушенным сложением являются деформации оснований: морозное пучение, неравномерные осадки грунтов при оттаивании, замачивании, а также деформации оснований, сложенных разносжимаемыми и слабыми типами грунтов.

В табл. 1.6 приведены результаты статистического анализа деформаций около четырехсот объектов, расположенных на территории юга Дальневосточного региона [18]. Из общего количества деформированных зданий 72% составляют жилые и общественные здания, 28% – промышленные сооружения. Следует отметить, что у 26% объектов деформации возникли в период их эксплуатации.

Краткий анализ табл. 1.6 свидетельствует о том, что основными причинами деформаций фундаментов сооружений является морозное пучение грунтов оснований (67%) и сверхнормативные осадки слабых оснований сооружений 29%.

В связи с этим промерзание грунтов и их оттаивание происходит неравномерно. Деформации фундаментов, их подъем и опускание в различных частях здания, происходят разновременно и различны по величине. В меньшей степени подвергаются морозному пучению сооружения на столбчатых (11–16%) и свайных (4–8%) фундаментах. Это можно объяснить лучшей анкерующей способностью указанных типов фундаментов при действии на них выдергивающих сил пучения.

На юге Дальнего Востока промерзание грунтов начинается в сентябре-ноябре, глубина промерзания грунтов 60–100 см. Ненагруженные или легко нагруженные фундаменты, заложенные в пучиноопасные грунты, начинают подниматься за счет касательных сил пучения.

Таблица 1.6

Статистические данные по деформированию объектов

Причины деформирования, %
Морозное пучение фундаментов под воздействием касательных сил	То же под воздействием касательных и нормальных сил, промораживание оснований	Слабые грунты	Прочие
29	38	29	4
Ошибки, %
Изыскания	Проектирование	Строительство	Эксплуатация
9	33	47	11
Типы фундаментов, %
Ленточные	Столбчатые	Свайные	Прочие
72	19	4	5
Типы сооружения, %
Кирпичные	Крупнопанельные	Каркасные	Прочие
82	2	8	8
Оценка состояния, %
Удовлетворительное	Неудовлетворительное	Аварийное	Обрушение
24	61	13	2
Мероприятия, %
Без ремонта	Ремонт	Усиление	Переустройство
16	61	16	7

Таблица 1.7

Статистические данные по деформированию объектов вследствие воздействия сил морозного пучения и сверхнормативных осадок оттаивающих грунтов оснований

	Ошибки, %	Фундаменты, %
Причины деформаций	Изыс- кание	Проек- тиро- вание	Стро- итель- ство	Эксп- луата- ция	Лен- точный	Столб- чатый	Свай- ный	Про- чие
Морозное пучение фундаментов под воздействием касательных сил	17	25	30	28	78	11	8	3
То же под воздействием касательных и нормальных сил, оттаивание промороженных оснований	–	6	91	3	80	16	4	–

<


Таблица 1.8

Статистические данные по оценке состояния объектов, деформированных в результате воздействия сил морозного пучения и сверхнормативных осадок оттаивающих грунтов оснований

Тип сооружения, %	Состояние, %	Мероприятия, %
Кир- пич- ные	Круп- нопа- нель- ные	Кар- кас- ные	Про- чие	Удов- летво- ритель- ное	Неудовлетво- ритель- ное	Ава- рий- ное	Без ре- монта	Ре- монт	Уси- ление	Пере- уст- рой- ство
91	3	3	3	33	58	9	22	69	3	6
91	2	7	–	24	65	11	15	65	15	5

Максимальное пучение фундаментов происходит в марте-апреле, после чего до июня-августа идет оттаивание вспученных грунтов и осадка фундаментов. Пучение происходит, как правило, в глинистых грунтах, находящихся в пластичном состоянии. Водонасыщенные песчаные и крупнообломочные грунты также обладают пучинистыми свойствами [22] Величина выпучивания фундаментов может изменяться от 2 до 30 см [16, 27]. Следует обратить внимание на то, что довольно много сооружений (28%) деформируется от морозного пучения грунтов уже в период эксплуатации. Большинство из этих зданий одно- и двухэтажные, построенные на ленточных блочных и бутовых фундаментах, которые из-за больших неровностей вертикальных граней, хорошо смерзаются с пучиноопасным грунтом, разрываются на глубине 60–100 см и без труда поднимаются касательными силами пучения.

Деформации пучения и осадки оттаивающих грунтов приводят к образованию трещин в фундаментах и стенах зданий, около перемычек оконных и дверных проемов, к отрыву внутренних поперечных стен от наружных, к отрыву торцевых самонесущих стен зданий, к отклонению как внутренних, так и наружных стен, а также наблюдаются отрыв и подъем крылец, веранд, световых приямков. Примерно треть сооружений (24–33%) имеет малые деформации и находится в удовлетворительном состоянии, не требует ремонта. Но большая часть (58–65%) зданий и сооружений требует материальных и трудовых затрат на ремонтные работы. Некоторое количество (9–11%) сооружений в результате больших неравномерных осадок после оттаивания вспученных грунтов оснований приходит в аварийное состояние и требует выполнения значительных работ по усилению и переустройству многих конструктивных частей сооружений.


Незначительное количество сооружений (5–6%) требует частичной или полной разборки и перестройки стен, перекрытий, покрытий и других конструкций зданий.

Ниже дано описание примеров деформаций объектов, происшедших на пучиноопасных грунтах, которые могли бы не произойти при соблюдении всех норм и правил изыскания стройплощадок, строительства и эксплуатации сооружений.



Пример 1.1. В п. Горном [13], расположенном севернее г. Ком-сомольска-на-Амуре, было построено 37 зданий. К 1962 г. 12 домов (32%) за счет систематически повторяющихся деформаций грунтов (пучение – осадка) за 3–5 лет были выведены из эксплуатации, потребовались специальные мероприятия по восстановлению зданий (рис. 1.2).

Территория поселка располагается в узкой долине верхнего течения р. Силинка, окруженной сопками. Жилые дома построены на надпойменных террасах. Террасы и пойма реки сложены галечно-валунными отложениями с песчано-гравийным заполнителем, залегающими на юрских окварцованных песчаниках и сланцах.

Усредненный геологический разрез представлен следующими горизонтами пород: намывной или насыпной слой 0,5–3 м; галечно-валунные (75 %) отложения средней плотности, местами плотные, залегающие на глубине 3,5 м с песчано-гравелистым заполнителем. Мощность аллювиальных отложений 10-20 м; галечно-валунных отложений рыхлого сложения 1–3 м. Пористость грунтов 35–40%. Коэффициент фильтрации до 180 м/сут.

Территория поселка обводнена. Грунтовая вода гидравлически связана с р. Силинкой. Уровень грунтовой воды колеблется в пределах 0,8–3,5 м, считая от дневной поверхности стройплощадки, поэтому фундаменты зданий подтопляются, а грунты основания длительное время бывают обводнены. Результаты наблюдений за уровнями грунтовой воды в скважинах и колодцах подтверждают значительное и быстрое колебание их на стройплощадке.

Минимальный уровень приходится на январь. В феврале наблюдается подпор грунтовой воды на глубине 0,5–1,1 м в связи с сезонным промерзанием грунтов в области разгрузки. Вмарте-апреле подпор снижается в связи с появлением таликов – локальных зон разгрузки.


Образование подпоров происходит в мае-июне с малыми амплитудами. Максимальный уровень грунтовой воды наблюдается с конца июня по август в связи с подъемом воды в р. Силинка за счет дождей.

В сентябре наблюдается постепенное падение уровня грунтовой воды, которое продолжается до января. Деформации оснований почти синхронно следуют за изменением уровня грунтовой воды (см. рис. 1.2). Анализ графиков деформации основания (фундаментов и надфундаментных конструкций) показывает (в годовом цикле наблюдений), что основание не находится в состоянии покоя. Основание периодически изменяет свое положение в вертикальной плоскости.



 Рис.1.2   Деформация жилых домов в п. Горном: а) план п. Горного; б) деформация стен; в) графики деформации (пучение-осадка) дома № 23; 1, 2, 3, 4 - геодезические марки.

В годовом цикле наблюдений можно выделить следующие периоды:

1-й период характеризуется быстрой сменой состояния грунта (переход из талого в мерзлое состояние), в связи с опозданием проникновения отрицательных температур примерно на 5–6 месяцев и проявлением морозного пучения в период с июля по август;

2-й период – плавная осадка грунта основания, происходящая в течение трех месяцев (сентябрь-ноябрь). В этот период различные части здания дают неравномерную осадку. Это способствует возникновению больших деформирующих сил, концентрирующихся в ослабленных частях стен и фундаментов.

3-й период – стабилизация оснований. Он охватывает 2,5 месяца (декабрь, январь и половину февраля). В этот отрезок времени происходят малые осадки, иногда и пучение.

4-й период – период максимальной осадки грунтов оснований (с 15 февраля по 15 марта), происходящей в годовом цикле наблюдений, прогрессируют деформации стен, резко возрастают размеры и количество трещин в стенах зданий.

5-й период – пучение грунтов, он длится один месяц (с 15 марта по 15 апреля). В этот период наблюдается быстрый рост деформации стен и раскрытие трещин во всех деформированных домах.

6-й период – период быстрой смены состояния грунтов оснований (из талого – в мерзлое состояние).


Наблюдаются небольшие осадки и в то же время морозное пучение грунтов. Этот период охватывает 2,5 месяца (с 15 апреля по 30 июня).

Отсюда можно сделать вывод о динамичном поведении оснований, сложенных в привычном понимании весьма прочными и устойчивыми грунтами. В действительности, при определенных гидрогеологических условиях, указанные грунты могут быть причиной недопустимых деформаций фундаментов и надфундаментных конструкций.

В течение 3–5 лет часть зданий из-за периодического “расшатывания” (пучение – осадка) фундаментов и стен получила большие деформации (см. рис. 1.2), несовместимые с проживанием в них людей.

Причинами деформации явились морозное пучение и осадки вспученного основания, чего можно было бы избежать при качественном выполнении изыскания стройплощадки, правильном выборе глубины заложения фундаментов, соблюдении правил устройства фундаментов в зимнее время и эксплуатации сетей коммуникаций.

Изыскания стройплощадки были проведены поспешно. Поэтому основной массив застройки был охарактеризован неполно. Не было дано прогноза поведения грунтов после застройки поселка.

При проектировании фундаментов не учтено высокое (0,8–3,5 м) положение уровня грунтовой воды, не предусмотрены дополнительные меры по обеспечению устойчивости фундаментов при их мелком (1,2–2 м) заложении. Выпущена из виду возможность морозного пучения водонасыщенных крупнообломочных (галечно-валунных) грунтов при их промерзании на глубину 3–3,5 м. Не предусмотрены меры по снижению уровня грунтовой воды.

В процессе строительства большинство фундаментов было сооружено в зимний период. Грунты в котлованах и траншеях промораживались на глубину 3–3,5 м. Засыпка пазух фундаментов производилась, как правило, в апреле, что создавало условия консервации мерзлоты под фундаментами в виде перелетков.

Были установлены большие утечки воды в поселковой водопроводной, теплофикационной и канализационной сетях.

Из приведенного видно, что крупнообломочные грунты с песчано-гравийным заполнителем могут быть пучинистыми в водонасыщенном состоянии, причем могут возникать как касательные силы пучения (при смерзании с гранями фундаментов), так и нормальные (при образовании ледяных прослоек в грунте под подошвой фундаментов).





Пример 1.2. Типовое трехэтажное жилое здание с техническим подпольем и размерами в плане З0 х 18 м, а высотой 12,31 м было запроектировано полнокаркасным с шагом колонн 6 м. Каркас рамно- связевой схемы состоит из железобетонных составных колонн, ригелей, связевых плит, стены из навесных панелей. Пространственная жесткость здания в горизонтальных плоскостях обеспечивается работой плитных перекрытий как неизменных горизонтальных дисков; в вертикальных плоскостях: в продольном направлении рамами каркаса, в поперечном направлении поперечными кирпичными стенами в двух сечениях.

Фундаменты здания (рис. 1.3) запроектированы из сборных железобетонных башмаков стаканного типа марки ФК-13 и высотой

0,9 м, с размерами подошвы 1,З х 1,3 м и монолитных железобетонных подушек высотой 0,4 м, с размерами в плане от 2,1 х 2,1 м до 3,1 х З,1 м. Глубина заложения фундаментов 1,7...2 м от уровня будущей планировки, от фактического уровня грунта она составила 1,2–1,6 м. Нормативная глубина промерзания грунта для района строительства – 1,79 м.

Основание стройплощадки сложено (считая сверху вниз): насыпным грунтом слоем (0,8–1 м; суглинком мягкопластичным с гравием и галькой (до 38%) 0,2–0,3 м; галькой средней с гравием и песком (до 40%), водонасыщенной 1,1 м; песчаником выветрелым, трещиноватым, водоносным (толщина слоя не определялась). Уровень подземной воды находится на глубине 1,6 м ниже природного рельефа. Таким образом, фундаменты были заложены на глубину 1,65 м, т.е. на уровне горизонта подземной воды. Под фундаментами находится слой мягкопластичных суглинков толщиной 0,85–1,05 м.



Рис. 1.3. План фундаментов здания и графики их осадок: цифры слева от осей – осадки в период с 02.03.85 г. по 17.07.85 г.; справа в числителе – величины пучения фундаментов с 01.11.85 г. по 08.03.86 г.; в знаменателе – повторные осадки с 08.03.86 г. по 14.07.86 г.; – трещины в кирпичных стенах, см; [ – трещины в сварке стыков ригель – колонна.

Закладка фундаментов производилась в период с декабря 1984 г.


по март 1985 г., т.е. во время промерзания грунтов, в связи с чем бетонирование плит фундаментов, монтаж верхних блоков-стаканов и всего каркаса здания производились на промороженное и пучащее основание. Первые осадки фундаментов, несущих 30–50% проектной нагрузки, были замечены в апреле 1985 г. В полную силу они проявились после оттаивания основания, т.е. в июне-июле.

Наблюдение за величиной осадок было организовано с апреля 1985 г.

Осадка фундаментов закончилась в сентябре 1985 г. Строительство здания было законсервировано, отепление основания на следующую зиму не производилось, что вызвало вторичное промерзание основания и подъем фундаментов с ноября по март 1986 г. и вторичную осадку фундаментов с марта по сентябрь 1986 г.

Анализ графиков наблюдаемых осадок фундаментов после первой зимы дал следующие результаты: величина осадок фундаментов изменялась от 106 до 268 мм. Все 26 фундаментов имели осадку больше нормы (Su = 80 мм) в 1,33–3,35 раза. Средняя скорость осадки фундаментов равна 0,48–1,66 мм/сут. Относительная разность осадок фундаментов (перекосы) по длине шага колонн (6 м) колебалась в пределах 0,0017–0,0196 при норме 0,002 для каркасных зданий.

Нормы перекоса горизонтальных элементов (балок, ригелей) в уровне первого этажа были превышены в 1,3–4 раза 41% элементов, в 4–7 раз 14% и в 8–10 раз 2%. Результатом таких деформаций явился излом 5,2% ригелей от общего их количества и отрыв ригелей от колонн (2,6%) в узлах соединений. В кирпичных стенах на высоту этажа образовались косые трещины (10–60 мм).

Второй цикл пучения фундаментов в зимний период 1985–86 гг. начался через 20–40 суток после осадки фундаментов от прошлогоднего промерзания основания. Во вторую зиму величина подъема фундаментов была в 3–5 раз меньше и равнялась 30–76 мм, проходила довольно равномерно со скоростью 0,22–0,49 мм/сут. Относительная разность осадок колебалась от 0,003 до 0,08, т.е. редко выходила за пределы нормы (0,006). Осадка основания (18–54 мм) после вторичного пучения началась в марте и закончилась в сентябре.


Скорость оседания равнялась 0,22–0,42 мм/сут.

Приведенный пример свидетельствует о том, что проектная организация, стремясь сократить объем земляных работ, допустила грубую ошибку, оставив под фундаментами слой сильнопучинистого грунта (0,68–1 м). Ниже находился непучиноопасный опорный пласт с высоким расчетным сопротивлением, за счет чего можно было резко сократить размеры плитной части столбчатых фундаментов здания. Строительная организация допустила серьезное нарушение правил закладки фундаментов в зимнее время в пучинистых грунтах, что послужило причиной указанных деформаций строящегося здания.

Двухкратная деформация основания, фундаментов и каркаса явились невольной проверкой прочности и надежности всех конструктивных элементов и пространственной устойчивости узлов частично смонтированного здания, что позволило после проведения ремонтных работ достроить объект и сдать его в эксплуатацию. В практике строительства, нередко сильно деформированные объекты разбираются и строятся заново. Такая поспешность далеко не всегда оправдана. Приведенный выше пример подтверждает это, когда анализ реальной опасности и прогноз осадки основания с фундаментами и над фундаментным каркасом позволили сохранить объект. Затраты на его усиление были минимальными.





Рис. 1.4 Обрушение части 12-квартирного жилого дома: 1 - контур обрушения; 2 - контур деформации стены; К.К. - канализационный колодец; В.Я. - выгребная яма.

Пример 1.3. В апреле 1954 г. произошло обрушение угловой секции 4-этажного жилого дома. Здание в плане размерами 18,2 х 13,5 м (рис. 1.4), высотой (до карниза) – 13,5 м, фундаменты дома бутовые с глубиной заложения для наружных стен 2,66 м, а со стороны подвала (между осями 3–6) – 0,9 м; для внутренних стен – 2,45 м (от пола подвала заложение равно 0,55 м). Стены кирпичные облегченной конструкции (кладка Фокина), кирпич с щелевидными замкнутыми пустотами толщиной 6 см. Общая толщина стен: наружных 56 см , внутренних 38 см.

Фундаменты были заложены в ноябре 1953 г., к 1 марта 1954 г.


кирпичная кладка дома была построена. Кладка фундаментов и стен велась с замораживанием раствора. Основанием фундаментов служили пылеватые суглинки серовато-желтого цвета слоистой текстуры туго- и мягкопластичной консистенции, мощность слоя 7 м.

Необходимо отметить, что на расстоянии 2 м от оси 6 находилась выгребная яма , заполненная водой. Яму необходимо было осушить, вычистить и заполнить бутовой кладкой до начала рытья котлована под фундаменты, но эту работу не выполнили.

Первая вертикальная трещина появилась в стене лестничной клетки (по оси 4 (рис. 1.4)). Позднее появились трещины в кладке столба по оси 5 и по осям В и 6 (между осями Б – В). Попытка удержать наружные стены временными креплениями не дала положительного результата. В ночь на 17.04.54 г. произошла просадка угла здания на 10–12 см, а утром 19.04 угол дома обрушился.

После разборки завала было обнаружено следующее: подошва фундамента по оси В просела на 18 см, под подошвой был разжиженный грунт с присутствием фекальной воды; бутовая кладка фундаментов со стороны подвала расслоилась и частично обрушилась; вследствие неполного схватывания раствора (весенний переход через нулевую прочность) кирпичная и бутовая кладка уцелевшей части стен и фундаментов в месте обрушения свободно разбиралась руками. Из этого можно сделать вывод, что причинами аварии являются следующие факторы:

– нарушение проектного решения о ликвидации очага (выгребная яма) замачивания основания фекальной водой;

– замораживание основания в процессе строительства и его быстрое оттаивание за счет солнечной радиации (угол здания имеет южную ориентацию) и, главным образом, за счет притока фекальной воды, приведший грунт в текучепластичное состояние.

В мае 1954 г. авария ликвидирована и дом введен в эксплуатацию.



Пример 1.4. Полы одноэтажного здания-холодильника, как правило, проектируются с подогревом электроэнергией или теплым воздухом. При отключении подогрева происходит охлаждение пола и грунта основания, что приводит к образованию купола вспученного грунта и поднятию пола в срединной части камер холодильника в зависимости от температуры воздуха в них.


Это подтверждается 20-летним наблюдением за зданием-холодильником в г. Бикине.

Одноэтажный четырехкамерный холодильник с размерами в плане и площадью камер 850 м2 (рис. 1.5) был сдан в эксплуатацию в 1951 г. В камерах поддерживались температуры воздуха: в К-5 0 ° С, в К-1,2,3 минус 13 ° С и в К-4 минус 18 ° С.



Рис. 1.5. Деформации пола холодильника: а) план здания; б) разрез 1-1; в) график пучения пола; К-1, К-2, К-3, К-4, К-5 – камеры холодильника; I – суглинок; II – песок с гравием.

Конструкция пола до ремонта (1958 г.) состояла из слоев: асфальт – 3 см, бетон – 5 см, шлак – 50 см, железобетонная плита – 5 см, шанцевые кирпичные каналы – 32 см, бетонная подготовка – 10 см. Общая толщина пола 105 см, давление на основание 17 кПа.

По проекту обогрев пола холодильника предусматривалось выполнять пропуском теплого (+14 ° С) воздуха, подогреваемого электрокалориферами, по шанцевым каналам подполья. Фактически обогрев пола не производился.

Грунты основания: на глубину до З м мягкопластичный серовато-коричневый суглинок, ниже на 1,5 м слой легкой пластичной супеси, подстилающий слой – пылеватый водонасыщенный песок с примесью гравия (до 10%). Уровень подземной воды расположен сразу под шанцевыми каналами.

Анализируя материалы наблюдений и выполненные расчеты можно сделать выводы: в первые 1,5–2 года (1951–1953 гг.) эксплуатации холодильника без обогрева пола промерз пол и грунт под ним на 0,5 м, о чем свидетельствовали начальный подъем полов на 2–5 см, колонн и перегородок; в последующие 5 лет (1953–1958 гг.) глубина промерзания грунта основания достигла 1,5 м; усредненная скорость промерзания пола и грунта за 7 лет составила 35,7 см/год, скорость пучения в различных камерах составляла 1,42–3,35 см/год; за следующие 13 лет (1958–1971 гг.) после ремонта (срезка “горбов” и утолщение пола шлаком на 60 см, увеличение давления на основание до 27 кПа) скорость промерзания основания замедлилась в 5,8 раза до 6,15 см/год, глубина промерзания увеличилась на 0,8 м (2,3 м), но скорость пучения увеличилась в 2 раза до



3,07–6,14 см/год) за счет благоприятных температурно- влажностных условий для миграции воды к фронту льдообразования в уровне подошвы пола холодильных камер. По состоянию на 1971 г. подъем пола в камерах составлял: К-1 20–25 см, К-2,3 З0–40 см, К-4 55 см. С учетом срезки в 1958 г. “горба” (30 см) в камере К-4 общий подъем пола в среднем достиг 85 см.

Из вышеизложенного следует, что нарушение правил эксплуатации холодильников подобного типа приводит сооружение в аварийное состояние, ликвидация которого требует больших затрат или невозможна без полной реконструкции здания. Длительное охлаждение грунтов основания, даже под значительным слоем теплоизоляции, приводит их к промерзанию, а при наличии пучинистых грунтов – к деформации сооружения.

В приведенных примерах хорошо видна зависимость деформации оснований сооружений за счет просчетов, допущенных на разных стадиях (изыскания, проектирование, строительство, эксплуатация) строительства сооружений, чего можно было избежать при соблюдении строительных норм и правил.

Факторы, определяющие интенсивность морозного пучения грунтов

Процесс морозного пучения грунтов зависит от многих факторов, которые можно разделить на четыре группы: географо-климатические условия, инженерно-геологические и гидрогеологические особенности территории, теплофизические характеристики грунтов, техногенные факторы.

Географо-климатические особенности территорий строительства, то есть средняя годовая температура грунтов, годовая амплитуда колебания температур на их поверхности и другие, прежде всего, определяют широтную и высотную зональность сезонного промерзания грунтов. Средняя годовая температура воздуха и грунта не остается постоянной из года в год, она непрерывно колеблется. Изменяется и глубина промерзания грунтов.

В южной части Дальнего Востока в естественных условиях, особенно в горных районах, широтная зональность типов сезонного промерзания и протаивания грунтов может заметно изменяться и искажаться за счет наложения высотной зональности. Рельеф и экспозиция склонов местности во многом определяют температурный режим грунтов застраиваемой территории.

Существенное влияние на процесс морозного пучения, на глубину промерзания грунтов оказывают инженерно- и гидрогеологические особенности территории. В зависимости от состава и влажности грунтов в каждом регионе глубина сезонного промерзания может изменяться в широких пределах, которые могут быть вычислены по существующим расчетным формулам, учитывающим среднюю годовую температуру грунтов, амплитуду температур на их поверхности, состав грунтов и их влажность. На основе вышеизложенного возможно составление карт сезонного промерзания грунтов на требуемой территории.

Подробнее остановимся на основных факторах, количественно характеризующих интенсивность пучения. К ним относятся следующие:

	гранулометрический, минералогический и химический состав грунтов;
	водно-физические свойства и глубина залегания подземных вод в период промерзания;
	плотность грунта;
	степень охлаждения грунта, зависящая от температуры наружного воздуха и теплоизоляции на его поверхности, скорость промерзания;
	техногенные факторы, связанные с обустройством и застройкой территории.

<
Важным физическим показателем склонности грунтов к морозному пучению является степень раздробленности минеральных частиц, то есть дисперсность грунтов. В зависимости от размеров и формы частиц наблюдается различная активность взаимодействия грунтовых частиц с водой и способность к морозному деформированию. Экспериментально установлено, что в открытой системе (имеется свободный выход воды из грунтов при их промерзании) не подвергаются пучению грунты с крупностью частиц более 0,1 мм даже с небольшим (не более 3%) содержанием глинистой фракции, что связано с малым воздействием силового поля скелета грунтов на пленочный механизм миграции воды. Наибольшему пучению подвергаются грунты с преобладающим содержанием пылеватой (0,05 ... 0,005 мм) фракции, что обеспечивает наиболее благоприятные условия миграции влаги.

Согласно СНиП 2.02.01-83* [20] к пучинистым относятся все глинистые грунты, пески мелкие и пылеватые, а также крупнообломочные грунты и пески от гравелистых до песков средней крупности, содержащие пылевато-глинистый заполнитель. Крупнообломочные грунты, пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, считаются непучинистыми при любом уровне подземных вод.

Процесс пучения связан с миграцией воды. При этом первостепенную роль играет пленочная (рыхлосвязанная) вода, которая своим перераспределением в зоне промерзания оказывает влияние на пучение грунта.

Наибольшее количество пленочной воды содержится в тонкодисперсных грунтах, имеющих большую удельную поверхность минеральных частиц, поэтому наиболее пучиноопасны глинистые грунты.

Влияние минерального состава тонких фракций на пучение в крупнообломочных и песчаных грунтах практически отсутствует. Оно становится заметным в глинистых грунтах, у которых химическая активность взаимодействия частиц с водой зависит от природы глинистых минералов.

Наиболее опасны грунты с каолинитовой основой, которые обладают достаточно жесткой кристаллической структурой, а значит и повышенной влагопроницаемостью. На Дальнем Востоке в грунтах преобладают минералы каолинита, этим проблемы строительства на пучиноопасных грунтах усугубляются.



Интенсивность пучения грунтов повышается при их увлажнении, при наличии подземных вод в пределах слоя сезонного промерзания или близком расположении их к границе промерзания.

Пучение обусловлено предзимним увлажнением грунтов. Основным источником увлажнения служат атмосферные осадки и подземные воды. Наиболее распространенным путем увеличения слоя сезоннопромерзающих грунтов является капиллярное передвижение воды в пределах каймы капиллярного поднятия от уровня подземных вод (УПВ).

Ориентировочное минимальное расстояние, м между полной глубиной сезонного промерзания и предзимним положением УПВ, при котором эти воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, принимается по данным В.О.Орлова [37].

Освоение и застройка площадей приводят к нарушению гидрогеологического режима грунтов, как правило, к подтоплению территорий [27], что необходимо учитывать при оценке промерзания и пучения грунтов.

Одним из начальных условий пучения глинистых грунтов является наличие влажности больше критической . Допускается принимать значения Wcr, равные влажности на границе раскатывания.

Влияние плотности грунта на интенсивность пучения неоднозначно и зависит от степени водонасыщения грунта. По мере увеличения плотности при неполном заполнении пор грунта водой, интенсивность пучения суглинка возрастает и достигает максимума при значении плотности скелета , равном , где – оптимальная плотность грунта, под которой понимается наибольшая плотность при стандартном уплотнении (рис. 2.2). Напротив, при полном водонасыщении грунтов наблюдается обратная зависимость: с увеличением плотности пучение уменьшается.

По температурному признаку процесс пучения характеризуется интервалом температур, краевые значения которого определяют начало процесса пучения Тн и его прекращение Тк. Результаты опытов В.О.Орлова [37] и других исследователей показывают, что значения температур Тн и Тк, зависящие от дисперсности, природы минерального скелета грунта, его водных и физико-химических свойств, могут изменяться в достаточно широких пределах.


Как правило, значение Тн бывает на несколько десятых долей градуса ниже температуры начала замерзания свободной воды в грунте. Прекращается процесс пучения глин при температуре минус 4 оС и ниже.



Рис. 2.2. Характер изменения интенсивности пучения f в зависимости от плотности скелета глинистого грунта rd

Влияет на процесс пучения и скорость промерзания. Наиболее опасны значения скорости от 1–2 до 4–5 см/сут.

Техногенные факторы также оказывают влияние на интенсивность пучения грунта. Как уже отмечалось, строительство, и другая деятельность человека приводят к подтоплению территорий. Происходит это не только из-за “мокрых” процессов, утечек из водонесущих коммуникаций, но и вследствие нарушения структуры грунтов, их природного сложения. Многочисленные обратные засыпки, подсыпки из глинистых грунтов на застроенных территориях аккумулируют влагу атмосферных осадков и техногенных вод, постоянно удерживают более высокую влажность, чем природный грунт. Наличие запасов свободной воды в обратных засыпках обеспечивает прочное смерзание их с фундаментами, а возможность капиллярного подтока влаги к фронту промерзания вызывает избыточное льдообразование в промерзающем грунте. Следствием этого является интенсивное проявление сил морозного пучения.



2.3. Классификация промерзающих грунтов по степени морозной пучиноопасности



Перед наступлением зимнего периода полезно иметь ряд показателей, характеризующих состояние грунта, на основании которых можно прогнозировать степень пучиноопасности грунта. Оценка потенциальной возможности грунтов к пучению в случае их промерзания, то есть выяснение степени их пучиноопасности является важной задачей для строительной практики. Довольно широко известна классификация грунтов по степени пучиноопасности, разработанная М.Ф.Киселевым [3, 28]. В этой простой классификации, вошедшей в СНиП II-15-74, разделение грунтов производится в зависимости от глубины залегания уровня подземных вод WL и показателя текучести глинистых грунтов.



В действующих нормах [20, 24] в основу классификации пучиноопасных грунтов положена классификация В.О.Орлова [37–39], количественно связывающая показатели пучения с простейшими физическими характеристиками грунта.

Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей с числом пластичности определяются через показатель дисперсности D. Эти грунты относятся к непучинистым при , к пучинистым – при. Изменение показателя D в пределах от 1 до 5 соответствует группе слабопучинистых грунтов. Значение показателя дисперсности D определяется по формуле

,                                                                 (2.5)

где К – коэффициент, равный ; е – коэффициент пористости талого грунта; – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле

,

                                                  (2.6)

где р1; р2; рi – содержание отдельных фракций грунта, доли ед.; d1; d2; di – средний диаметр агрегатов (частиц) отдельных фракций, см.

Диаметры отдельных классифицированных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1.4. За расчетный диаметр последней тонкой фракции принимается ее максимальный размер, деленный на коэффициент 1.4.

Классификация по степени пучинистости для глинистых грунтов составлена на основе оценки обобщенного критерия пучения R¦ , значения которого для каждой из пяти групп морозоопасных грунтов изменяются в определенных пределах (табл. 2.1).



Критерий R¦ , функционально зависящий от гидротермических условий промерзания и вида грунта, определяется по формуле

,

                             (2.7)

где w, wp, wL – влажность в слое сезонного промерзания грунта, соответствующая природной, на границах раскатывания и текучести, доли ед.; wcr – расчетная критическая влажность, ниже значения которой в промерзающем глинистом грунте прекращается перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение, доли ед., определяется по графику рис. 2.3; Mt – безразмерный коэффициент, числено равный абсолютному значению среднезимней температуры воздуха для данного района строительства, определяется по СНиП [25].

Таблица 2.1

Классификация промерзающих глинистых грунтов

по степени пучинистоопасности по [22]

Наименование грунта	Наименование грунта по степени пучинистоопасности
практически непучинистый ¦ Ј 0,01	слабопу- чинистый 0,01 < ¦ ¦ Ј 0,035	средне- пучинистый 0,035 < ¦ ¦ Ј 0,07	сильно- пучинистый 0,07 < ¦ ¦ Ј 0,12	чрезмерно пучи- нистый ¦ > 0,12
Значение параметра R¦ Ч 100
Супесь 2 < Ip Ј7	< 0,14	0,14 – 0,49	0,49 – 0,98	0,98 –1,69	>1,69
Cупесь пылеватая 2 < Ip Ј7	< 0,09	0,09 – 0,30	0,30 – 0,60	0,60 –1,03	> 1,03
Суглинок 7 < Ip Ј 17	< 0,10	0,10 – 0,35	0,35 – 0,71	0,71–1,22	> 1,22
Суглинок пылеватый 7 < Ip Ј13	< 0,08	0,08 – 0,27	0,27– 0,54	0,54 – 0,93	> 0,93
Суглинок пылеватый 13 < Ip Ј 17	< 0,07	0,07– 0,23	0,23 – 0,46	0,46 – 0,79	> 0,79
Глина Ip > 7	< 0,12	0,12 – 0,43	0,43 – 0,86	0,86 –1,47	> 1,47

На основании таблиц М.Ф.Киселева [5, 28] и В.О.Орлова [37, 38, 39] в ДальНИИС Г.М.Сазоновым и В.И.Федоровым [16, 27] разработана более наглядная классификация песчаных и глинистых грунтов (табл. 2.2 и 2.3), увязывающая уровень подземной воды, типы грунтов, их показатель текучести и возможную величину пучения при различных глубинах (1,5 ... 4,0 м) сезонного промерзания грунтов.


Приведенными таблицами удобно пользоваться на предварительной стадии проектирования фундаментов в пучиноопасных грунтах.



Рис. 2.3 Зависимость критической влажности от числа пластичности и влажности на границе текучести.

Таблица 2.2

Классификация промерзающих грунтов по степени пучинистости

Наименование грунта	Наименование грунта по степени пучинистости
практиче- ски непучи- нистый ¦ Ј 0,01	слабопу- чинистый 0,01 < ¦ ¦ Ј 0,035	среднепу- чинистый 0,035 < ¦ ¦ Ј 0,07	сильнопу- чинистый 0,07 < ¦ ¦ Ј 0,12	чрезмерно пучи- нистый ¦ > 0,12
Показатель текучести глинистого грунта IL IL Ј 0 0 < IL Ј 0,25 0,25 < IL < 0,5 0,5 < IL Ј 0,75 IL > 0,75
Расстояние от уровня подземных вод до расчетной глубины промерзания грунта z , м
Песок мелкий	z > 0,5	z Ј 0,5
Песок пылеватый	z > 1,0	0,5 < z Ј 1,0	z і 0,5
Супесь	z > 1,5	1,0 < z Ј 1,5	0,5< zЈ 1,0	0< z Ј 0,5	z Ј 0
Суглинок	z > 2,5	1,5 < z Ј 2,5	1,0< zЈ 1,5	0< z Ј 1,0	z Ј 0
Глины	z > 3,0	2,0 < z Ј 3,0	1,5<zЈ 2,0	0< z Ј 1,5	z Ј 0

Таблица 2.3

Возможная абсолютная величина пучения грунта при расчетной глубине промерзания по [16]

Наименова- ние грунта по степени пучинистости	Глубина промерзания грунта d¦ , м
1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
Чрезмерно- пучинистый	h¦ > 16	h¦ > 24	hf  > 30	h¦  > 36	h¦ >42	h¦  >48
Сильно- пучинистый	10,5<h¦Ј18,0	14,0<h¦Ј24,0	17,5<h¦Ј30,0	14,0<h¦Ј36,0	24,5<h¦ Ј42,0	28,0<h¦Ј48,0
Средне- пучинистый	5,25<h¦Ј10,5	7,0<h¦Ј14,0	8,75<h¦Ј17,5	7,0< h¦ Ј14,0	12,25<h¦Ј24,5	14,0<h¦Ј28,0
Слабо- пучинистый	1,5< h¦ Ј5,25	2,0<h¦Ј7,0	2,5< h¦ Ј8,75	3,0< h¦ Ј 7,0	3,5< h¦ Ј12,25	4,0< h¦ Ј14,0
Практически непучинистый	h¦ Ј 1,5	h¦ Ј 2,0	h¦ Ј 2,5	h¦ Ј 3,0	h¦ Ј 3,5	h¦ Ј 4,0

Глубина промерзания грунтов

1.4. Глубина промерзания грунтов

При наступлении зимнего сезона происходит постепенное промерзание грунтов на нормативную глубину, которая зависит от множества грунтовых и климатических факторов района строительства сооружений. За нормативную глубину сезонного промерзания грунта принимается средняя из десятилетних наблюдений ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунта на открытой, очищенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунта.

Карта сезонного промерзания грунтов до меридиана Новосибирск–Барнаул дана в [25]. Для территории Дальнего Востока карта глубин промерзания грунтов (рис. 1.1) была разработана в 1957 г. проф. А.В.Стоценко и дана в книге “Сезонное промерзание грунтов Дальнего Востока вне области вечной мерзлоты” и дополнена в 1960 г. в ДальНИИС [31].

Часть данных из указанной работы приведена в табл. 1.4. Необходимо отметить то обстоятельство, что глубина промерзания грунтов рассчитана по глубине проникновения в грунт температуры 0 оС (графа 3).

При названной температуре замерзают влажные и водонасыщенные крупнообломочные и песчаные грунты до твердомерзлого состояния.

Рис.1.1. Схематическая карта нормативных глубин промерзания грунтов в южной части Дальнего Востока по изотерме –1 оС: – южная граница островной мерзлоты; o – пункты с вечной мерзлотой

Пылевато-глинистые грунты достигают твердомерзлого состояния при температурах минус 1–3 оС, когда фазовые переходы влаги в грунтах на границе фронта промерзания и талого грунта полностью прекращаются или существенно снижаются, и заканчивается процесс морозного пучения грунтов [27]. В связи с этим целесообразно принимать за нормативную глубину, на которой устанавливается температура минус 1оС. Такое предложение было сделано инженером Г.Ф.Горяиновым в 1973 г. [32] и составлена карта глубин промерзания грунтов для южной части Дальнего Востока по данным табл. 1.4 (графа 5).

Поправочный коэффициент на характер грунта:

– для грунтов глинистых и мелкопесчаных влажностью до 25% – 1,00;

– для мокрых грунтов влажностью более 25% – 0,75;

– для крупноскелетных грунтов естественной влажности – 1,33;

– для супесей, песков мелких и пылеватых (графа 5 табл. 1.4) – 1,2.

Поправка на высоту снежного покрова, отличающуюся от принятой по табл. 1.4, определяется по зависимости

,                                                              (1.1)

где D h – искомая поправка на глубину промерзания; D S – заданная разница в высоте снежного покрова; К3 – коэффициент, учитывающий теплоизоляционные свойства снега, для Амурской области и Хабаровского края K3 = 3, для северо-восточной части Хабаровского края K3 = 2, для Приморского края K3 = 1.

Поправка (+5 см) на абсолютную высоту площадки принимается на каждые 100 м увеличения высоты.

Поправка, учитывающая начальную температуру транспортируемой воды при определении глубины заложения водопроводных и канализационных сетей:

– для водопроводов, подающих воду из открытых водоемов, + 30 см;

– для водопроводов, подающих воду с температурой +(7–10) ° C, 0 см;

– для канализационных сетей, транспортирующих сточные воды с температурой +15...+17 ° С, 30 см.

Анализ таблицы 1.4 хорошо иллюстрирует зависимость глубины промерзания грунтов от главных объективных факторов: географического положения пунктов наблюдений; степени охлаждения воздуха (сумма среднемесячных отрицательных температур) за зимний период; толщины снежного покрова.

Таблица 1.4

Глубина промерзания грунтов в южной части Дальневосточного региона вне зоны вечной мерзлоты
Наименование пунктов	Глубина промерзания грунтов по изотерме 0 оС, см	То же по изотерме –1 оС под оголенной поверх- ностью	Расчет- ная зимняя темпера- тура воздуха, оС	Сумма средне- месячных отрица- тельных температур, оС	Высота пунктов над уров- нем моря, м
под слоем снега	под оголенной поверх- ностью	на боло- тах
1	2	3	4	5	6	7	8
Амурская область
По долине р. Амур
Аносово	250	в.м.*	–	240	-41	–	200
Кумара	237	311	139	232	-39	–	175
Братомобовка	230	311	–	236	-37	101,5	230
Благовещенск	205	285	111	215	-35	85,6	143
Поярково	214	298	123	228	-37	96,1	116
Асташиха	230	302	–	226	-37	–	200
Транссибирская магистраль
Шимановск	242	в.м.	145	–	-40	103,6	279
Свободный	230	311	–	235	-40	101,7	196
Белогорск	235	312	139	228	-40	96,2	178
Тарбагатай	240	320	145	241	-41	–	190
Завитинск	222	306	131	229	-36	96,8	227
Хабаровский край
По долине р. Амур
Помпеевка	210	294	–	220	-36	–	91
Екатерино- Никольское	199	263	97	198	-31	71,8	72
Хабаровск	198	268	100	203	-32	74,6	50
Елабуга	190	270	–	204	-32	–	61
Троицкое	201	276	97	207	-32	78,8	30
Комсомольск- на-Амуре	217	292	112	220	-35	88,7	24
Нижне- Тамбовское	219	294	114	222	-36	91,1	22
Богородское	213	295	95	222	-36	–	34
Николаевск- на--Амуре	202	291	–	220	-36	101,2	71
Транссибирская магистраль
Облучье	211	301	124	230	-36	95,2	255
Биробиджан	218	275	110	205	-32	78,5	34
Вяземский	164	250	91	202	-32	75,4	83
Бикин	130	220	93	200	-32	73,8	71
Сихотэ-Алинь	170	в.м.	–	–	-34	–	701
Тумнин	180	288	–	212	-34	–	58
Совгавань	127	185	74	181	-28	59,9	39
Приморский край
Восточное побережье
Агзу	117	186	–	198	-32	–	160
Кхуцин	110	142	34	159	-22	–	30
Дальнегорск	120	134	33	146	-21	36,3	27
Ольга (бухта)	136	136	34	144	-21	37	7
Находка (бухта)	132	132	28	141	-20	35,5	123
Транссибирская магистраль
Дальнереченск	129	184	–	199	-32	73,2	27
Шмаковка	128	184	84	193	-32	–	112
Турий рог	141	179	89	185	-30	63,3	89
Спасск-Дальний	121	174	84	178	-31	58,1	108
Уссурийск	147	169	79	179	-32	62,3	28
Владивосток	141	141	37	150	-24	40,5	29
Посьет	119	119	28	112	-20	30,9	42

<




Примечания: 1.

В табл. 1. 4 даны глубины промерзания грунтов на площадках, с оголенной от снега поверхностью, но сохранившимся травяным покровом, с учетом макрорельефа; абсолютная высота площадок отличается от средней для данного пункта не более чем на ± 50 м; площадки расположены на равнине или на соответствующих им по количеству получаемого тепла уклонах сопок, они не подвергаются затенению и обогреву от отапливаемых сооружений; грунты площадок глинистые или мелкопесчаные в состоянии остаточного разрыхления с влажностью в зимнее время года не более 25%. 2. В графе 2 дается глубина промерзания грунтов под снежным покровом средней высоты (для прокладки магистральных трубопроводов), соответствующей данному пункту. 3. Если местные условия отличаются от описанных в п. 1, 2, необходимо к табличным глубинам промерзания или к принятым по карте [32] применять поправки или поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 1.5 и ниже.



Поправочные коэффициенты и поправки к глубине промерзания грунтов



Таблица 1.5

Поправки на экспозицию склонов

Экспозиция склонов сопок	Поправка, см
Для склонов открытых площадок с падением 15–30°	Для склонов селитебной части
Северные склоны	+60	+40
Равнина, западные и юго-восточные склоны и склоны всех румбов с падением до 5°	0,0	0,0
Южные и юго-западные склоны	-20	0,0
Восточные склоны	+20	0,0
Северо-восточные и северо- западные склоны	+40	+20

Инженерно-мелиоративные мероприятия

Наличие воды в грунтах – одна из основных причин морозного пучения, поэтому мероприятия против деформации грунтов от морозного пучения посредством осушения являются первостепенными и наиболее эффективными.

Все инженерно-мелиоративные мероприятия сводятся к достижению одной цели – осушить грунты или не допустить их водонасыщения в зоне сезонного промерзания и ниже этой зоны на 2–3 м. Важно, чтобы грунты были максимально обезвожены перед промерзанием. Для этого следует выполнять следующие требования:

при составлении проектов строительства и их осуществлении в натуре следует, по возможности, избегать изменения направления естественных водотоков, сохранять растительный покров;

до начала строительства выполнять вертикальную планировку площадки, устраивать ливневую канализацию, водоотводные лотки и канавы для отвода поверхностных вод;

не допускать застаивания воды в котлованах;

для понижения уровня подземных вод предусматривать устройство дренажей, временных водопонижающих установок и других гидромелиоративных сооружений;

при проектировании учитывать многолетние колебания уровня подземных вод и его возможное повышение, подтопление территории;

регулярно следить за работой и состоянием дренажей, ливневой канализации и других водонесущих коммуникаций.

К инженерно-мелиоративным относятся и мероприятия по уменьшению глубины промерзания (тепломелиорация):

	утепление фундаментов посредством теплоизоляции [29];
	прокладка вблизи фундаментов подземных малозаглубленных коммуникаций, выделяющих тепло;
	электрообогрев грунта.

6.3. Физико-химические мероприятия

Принимаемые в настоящее время физико-химические мероприятия по стабилизации морозоопасных промерзающих грунтов в основном сводятся к следующему:

	специальной обработке грунта вяжущими веществами, благодаря которым грунт становится водостойким (гидрофобным) и теряет свои пучинистые свойства;
	насыщению грунта солевыми растворами, понижающими его температуру замерзания и, тем самым, способствующими уменьшению глубины промерзания грунта;
	введению в грунт добавок противопучинистых компенсирующих веществ (ПКВ), за счет объемно-деформационных свойств которых возможно компенсировать пучение грунта при замерзании и его просадочность при оттаивании. Основные указания по применению таких мероприятий приведены в Рекомендациях [35].

<
Гидрофобизация грунтов, т.е. придание грунту водоотталкивающих свойств, производится посредством обработки его небольшим количеством вяжущего вещества при определенных гидротермических условиях. В качестве вяжущего могут применяться жидкие нефтяные битумы, каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурфуроланилиновые смолы в количестве 1–2% от массы сухого грунта и другие материалы.

Наиболее пригодны для применения гидрофобизации супеси и пылеватые пески, карбонатные грунты (лессы, морены и др.). При гидрофобизации производят разрыхление, сушку и размельчение грунта. Смешение грунта с вяжущими производится горячим способом при рабочей температуре компонентов около 120–150 оС.

Для предохранения фундаментов зданий и сооружений от выпучивания вокруг них устраивается рубашка из гидрофобного грунта толщиной 15–20 см. Грунт укладывается отдельными слоями толщиной 20–30 см с последующим уплотнением.

Засоление грунтов относится к противопучиным мероприятиям временного действия, если грунты не защищены от воздействия поверхностных грунтовых вод. Наиболее пригодны для засоления грунты с малыми коэффициентами фильтрации. Для засоления применяют хлористый натрий, кальций и магний. Работы по засолению грунтов у фундаментов могут производиться двумя методами:

	засолением грунта обратной засыпки до укладки его в пазухи котлована;
	устройством в незасоленных грунтах у фундамента шпуров, набиваемых кристаллической солью и в дальнейшем заливаемых насыщенным раствором той же соли.

Засоление уменьшает температуру замерзания грунтов и снижает их морозное пучение. Но применение засоления грунта засыпки имеет серьезные отрицательные стороны, а именно: ускоряет разрушение строительных материалов, усиливает коррозию подземных коммуникаций и т.п. Кроме этого, соли влияют и на начальную структуру грунта, вследствие чего в дальнейшем грунт может оказаться более морозоопасным, чем до засоления.

Перспективным физическим методом борьбы с морозным пучением может быть метод стабилизации грунтов посредством введения в них ПКВ.


В качестве ПКВ могут быть использованы полуфабрикаты твердых синтетических высокомолекулярных соединений (полимеры) следующих групп:

	жесткие полимеры, имеющие большой коэффициент объемного расширения, изменяющие свой объем в соответствии с изменением температуры окружающего грунта;
	высокоэластичные полимеры (типа резины), способные обратно деформироваться при многократно действующем периодическом давлении, равном 0,05–0,1 МПа;
	полимеры, обладающие одновременно свойством соединений первой и второй групп.

Моделирование горизонтального воздействия процесса морозного пучения

Моделирование горизонтального воздействия процесса морозного пучения глинистого грунта проводилось на подпорные стенки трех типов: бетонную; гибкую железобетонную и железобетонную, заанкеренную в талом грунте. Геометрические характеристики подпорной стены следующие: высота удерживаемого грунта 3 м; глубина заложения 2 м и толщина 0,6 м. По существующей классификации морозоопасный глинистый грунт является сильнопучинистым. Возможная абсолютная величина пучения грунта

по обобщенным многочисленным данным Дальневосточного научно-исследовательского института по строительству для южных регионов Дальнего Востока составляет , в зависимости от глубины сезонного промерзания [27].

Значения сопротивления смещению мерзлого грунта относительно подпорной стены принимают в зависимости от расчетной температуры и скорости пучения грунта соответственно на начало, середину процесса и период, характеризующийся максимальной величиной пучения грунта.

Результаты численного моделирования показывают следующее. В начальный период процесса пучения деформативность подпорной стенки незначительна (верх смещается на 2 мм). В середине процесса верх стены смещается на 36 мм. Значения эпюры изгибающих моментов увеличиваются в 3–5 раз, но начинается процесс разрушения бетона подпорной стены с внутренней стороны. В конечный период, т.е. на момент максимального воздействия процесса морозного пучения, верх стены смещается на 125 мм. В средней части конструкции происходит раскрытие трещин бетона подпорной стены.

Установка арматуры в середину сечения подпорной стены снижает ее деформативность на всех стадиях промерзания на 10–15%, что позволяет сохранить подпорную стенку от разрушения (раскрытия трещин) до середины процесса промерзания. В конечный период пучения бетон подпорной стены переходит в стадию работы с элементами раскрытия трещин в верхней (с внутренней стороны) и заглубленной частях (с наружной стороны). Значения эпюры моментов снижаются на 30–70% в зависимости от интенсивности пучения.

Устройство анкерного элемента в средней части подпорной стены в талом грунте почти исключает деформации подпорной стены (перемещения верха стены составило 1–3 мм в зависимости от периода процесса пучения) (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема работы подпорной стены с анкером в период максимальной величины пучения: 1 – подпорная стена; 2 – анкер; 3 – граница промерзания; 4 – не мерзлый грунт; 5 – мерзлый грунт; 6 – эпюра изгибающих моментов подпорной стены.

Железобетонная стена работает в упругой стадии, что позволяет обеспечивать в целом долговечность данного сооружения.

Моделирование нормального воздействия процесса морозного пучения

Численное моделирование процесса промерзания и оттаивания морозоопасного насыпного глинистого грунта проводилось под плитным фундаментом с размерами: ширина 6 м, длина 30 м, толщина 0,3 м; с предварительно напряженной арматурой из двух диаметров 16 мм класса АIIIВ

с шагом 0,25 м по длине. Рассматривались варианты воздействия процесса промерзания основания на железобетонную плиту малозаглубленного фундамента двухэтажного кирпичного здания и последующего оттаивания системы “основание – фундамент”.

Основание представлено морозоопасным насыпным грунтом при несогласном залегании пластов из суглинка мягкопластичного и тугопластичного со строительным мусором переменной мощности (от 1 м под левой частью и до 5 м под правой частью фундамента), подстилаемым суглинком полутвердым.

В результате численного моделирования процесса пучения системы “основание – фундамент” в период эксплуатации здания получены следующие результаты. Действие сил морозного пучения оказывает влияние на фундамент в конечный период промерзания. Плита поднимается до 3 мм в средней ненагруженной части (рис. 5.3).

Изгиб плиты незначительный, а перекос находится в пределах допустимых норм (D S/L = 0,0017). В начальный период промерзания железобетонная плита работает в упругой стадии. В грунте сдвиговые деформации развиваются под правым краем плиты шириной до 0,5 м и глубиной до 0,8 м от ее подошвы. На поверхности грунта на расстоянии до 2 м с обеих сторон здания наблюдаются разрывы грунта, т.е. раскрытие трещин на глубину 0,3–0,6 м. В середине периода промерзания в подошве железобетонной плиты на расстоянии до 0,5 м во внутрь от наружных стен происходит раскрытие трещин на глубину до 10 см. В грунте сдвиговые деформации распространены под краями плиты. При чем под левой стороной, где нагрузка меньше, пластические зоны распространяются по ширине до 0,5 м и по глубине до 0,8 м от подошвы фундамента. Под правой частью пластические зоны носят серповидный характер с шириной от 0,5 м по подошве до 1,5 м по глубине промерзания.
По наружным граням плиты с обеих сторон сдвиговые деформации вызывают раскрытие трещин на глубину до 0,6 м от поверхности грунта. В конечный период промерзания зоны пластических деформаций развиваются следующим образом (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Изолинии подъема, мм, промороженного основания под фундаментной плитой в период, характеризующийся максимальной величиной пучения: 1 – фундаментная плита; 2 – граница промерзания; 3 – мерзлый грунт; 4 – талый грунт.



Рис. 5.4. Зоны развития пластических деформаций основания под фундаментной плитой в период, характеризующийся максимальной величиной морозного пучения: 1 – фундаментная плита; 2 – граница промерзания; 3 – мерзлый грунт; 4 – талый грунт; 5 – зоны развития пластических деформаций

В железобетонной плите по контакту с грунтом, а в верхней части плиты внутри здания на расстоянии 1 м от наружных стен начинается разрушение бетона, т.е. раскрытие трещин на глубину до

10 см. В грунте сдвиговые деформации сосредоточены под краями плиты непосредственно. При чем под левой частью пластические зоны распространяются на половину глубины промерзания, а под правой частью на всю глубину промерзания. По наружным граням плиты с обеих сторон и внутри под центром плиты сдвиговые деформации вызывают разрыв грунта на глубину 0,4–1,5 м от подошвы фундамента.

Оценка методом численного моделирования вспученных оснований при оттаивании

В результате численного моделирования процесса оттаивания промороженного основания получились следующие результаты (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Изолинии перемещений, мм, вспученного основания при оттаивании и зоны развития пластических деформаций под фундаментной плитой 1 – фундаментная плита; 2 – зоны развития пластических деформаций

Максимальная осадка плитного фундамента при статическом нагружении от надземной части здания составляет

, что в пределах допустимого значения [20]. Перекос наружных стен здания составил , что меньше предельно допустимой величины. Анализ зон пластических деформаций показывает характер развития сдвигающих деформаций основания, которые частично распространяются под правым краем плиты, т.е. там, где большая мощность насыпного грунта и соответственно большая осадка.

Армирование плиты предварительно напряженной арматурой резко повышает ее несущую способность (почти в три раза) по сравнению с обычной арматурой, снижая ее прогиб и выгиб (почти в два раза).

Использование численных методов исследования и проектирования малозаглубленных фундаментов на морозоопасных основаниях является значительным шагом вперед при строительстве и эксплуатации зданий в грунтовых условиях южной части Дальнего Востока. Численное моделирование процесса горизонтального промерзания позволяет подобрать надежную и эффективную конструкцию подпорной стены и долговечную конструкцию железобетонного плитного фундамента на морозоопасных насыпных грунтах.

Основные положения проектирования фундаментов на пучиноопасных грунтах

3.1. Выбор строительной площадки

Выбор территории для размещения промышленных районов и строительства промышленных предприятий, а также связанного с ними жилищного и культурно-бытового строительства или расширения существующего населенного пункта при наличии пучиноопасных грунтов в основании должен удовлетворять следующим требованиям:

– предпочтительным является рельеф с уклонами, позволяющими организовать отвод поверхностных вод, укладку коммуникаций и дренаж территории, а неблагоприятным рельефом территории является горизонтальный, усложняющий поверхностный отвод воды и способствующий образованию верховодки.

	уровень грунтовых вод на площадке должен быть, по возможности, ниже глубины заложения подошвы фундаментов, принимаемой в данном районе при наличии пучинистых грунтов. При этом строительная площадка не должна затапливаться паводковыми водами, на ней в зимнее время не должны образовываться наледи;
	следует избегать выбора территории или площадки для строительства над местами залегания полезных ископаемых, а также в зонах возможного неустойчивого состояния грунта (оползни, сплывы, явление суффозии, обвалы, кареты, размывы и др.);
	при составлении проектов стремиться к минимальным нарушениям природного сложения грунтов, избегать по возможности планировку подсыпкой пучиноопасными грунтами и изменения направления естественных водотоков, предусматривать мероприятия по уменьшению влияния застройки территории на процесс влагонакопления в грунтах.

3.2. Выбор типа фундамента

Выбор типа фундамента определяется инженерно-геологическими условиями, назначением здания и его конструктивными особенностями, величиной нагрузки, передаваемой на основание. Для капитальных зданий с большими нагрузками рекомендуются свайные и столбчатые фундаменты, в том числе рамной конструкции; для временных сооружений и капитальных легких зданий – незаглубленные и малозаглубленные фундаменты разнообразных конструкции.

Выбор типа фундамента определяется, помимо отмеченного, степенью и неравномерностью пучения грунтов основания.
При этом на чрезмерно и сильно- пучинистых грунтах предпочтение следует отдавать монолитным железобетонным ленточным или плитным фундаментам.

Для зданий с малонагруженными фундаментами целесообразно принимать такие конструктивные решения, которые направлены на снижение сил морозного пучения и деформаций конструкций зданий, а также нa приспособление зданий к неравномерным деформациям оснований.

Эффективные конструкции фундаментов и мероприятия, обеспечивающие снижение сил и деформаций морозного пучения, рассмотрены в разд. 6.

Малозаглубленный (незаглубленный) фундамент конструктивно представляет собой бетонный или железобетонный элемент, уложенный, как правило, на подушку из непучинистого грунта (рис. 3.1), уменьшающую величину и неравномерность перемещений фундамента. Для предотвращения неравномерных подъемов фундамента, обусловленных действием касательных сил пучения, его боковые грани рекомендуется выполнять наклонными (угол наклона до 2–3о) или изолировать от смерзания с грунтом специальными покрытиями и смазками [22, 23].

Рис. 3.1. Виды малозаглубленных фундаментов: а) ленточный (сборный, в том числе с железобетонными поясами, сборно-монолитный, монолитный) по песчано-гравийной подушке; б) столбчатый (сборный, монолитный в вытрамбованных котлованах из забивных блоков); 1 – фундамент; 2 – песчано-гравийная подушка; 3 – фундаментная балка; 4 – уплотненный щебнем грунт; 5 – утеплитель

В зависимости от степени пучинистости грунта основания ленточные малозаглубленные фундаменты под стены кирпичных и панельных зданий рекомендуется выполнять следующими:

	на практически непучинистых и слабопучинистых грунтах – из блоков (бетон, керамзитобетон), укладываемых свободно, без соединения между собой, непосредственно на естественное основание;
	на средне- и сильнопучинистых грунтах – из сборных железобетонных (керамзитобетонных) блоков, жестко соединенных между собой, или из монолитного железобетона. На среднепучинистых грунтах допускается применять ленточные фундаменты из свободно уложенных блоков с устройством по ним и под ними армированных поясов;
	на чрезмерно и сильно- пучинистых грунтах – армированными монолитными фундаментами с применением армированных или железобетонных поясов над проемами последнего этажа (при необходимости и на уровне перекрытий).

<


Армирование блоков, фундаментных поясов и необходимость усиления стен армированием или железобетонными поясами определяется расчетом с учетом деформаций пучения.

Столбчатые малозаглубленные фундаменты под стены зданий из любых материалов целесообразно устраивать на слабопучинистых и практически непучинистых грунтах.

На средне- и сильнопучинистых грунтах фундаменты в виде стоек должны быть жестко связаны между собой фундаментной балкой и представлять рамную конструкцию. Для усиления балок могут быть применены армированные или железобетонные пояса.

При устройстве сборно-монолитных ленточных фундаментов рекомендуется использовать длинномерные блоки, что позволяет уменьшить трудозатраты на соединение блоков между собой. Сплошные или пустотелые железобетонные блоки высотой 0,22 м, длиной до 6 м могут быть изготовлены в опалубке, предназначенной для панелей перекрытия.

Значительное снижение расхода материалов при устройстве столбчатых фундаментов достигается применением сборных оболочек, устанавливаемых в открытый котлован или пробуренную скважину.

Выбор типа и конструкции фундамента, способа подготовки основания и других мероприятий по уменьшению неравномерных деформаций здания от морозного пучения должен осуществляться на основе технико-экономического анализа с учетомконкретных условий строительства.

Природа и закономерности морозного (криогенного) пучения грунтов

При изложении теоретических вопросов о морозном пучении грунтов использовались монографии, сборники трудов [1–8, 9–16] и личные наблюдения авторов [17, 18, 48]. Основные определения и расчетные характеристики даны в соответствии с действующими нормативными документами [20–26].

2.1. Основные понятия и определения

Ненагруженные и малонагруженные (нагрузки на фундаменты меньше сил пучения) фундаменты сооружений, построенные на пучинистых грунтах, довольно часто подвергаются выпучиванию при промерзании окружающих их грунтов в зимнее время. Фундаменты перемещаются, как правило, вверх совместно с надфундаментными строениями, результатом этого является деформация системы “основание – фундамент – надфундаментные конструкции”. При этом деформации сооружений повторяются из года в год, носят циклический характер и накапливаются (увеличиваются) со временем.

Выталкивающими силами могут быть:

	касательные силы пучения F¦h, возникающие от вертикальной подвижки, примерзшего к граням (боковой поверхности) фундаментов пучащегося грунта;
	нормальные силы пучения Р¦h, действующие перпендикулярно поверхности фундамента, возникающие при замерзании пучинистого грунта под его подошвой.

Наиболее опасно совместное действие на фундаменты указанных сил.

Иногда наблюдаются горизонтальные деформации фундаментов и крены сооружений, разрушения подвальных стен и других ограждающих конструкций от горизонтального давления, вызванного действием нормальных к боковым граням фундаментов сил пучения грунтов Fh.

Под морозным (криогенным) пучением понимают внутриобъемное деформирование промерзающих влажных грунтов, приводящее к увеличению их объема за счет миграции влаги к фронту промерзания и избыточного льдообразования. Это вызывает неравномерное поднятие дневной поверхности грунтов при их промерзании и опускание при оттаивании, приводит к возникновению напряжений в грунте, в результате чего появляются повреждения зданий и сооружений.

Все грунты, кроме скальных [22], при определенных природных и техногенных условиях могут быть пучинистыми (морозоопасными) или непучинистыми (неморозоопасными).
Пучение происходит при следующих условиях: промерзание, обводнение, наличие пылевато-глинистых частиц или свободного выхода (отжатия) воды из грунта. При отсутствии хотя бы одного из условий пучение невозможно.

Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод. При водонасыщении в условиях замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых.

Основными характеристиками деформируемости промерзающих пучинистых грунтов являются следующие показатели.

1. Высота поднятия (пучения) поверхности слоя промерзающего грунта в данной точке h¦ .

2. Интенсивность пучения ¦ , которая представляет собой дифференцированную по глубине промерзания d¦ алгебраическую сумму деформаций грунта за счет перемещения его вверх h¦о и одновременной его усадки вниз (-Sy) вследствие уплотнения немерзлого грунта, определяется по формуле

,

(2.1)

где .                                                          (2.2)

Интенсивность пучения – важнейшая характеристика, которая в теоретических и прикладных разработках вопросов пучения грунтов играет ключевую роль [5].

3. Коэффициент пучения , % (относительное пучение), который соответствует значению средней интенсивности пучения ¦

и определяется по выражению

,

                                                                  (2.3)



где d¦ – мощность промерзающего слоя грунта, м.

4. Скорость пучения v¦ , см/сут – это приращение объема промерзающего грунта в единицу времени, числено равное отношению величины пучения i-го слоя грунта hi ко времени его промерзания ti, то есть

.

                                                                 (2.4)

Процесс пучения протекает не только у границы промерзания грунта, но и в некотором приграничном слое мерзлого грунта – в зоне промерзания (рис. 2.1), где происходит фазовый переход воды в лед.



Рис. 2.1 Схема промерзания грунта: 1 - замерзший грунт; 2 - зона промерзания; 3 - немерзлый грунт; 4 - миграция капиллярной воды; 5 - подземная вода.

Пучение, как правило, – неравномерный процесс. Объясняется это следующими причинами:

– неоднородностью состава и сложения грунтов;

– неравномерным увлажнением грунтов, их различной обводняемостью поверхностными или подземными водами;

– неравномерностью промерзания грунтов (изменением теплофизических свойств, различным распределением теплоизоляционных покрытий, неравномерным облучением, обдуваемостью и т.п.).

При избыточном и неравномерном льдообразовании формируются сложные сетчатые криогенные текстуры, что вызывает распученность грунта. При последующем оттаивании в таких грунтах протекает обратный процесс, сопровождающийся их осадкой, раз-уплотнением и снижением несущей способности. Как и морозное пучение осадки при оттаивании крайне неравномерны.

Необходимо помнить, что морозное пучение резко изменяет физико-механические свойства пылевато-глинистых грунтов при оттаивании. Эти изменения пропорциональны интенсивности пучения. При оттаивании распученных грунтов повышается их водопроницаемость и сжимаемость, значительно снижается несущая способность, что приводит к осадке сооружений, а на железных и автомобильных дорогах – к весенним просадкам земляного полотна.Процесс восстановления механических свойств протекает длительно и зависит от характера уплотнения грунта и условий дренирования. В грунтах с сегрегационным (неравномерным) льдообразованием полностью механические свойства не восстанавливаются.

ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ЮЖНОЙ ЧАСТИ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Южные районы континентальной части Дальнего Востока расположены южнее зоны распространения вечномерзлых грунтов (с севера), севернее границы с КНР (с юга) и занимают юго-восточную часть Амурской области, южные и восточные районы Хабаровского и Приморского краев.

1.1. Рельеф

Бассейн реки Амур, в пределах которого расположены названные районы, в целом может быть охарактеризован как горная страна [1]. Основная часть территории, тяготеющей к рекам Амур и Уссури, представлена равнинным рельефом. Это Амуро-Зейская, Средне-Амурская, Нижне-Амурская и Приханкайская равнины, а также долины рек Уссури и РаздольнОЙ. Рельеф в междуречье Зеи и Тунгуски сложен горами Малого Хингана и западными отрогами Буреинского хребта. Такой же рельеф развит и по правобережью р.Уссури, в междуречье Хора и Алдана и сложен западными отрогами Сихотэ-Алиньского хребта.

Амуро-3ейская равнина в своей западной части возвышенная с абсолютными высотами 300–480 м над уровнем моря, а в восточной – плоско-увалистая, с абсолютной высотой 200–250 м. Густая овражно-балочная сеть, расчленяющая водоразделы, создает сложный плоско-холмистый и грядово-увалистый рельеф. Долины рек широкие заболоченные, с глубиной вреза до 80–100 м. Здесь распространены широкие поймы и террасы рек Зеи и Амура высотой от 1–2 м (пойма) до 60–80 м.

Средне-Амурская равнина – это низкая (от 45 до 100 м абсолютной высоты) территория с несколькими уровнями речных террас и обширной поймой шириной до 10–30 км. Поверхность равнины плоская, неглубоко расчленена долинами рек. По ее периферии местами разбросаны горные хребты (Большой и Малый Хехцир) высотой до 600–950 м, группы мелкосопочника (Волочаевская сопка, Хабаровские, Воронежские, Львовские, Матвеевские высоты). Равнина дренируется Амуром и его многими притоками.

В южной части рассматриваемой территории, где располагается Приханкайская равнина, долины рек Уссури и Раздольной, рельеф представлен низменными аккумулятивными плоскими участками с редкими сопками или грядами холмов.
Преобладают абсолютные высоты до 50–80 м.



1.2. Климат



Территория расположена на стыке двух климатических областей: Восточно-Азиатской и Сибирской. В связи с этим, ее климат носит муссонно-континентальный характер.

В Амуро-Зейской равнине, расположенной в западной части Приамурья, зимы холодные малоснежные, мощность снежного покрова до 10–50 см. Средняя температура воздуха в январе колеблется от –24 до –32 оС. Лето облачное, дождливое. Средняя температура воздуха в июле до 16–19 оС. С июля по сентябрь выпадает 400–500 мм осадков. Это составляет 80% их годового количества. Суровые климатические условия способствуют глубокому промерзанию грунтов: до 3–4 м. Вблизи Благовещенска обнаружены периодически возникающие перелетки мерзлоты [1, 2]. Значительной суровостью отличается климат южной части Хингано-Буреинского горного района, прилегающего к долине Амура. Здесь наблюдаются отрицательные среднегодовые температуры воздуха от 0 до –20 оС, большие годовые и суточные контрасты температур и значительное количество осадков (650–800 мм). Большая часть осадков (до 80%) выпадает в теплый период года и вызывает паводки, иногда – наводнения на реках. В долинах рек распространены многолетнемерзлые грунты мощностью не более 3–5 м. В долине реки Амур мерзлые грунты отсутствуют.

В Средне-Амурской равнине среднегодовая температура воздуха составляет +1 оС, среднегодовое количество осадков – 570–800 мм. Зима холодная с ясной погодой. Средняя температура воздуха в январе минус 21–23 оС. Мощность снежного покрова менее 30 см. Лето теплое, дождливое. Средняя температура воздуха в июле 18–21 оС. Суровая зима, маломощный снежный покров способствуют глубокому (до 2–3 м) сезонному промерзанию грунтов [1, 2].

Самый теплый климат на рассматриваемой территории в Приханкайской равнине наблюдается в долине рек Уссури и Раздольной. Зима сухая, ясная, холодная. Лето пасмурное, дождливое. Среднегодовая температура воздуха колеблется от 2 до 3,5 оС. Наиболее холодный месяц – январь, среднемесячная температура которого составляет минус 17–19 оС.


Годовая сумма осадков составляет 500– 860 мм, тогда как испаряемость составляет 500–750 мм. В летне-осенний период выпадает 60% осадков. Мощность снежного покрова 20–40 см. Маломощный снежный покров способствует сравнительно глубокому (110–180 см) промерзанию грунтов [1, 32].



1.3. Грунты



В этом подразделе дается характеристика рыхлых и связных грунтов четвертичного периода, которые являются продуктом геологической деятельности озер, болот, рек или выветривания скальных и полускальных образований и служат основаниями зданий и сооружений.

В пределах Амуро-Зейской равнины

широко распространены аллювиальные, озерно-аллювиальные, аллювиально-озерные отложения, залегающие на более древних породах. Они отмечаются повсеместно, слагая поймы и I–Y надпойменные террасы рек Амура, Зеи, Томи, Завитой и их притоков. Это в основном пески с высоким содержанием гравия и гальки, суглинки и глины [1, 3].

Галечники, залегающие обычно в нижней части разреза аллювиальных отложений, имеют косослоистую текстуру. Заполнителем является гравелистый песок, содержание которого может достигать 50%. Сложение галечников в естественном залегании плотное (плотность частиц

, пористость ).

Пески, залегающие выше галечников, гравелистые. В более высоких горизонтах встречаются пески крупные, средней крупности и очень большое распространение имеют мелкие пески. Их основные характеристики приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Характеристики грунтов юга Амуро-Зейской равнины

Характеристика грунта	Пески	Суглинки	Глины
Плотность грунта r , г/см3	1,47–1,85	2,60–2,75	1,80–2,05
Плотность частиц r s, г/см3	2,65	1,80–2,00	2,65–2,78
Естественная влажность, w	–	0,13–0,38	0,21–0,32
Коэффициент пористости, e	0,45–0,72	0,40–1,10	0,50–1,10
Число пластичности, Ip	–	13,5–15,7	18–25
Показатель текучести, Ii	–	0,34–0,60	0,34–0,60
Угол внутреннего трения j , град	33–36	18–25	16–21
Удельное сцепление c, кПа	–	23–55	35–70
Модуль общей деформации Ео, МПа	16–48	5–30	4–22

<


Суглинки серые, коричневато-бурые, преобладают средние и тяжелые. Минералогический состав глинистой фракции гидрослюдистый с примесью монтмориллонита. По консистенции они бывают мягкопластичными, тугопластичными и полутвердыми. Мощность суглинков, обычно залегающих с поверхности, может достигать 6–8 м.

Глины пылеватые серовато-коричневые, серые и бурые. Минералогический состав глинистой фракции гидрослюдистый. Глины средней уплотненности, пористость 41–44% (табл. 1.1). Общая мощность аллювиальных отложений колеблется от 3 до 50 м, обычно 10–15 м [1, 3].

В Средне-Амурской равнине молодые четвертичные отложения чехлом перекрывают более древние. Они представлены галечниковыми, песчано-галечниковыми, песчаными и глинистыми породами аллювиальнoго, озерного, озерно-аллювиального и аллювиально-делювиального происхождения. Описываемые отложения слагают поймы, I–IY надпойменные террасы рек Амура, Уссури и их притоков.

Галечники, лежащие в основании разреза террас, а также в долинах притоков, обычно с косослоистой текстурой и содержат 40–60% хорошо окатанной гальки. Заполнителем являются разнозернистые гравелистые пески. В естественном залегании сложение галечников плотное. Плотность частиц , пористость . Песчано-гравийно-галечниковые породы мощностью до 100 м, распространенные в центральной части равнины, содержат до 90% гравия и гальки. Преобладает (до 50%) мелкая галька диаметром 2–5 см.

В составе отложений кремнистые сланцы, базальты, алевролиты. Заполнителем является крупно- и среднезернистый песок. Естественная влажность этих отложений , плотность , плотность частиц , пористость .

Пески кварц-полевошпатовые, слюдистые, в основном средне- и мелкозернистые, иногда гравелистые каолинизированные (табл. 1.2).

Таблица 1.2



Характеристики грунтов Средне-Амурской равнины

Характеристика грунта	Пески	Суглинки	Глины
Плотность грунта r , г/см3	2,09 –2,17	1,84 – 2,07	1,87–2,10
Плотность частиц r s, г/см3	2,70 –2,78	2,63 –2,72	2,60 –2,78
Естетсвенная влажность, w	0,10 – 0,18	0,17– 0,37	0,30 – 0,40
Коэффициент пористости, e	0,43 – 0,62	0,50 – 0,97	0,60 –1,0
Число пластичности, Ip	–	9 –17	18 –24
Показатель текучести, Ii	–	0 –1	0 –1
Угол внутреннего трения j , град	32 – 36	12 – 28	9 –24
Удельное сцепление c, кПа	–	6 – 60	14 – 82
Модуль общей деформации Ео, МПа	26 – 49	5 –39	9 –33

<


Суглинки залегают в самой верхней части разреза террас в виде самостоятельного слоя или в виде линз и прослоек среди пластов глин.

Глинистая фракция представлена гидрослюдами с примесью монтмориллонита, каолинита. Характерна значительная (до 20%) примесь песчаной фракции.

Глины плотные полутвердые и твердые, в пойме мягкопластичные. Минералогический состав глинистой фракции монтмориллонитовый с примесью гидрослюд.

В табл. 1.2 приведены деформативные характеристики четвертичных аллювиальных, озерных, озерно-аллювиальных и аллювиально-пролювиальных глинистых грунтов, а также их делювиальных аналогов. Из таблицы видно, что

полутвердые и тугопластичные грунты обладают достаточно высокими (33 – 39 МПа) значениями модулей деформации, что гарантирует малые осадки оснований.

При замачивании оснований и их разрыхлении после морозного пучения указанные виды грунтов довольно часто приобретают мягко- и текучепластичное состояние. Модули деформации таких грунтов снижаются до значений 5 – 9 МПа, что приводит к сверхнормативным осадкам оснований сооружений

Прочностные характеристики четвертичных отложений (природные полутвердые и тугопластичные суглинки и глины) имеют довольно высокие значения: удельное сцепление колеблется в пределах 60 – 82 кПа, а угол внутреннего трения изменяется в диапазоне от 240 до 280. Такие значения сдвиговых характеристик позволяют принимать расчетные сопротивления оснований от 0,2 до 0,6 МПа. В мягко- и текучепластичных грунтах снижаются как сцепление (в 4 – 5 раз), так и угол внутреннего трения (в 2–3 раза), а несущая способность оснований может быть исчерпана при расчетных сопротивлениях 0,05 – 0,1 МПа.

Заторфованные грунты распространены в пониженных участках речных террас, занимая большие площади. Это слаборазложившиеся образования, максимальная мощность которых в районе г.Хабаровска достигает 12 м, а обычно они не более 2,5 м. Заторфованные грунты бурые рыхлые, находящиеся в переувлажненном состоянии с природной плотностью , пористостью , модулем деформации , основаниями сооружений служить не могут.



Элювиально-делювиальные отложения маломощным (1– 10 м) чехлом перекрывают высокие озерные и аллювиальные террасы и предгорья. Они состоят из суглинков, иногда глин с неравномерным содержанием крупнообломочных фракций. Количество обломочного материала возрастает с глубиной до 10 – 90%. По минеральному составу глинистые фракции гидрослюдистые с примесью монтмориллонита, гидроокислов железа и органического вещества. Плотность природных грунтов находится в пределах . Плотность сухого грунта , плотность частиц , естественная влажность .

Результаты определения деформативных характеристик четвертичных элювиальных отложений – глинистых грунтов с крупнообломочными (частицы крупнее 2 мм) включениями (дресва, щебень, гравий, галька) и крупнообломочных грунтов с заполнителем из супесей, суглинков и глин свидетельствуют о том, что роль крупнообломочных включений, при содержании их 40% и более значительно (в 4 –10 раз по сравнению с обычными глинистыми грунтами) сказывается на величине модуля деформации. Осадки оснований зданий и сооружений, сложенных указанными грунтами, как правило, бывают незначительные. Прочностные характеристики этих грунтов довольно своеобразны. С увеличением содержания крупнообломочной фракции растут значения угла внутреннего трения, но уменьшаются величины удельного сцепления. При большом содержании крупных обломков (70 – 90%) сцепление за счет глинистого заполнителя несущественно. Несущая способность таких оснований почти полностью определяется внутренним трением крупнообломочной фракции грунта.

В редких случаях на глубинах 2– 4 м под толщей глинистых грунтов залегают скальные и полускальные грунты, сложенные глинистыми, песчано-глинистыми окварцованными сланцами с различной степенью выветрелости. Природная плотность их лежит в пределах , плотность частиц . Пористость сланцев небольшая , иногда доходит до , водопоглощение равно 0,65 – 4,38%. Расчетное сопротивление сжатию плотных разностей сланцев равно 15 –120 МПа, рыхлых – 4 –15 МПа. Расчетное сопротивление оснований, сложенных сланцами, обычно принимается , учитывая их размягчаемость во времени при замачивании водой.



В Приханкайской равнине, а также в долинах рек Уссури и Раздольной, поверхностные отложения представлены четвертичными аллювиальными и озерными образованиями мощностью 2–140 м. На ограниченных предгорных участках развиты элювиально-делювиальные отложения четвертичного периода.

Аллювиальные отложения распространены в долинах рек, где они слагают пойму, I и II надпойменные террасы. Это преимущественно пылеватые пески, супеси, суглинки и глины. В долинах рек Уссури, Бикин, Раздольной и других распространены галечники. Петрографический состав галечника различный. В составе заполнителя преобладает крупный и средний песок.

Пески кварц-полевошпатовые, иногда с включением гравия до 23%. Плотность частиц песков колеблется в пределах . Плотность в природном сложении в среднем , пористость в рыхлом состоянии .

Супеси залегают обычно с поверхности. Для них характерно наличие фракций мелкого и пылеватого песка, содержание которых иногда достигает 40%. Остальные характеристики супесей представлены в табл. 1.3.

Суглинки и глины залегают в пойме рек. В минералогическом составе глинистой фракции преобладают гидрослюды и монтмориллонит. Вблизи русел развиты легкие суглинки. Часто встречаются суглинки и глины с примесью песчаной фракции более 10%.

Озерные четвертичные отложения слагают с поверхности останцы древних террас, которые примыкают к предгорьям и холмам. Они представлены, главным образом, тяжелыми глинами однородного состава. В минералогическом составе глинистой фракции доминирует монтмориллонит с примесью гидрослюды. Физические свойства глин указывают на значительную степень их уплотнения (табл. 1.3).

Таблица 1.3



Характеристики грунтов Приханкайской равнины

Характеристика грунта	Супеси	Суглинки	Глины
Плотность грунта r , г/см3	1,40 –1,80	1,84 – 2,07	1,85 – 2,09
Плотность частиц r s, г/см3	2,62 – 2,65	2,53 –2,77	2,58 –2,78
Естественная влажность, w	0,10 – 0,30	0,20 – 0,50	0,20 – 0,60
Коэффициент пористости, e	0,79 –1,27	0,54 – 0,92	0,55 –1,45
Число пластичности, Ip	3 –7	8 –17	18 – 25
Показатель текучести, Ii	0 –1	0 –1,25	0 –1,25
Угол внутреннего трения j , град	20 – 29	13 – 28	6 –24
Удельное сцепление c, Кпа	5 –13	16 – 25	1– 84
Модуль общей деформации Ео, МПа	9 – 33	5 – 39	5 – 33

<


Элювиально- делювиальные отложения четвертичного возраста распространены на отдельных участках и представлены глинами и суглинками часто с включением щебня. Содержание глинистой фракции составляет 25 – 30%, пористость , естественная влажность . По консистенции это тугопластичные и полутвердые грунты.

Торфяно-иловатые грунты встречаются в устье р. Раздольной и на террасах восточного и южного побережья оз. Ханка. Мощность илов в прибортовой части долины р. Раздольной составляет 9 м, а в центральной части – до 35 м. В поверхностной 2– 4-метровой толще встречаются прослои иловатых песков мощностью до 6 м. Илы водонасыщенные характеризуются следующими свойствами: плотность частиц , природная плотность , пористость , число пластичности . Консистенция илов текучая. Слабая уплотненность, высокая гидрофильность сопровождается их низкой механической прочностью.

Торф бурого или черного цвета, жидкий, водонасыщенный, плохо разложившийся. Естественная влажность , зольность 30 – 50%. Мощность толщи торфа не превышает 4 м. Итак, территория юга Дальнего Востока сложена довольно разнообразными грунтами, с которыми приходится встречаться изыскателям и строителям. В районах массовой застройки преобладают глинистые грунты. Часто основаниями сооружений служат пылеватые суглинки, реже – супеси и глины.

Исследованию указанных грунтов посвящен ряд работ [7, 8, 9].

Расчет фундамента на прочность при воздействии касательных сил пучения

Все типы фундаментов с вертикальными гранями в пучинистых грунтах должны проверяться на прочность (разрыв). В первую очередь это относится к свайным и столбчатым фундаментам, заанкеренным в талом или вечномерзлом грунте.

Расчет выполняется согласно соответствующим нормам в зависимости от материала фундамента. Расчетное усилие

, кН, разрывающее фундамент, определяется по формуле

.

                                                  (4.3)

Особое внимание необходимо уделять проверке на прочность при проектировании малонагруженных свайных и анкерных фундаментов, фундаментов незавершенного к зимнему периоду строительства. На практике наблюдались случаи разрыва ненагруженных свай, оставленных на зиму без защиты от промерзания и смерзания с пучинистым грунтом.

Расчет фундамента на устойчивость при совместном действии касательных и нормальных сил пучения

При неизбежности промерзания пучинистого грунта под подошвой фундамента в случае проектирования малозаглубленных фундаментов или незавершенного строительства, когда фундаменты оставляют на зиму без дополнительных мер по защите основания от промерзания, а проектом при определении расчетной глубины промерзания учитывался тепловой режим здания (рис. 4.2), на фундамент действуют следующие силы:

	расчетная удельная касательная сила пучения ;
	расчетная удельная нормальная сила пучения ;
	расчетная нагрузка на фундамент F.

При этих условиях устойчивость фундамента должна обеспечиваться при совместном учете нормальных и касательных сил пучения и проверяться по формуле

Рис. 4.2 Расчетная схема фундамента на промороженом основании

, (4.4)

где

– расчетная удельная нормальная сила (нормальное давление) пучения на подошву фундамента, кПа; – площадь подошвы фундамента, м2.

Нормальные силы пучения рекомендуется определять по опытным данным. Однако исследования нормальных сил пучения в полевых условиях – это сложный и трудоемкий процесс, поэтому они ограничены единичными экспериментами. Лабораторные исследования из-за сложности моделирования многофакторных натурных условий недостаточно достоверны.

Нормальные силы пучения наиболее опасны для сооружений, их значения могут в несколько раз превышать значения касательных сил пучения и достигать 800–1200 кПа и более [5, 8]. Значение удельной нормальной силы пучения зависит от напряженного состояния грунта и возрастает пропорционально понижению температуры, увеличению мощности слоя и скорости пучения промерзающего грунта, а также уменьшению площади подошвы фундамента. Расчет нормальных сил пучения и условие проверки устойчивости фундамента на промерзающем основании приведены в [22].

Значения нормального давления пучения

и условие проверки устойчивости фундамента на совместное действие касательных и нормальных сил изложены и в [24]. Согласно [23], значение прямо пропорционально глубине промерзания грунта d1, считая от подошвы фундамента, и определяется по формуле:

,                                                        (4.5)

где – коэффициент надежности (коэффициент перегрузки), равный 1.1; d1 – глубина промерзания грунта, считая от подошвы фундамента, м (см); – нормативное значение нормального давления морозного пучения, кПа/м (кгс/см2), создаваемое 1 м (1 см) промороженного слоя грунта, принимается по [23, табл. 2].

В скобках приведены обозначения и единицы измерения согласно [23]. Используя в расчетах единицы измерения системы СИ, необходимо значение из [23, табл. 2] умножать на коэффициент, равный .

Как правило, требование проверки на устойчивость фундамента при совместном действии касательных и нормальных сил пучения не удовлетворяется. В этом случае необходимо увеличить глубину заложения фундамента или разработать мероприятия по уменьшению сил пучения и глубины промерзания грунта, эффективнее запроектировать малозаглубленный фундамент, приспособив его и сооружение в целом к восприятию неравномерных деформаций пучения. Для этого следует применить следующие два направления: увеличение жесткости фундаментов и сооружения в целом и применение противопучинных мероприятий, изложенных в нормативной литературе [22, 23, 29, 34, 35, 36] и в разд. 6.

Расчет малозаглубленных фундаментов выполняется согласно [23, 30] и, кроме расчета по деформациям морозного пучения основания (см. разд. 5), включает проверку устойчивости на действие касательных сил пучения, действующих вдоль боковой поверхности фундамента, которая выполняется по следующей формуле:

.

                                                         (4.6)





4.4. Примеры расчета

Пример 4.1. Запроектировать из условия устойчивости на воздействие сил пучения фундамент наружной стены коттеджа, возводимого в г. Хабаровске при следующих условиях: 1) нагрузка по обрезу фундамента кН/м; 2) инженерно-геологический разрез представлен следующими грунтами (сверху вниз): суглинком мягкопластичным с показателем текучести , мощностью 1 м; суглинком тугопластичным с , мощностью 2,0 м, глиной полутвердой с дресвой и щебнем, вскрытой мощностью 1,5 м; 3) толщина наружной стены здания 640 мм; 4) здание без подвала; пол на лагах по грунту.

Для традиционного решения (ленточный фундамент) глубина заложения фундамента принимается не менее расчетной глубины промерзания.

Нормативная глубина промерзания определяется по формуле (2.1)

м.

Расчетная глубина промерзания в соответствии с формулой (2.2) определяется как

.

Согласно инженерно-геологическим условиям и расчету фундаментов по деформациям, принимается фундамент из сборных бетонных блоков шириной 60 см, высотой 150 см, глубиной заложения .

Проверка фундамента на действие касательных сил пучения выполняется по формуле (3.1)

кН/м;

кН/м.

Условие проверки не выполняется: .

Увеличение глубины заложения фундамента, замена ленточного фундамента на анкерный столбчатый фундамент не рациональны, так как требования проверки удовлетворяются при значительной глубине заложения. Проектирование свайных фундаментов может вызвать технологические трудности. Кроме этого, для всех перечисленных видов фундаментов сложно обеспечить устойчивость при действии касательных сил пучения в случае незавершенного к зиме строительства. Поэтому следует принять малозаглубленный фундамент в виде монолитной железобетонной ленты высотой

50 см по песчано-гравийной подушке высотой не менее 50 см, запроектированной по методу дренирующих прослоек [30].

Расчет фундамента на прочность выполняется как расчет балки на упругом основании с учетом деформаций пучения грунта, промерзающего под песчано-гравийной подушкой.


Пример расчета деформаций морозного пучения приведен в разд. 4.

Проверка устойчивости фундамента на действие касательных сил пучения выполняется по формуле (3.6)

кН/м;

кН/м.

Условие проверки выполняется: .

Для ликвидации касательных сил пучения рекомендуется выполнить обратную засыпку пазух ленточного фундамента ленты непучинистым грунтом.



Пример 4.2. Проверить устойчивость фундамента в случае незавершенного строительства, если он запроектирован с учетом теплового режима здания. Здание с подвалом глубиной от поверхности планировки 1,7 м. Фундамент – из сборных бетонных блоков и железобетонных подушек шириной 2 м, глубина заложения от уровня планировки 2,2 м, от пола подвала – 0,5 м. Нормальная нагрузка по подошве фундамента на период проверки – 250 кН/м. Инженерно-геологический разрез представлен (сверху вниз) насыпным грунтом мощностью 0,5 м; глиной тугопластичной с , мощностью 1,2 м, подстилаемой супесью пластичной с . Глубина заложения уровня подземных вод – 3,0 м. Место строительства – г. Хабаровск.

В случае незавершенного строительства, когда основание не защищено от промерзания, грунт может промерзнуть от пола подвала на глубину . Мощность мерзлого грунта под подошвой фундамента составит . Грунт основания относится к сильнопучинистым, так как глубина промерзания находится ниже уровня подземных вод. На фундамент будут действовать нормальные и касательные силы пучения.

Проверка устойчивости в этом случае выполняется по формуле (3.4)

кН/м,

.

Условие проверки не выполняется: .

Необходимо предусмотреть меры по защите основания фундамента от промерзания и уменьшению сил морозного пучения (разд. 6).

Учитывая инженерно-геологические условия площадки и возможное подтопление территории (повышение уровня подземных вод), проектное решение следовало откорректировать и устроить пластовый дренаж под зданием [30]. Подсыпка из непучинистого грунта под подошвой фундаментов уменьшит нормальные силы морозного пучения. Инженерно-мелиоративные мероприятия и защита основания на период строительства обеспечат устойчивость фундамента в заданных условиях.

Расчет фундамента на устойчивость при воздействии касательных сил пучения

В случае если глубина заложения фундамента больше глубины промерзания, на него действуют следующие силы (рис. 4), учитываемые в расчете на устойчивость:

– расчетная нагрузка на подошву фундамента F, кН, с коэффициентом надежности по нагрузке

. В расчет принимается наименьшее значение по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.);

– расчетная удельная касательная сила пучения

, кПа, определяемая опытным путем, а при отсутствии опытных данных по [21, табл. 2.41] или [24, табл. 9] (при строительстве на вечномерзлых грунтах);

– расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие или трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания, Fr¦ , кН, [21, п. 2.15], или смерзания фундамента с вечномерзлым грунтом, залегающим ниже деятельного слоя, Fr

, кН, [24, п. 4.43].

Для зданий, возводимых вне зоны распространения вечной мерзлоты, согласно [24] устойчивость фундамента на действие касательных сил пучения грунтов, прилегающих к его боковой поверхности, проверяется по формуле

,                                              (4.1)

где

, , – силы, действующие на фундамент; – площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м2; – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1.1; – коэффициент надежности, принимаемый равным 1.1.

Рис. 4.1. Схема фундамента на пучиноопасных грунтах при расчете по несущей способности: а) проверка на устойчивость; б) проверка на прочность (фундамент анкерного типа)

Табличные значения удельной касательной силы пучения

принимаются в зависимости от вида и влажности грунта, глубины промерзания, вида и состояния поверхности фундамента и класса здания.

Сила, действующая по подошве фундамента, F принимается равной расчетной постоянной нагрузке, то есть собственному весу сооружения, фундамента и грунта на его уступах с коэффициентом 0,9.

Расчетное значение силы , удерживающей фундамент от выпучивания за счет трения его о талый грунт, для фундаментов, имеющих вертикальные грани, определяется по формуле

,                                                              (4.2)

где – расчетное сопротивление талых грунтов сдвигу по боковой поверхности фундамента в j-м слое, кПа, допускается принимать по [26]; – площадь вертикальной поверхности сдвига в j-м слое грунта ниже расчетной глубины промерзания, м2. Значение для столбов без анкерной плиты принимается равным произведению толщины j-го слоя на периметр их сечения, для фундаментов с анкерной плитой – произведению толщины j-го слоя на периметр анкерной плиты; n – число слоев.

При проектировании малонагруженных столбчатых фундаментов с опорно-анкерными плитами (см. рис. 3.1,б) необходимо учитывать силы, возникающие в процессе пучения на верхней поверхности плиты и препятствующие выпучиванию фундамента. В этом случае расчет фундамента на устойчивость уточняется введением коэффициента к расчетной удельной силе пучения согласно [21, п. 2.154].

Расчет глубины заложения фундамента

Согласно нормам [20, 24] глубина заложения фундаментов должна приниматься с учетом глубины сезонного промерзания грунтов.

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d¦n принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов. При отсутствии данных многолетних наблюдений глубина промерзания определяется на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение допускается определять по формуле:

,

(3.1)

где Mt – безразмерный коэффициент, числено равный сумме абсолютных значений среднемесячных температур за зиму в данном районе (принимается по [25], а при отсутствии данных для конкретного пункта или района строительства – по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства); do – величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых 0,28 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности

0,3 м; крупнообломочных грунтов 0,34 м (do

для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенное в пределах глубины промерзания).

Для района г. Хабаровска нормативное значение глубины промерзания, согласно формуле (3.1), изменяется от 2,0 м (для суглинков и глин) до 2,5 м (для крупнообломочных грунтов).

Следует отметить, что при назначении глубины заложения фундаментов глубина промерзания грунтов определяется не по глубине проникновения в грунт температуры 0 оС, а уровнем, где грунт переходит из пластичномерзлого состояния в твердомерзлое.

Так для района г. Хабаровска глубина проникновения нулевой изотермы составляет 2,68 м.

Для районов, где глубина промерзания превышает 2,5 м, ее нормативное значение определяется теплотехническим расчетом, изложенным в [24].

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта d¦ , м, определяется по формуле

,

                                                                (3.2)

где kh – коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения (принимается согласно [20] или [21]; d¦n – нормативная глубина промерзания.

Как правило, глубина заложения фундаментов на пучинистых грунтах должна приниматься из условия недопущения промерзания основания согласно [20, табл. 2].

Например, для фундаментов под наружные стены отапливаемых сооружений глубина заложения d от уровня планировки должна быть не менее расчетной глубины сезонного промерзания , (рис. 3.2,а).

Глубина заложения фундаментов под внутренние стены отапливаемых сооружений не зависит от глубины промерзания.

Глубина заложения фундаментов под наружные и внутренние стены неотапливаемых зданий назначается не менее глубины промерзания . В случае наличия подвала или технического подполья глубина заложения и промерзания исчисляется от пола подвала или технического подполья по типу (рис. 3.2,б). При определении расчетного значения глубины промерзания коэффициент влияния теплового режима сооружения принимается равным 1.1 (кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой, где расчетная глубина промерзания определяется теплотехническим расчетом согласно [24]).

Глубина заложения фундаментов под наружные и внутренние стены отапливаемых сооружений с холодными подвалами, как и для неотапливаемых сооружений, принимается не менее расчетной глубины промерзания и считается от пола подвала (технического подполья). Только в этом случае коэффициент равен 1.0 и при расчете учитывается среднезимняя температура воздуха в подвале. Глубина заложения фундаментов под наружные стены принимается наибольшей из сопоставления глубины промерзания от пола подвала и от уровня планировки (см.


рис. 3.2,б).



Рис. 3.2. Назначение глубины заложения фундаментов под наружные стены: а) для отапливаемых сооружений; б) для отапливаемых сооружений с холодными подвалами или техническими подпольями.

Глубина заложения подошвы ростверка кустовых свайных фундаментов, как правило, принимается ниже глубины промерзания. Для ленточных свайных фундаментов допускается принимать глубину заложения ростверка независимо от глубины промерзания, устраивая в этом случае воздушный зазор или подушку из непучинистого грунта под подошвой ростверка.

Назначение глубины заложения фундамента ниже расчетной глубины промерзания не гарантирует обеспечения его устойчивости на действие касательных сил пучения и нормальных условий эксплуатации всего сооружения в целом. В условиях глубокого сезонного промерзания и обводнения территории, характерных для Дальневосточного региона, пучение грунтов оснований часто является причиной деформаций сооружений.

Для малонагруженных зданий и сооружений проверка устойчивости на действие касательных сил пучения удовлетворяется при значительной глубине заложения фундаментов. Небольшие нагрузки на фундамент обусловливают повышенную чувствительность зданий к силам морозного пучения. Все это приводит к значительному расходу материальных и трудовых ресурсов, а следовательно к удорожанию стоимости строительства.

Поэтому для определенных условий (малонагруженные сооружения, глубокое промерзание и обводнение территории) рекомендуется принимать малозаглубленные и незаглубленные фундаменты, то есть фундаменты с глубиной заложения выше расчетной глубины промерзания. Применение таких фундаментов позволяет значительно снизить трудозатраты и уменьшить стоимость их возведения. В сложных инженерно-геологических условиях Дальнего Востока для малоэтажных легких зданий и сооружений предпочтение следует отдавать незаглубленным фундаментам, так как это, во-первых, уменьшает неравномерность воздействия нормальных сил пучения, потому что не нарушается природная структура грунта, во-вторых, полностью исключает касательные силы пучения, в-третьих сокращает до минимума земляные работы.





3.4. Принципы расчета фундаментов



После выбора типа и глубины заложения фундамента по [24–26] определяют его размеры и выполняют поверочные расчеты по деформациям и по несущей способности. При строительстве на пучинистых грунтах для фундаментов на непромороженном основании (d і d¦ ) дополнительно выполняется проверка их устойчивости и прочности на воздействие касательных сил морозного пучения, действующих вдоль боковой поверхности фундамента. Расчеты выполняются согласно [20] или [21], положения расчетов изложены в разд. 4.

Проверка фундамента на действие касательных сил морозного пучения грунтов должна производиться как для законченного, так и для незавершенного к началу зимнего периода строительства сооружения. Если при этой проверке сила пучения окажется более удерживающей силы анкера (для фундаментов с опорно-анкерными плитами), массы фундамента и возведенной части сооружения, то в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предохранению грунта от промерзания и по уменьшению касательных сил пучения. Краткое описание мероприятий приведено в разд. 6.

Расчет малозаглубленных и незаглубленных фундаментов на промерзающих основаниях выполняется по рекомендациям [22, 23] и включает следующие проверки:

	расчет основания по деформациям морозного пучения грунта, промерзающего ниже подошвы фундамента, который приведен в разд. 4;
	расчет на прочность и эксплуатационную надежность фундаментов и надфундаментных конструкций с учетом деформаций морозного пучения [22];
	проверка устойчивости фундамента на действие касательных сил морозного пучения вдоль его боковой поверхности, см. подразд. 3.

При устройстве малозаглубленных и незаглубленных фундаментов предусматриваются преимущественно расчетно-конструктивные мероприятия, направленные не на преодоление сил морозного пучения, а на восприятие деформаций пучения, которые не должны превышать предельно допустимые значения для данного конструктивного типа зданий. Основной принцип конструирования таких фундаментов заключается в создании жесткой горизонтальной или вертикальной рамы (каркаса), объединяющей фундаменты всех стен здания.

Расчет малозаглубленных фундаментов по деформациям промерзающих пучинистых грунтов

Расчет основания по деформациям морозного пучения грунта, промерзающего ниже подошвы малозаглубленного фундамента, производится исходя из следующих двух условий [22]:

                                                           (5.1)

                                                     (5.2)

где

– расчетная величина подъема основания от пучения грунта под фундаментом с учетом давления под его подошвой; e

¦ p – расчетная относительная деформация пучения грунта основания под фундаментом; Su;

– соответственно предельные величины подъема и относительной деформации основания, принимаемые по табл. 5.1.

Расчет деформаций и сил морозного пучения грунтов основания, а также глубины заложения фундамента производится в следующей последовательности:

а) определяется степень пучинистости грунтов основания на основе материалов изысканий и данных табл. 2.1 или 2.2 и в зависимости от нее выбирается тип и конструкция фундаментов;

б) определяется величина морозного пучения

ненагруженного грунта при расчетной глубине сезонного промерзания ;

в) определяется расчетная величина подъема ненагруженного основания

исходя из глубины заложения фундамента, размеров его подошвы и толщины подушки из непучинистого материала;

г) определяется температурный режим и динамика сезонного промерзания грунтов основания, исходя из которых рассчитывается давление морозного пучения на подошву фундамента;

Таблица 5.1

Значения предельных деформаций основания

Конструктивные особенности зданий	Предельные деформации оснований фундаментов
подъем Su, см	относительные деформации
вид	величина
Бескаркасные здания с несущими стенами из панелей		2,5	Относительный прогиб или выгиб		0,00035
из блоков и кирпичной кладки без армирования	2,5	Относительный прогиб или выгиб		0,0005*
из блоков и кирпичной кладки с армированием или железобетонными поясами при наличии сборно-монолитных (монолитных) ленточных или столбчатых фундаментов со сборно-монолитными фундаментными балками	3,5	Относительный прогиб или выгиб		0,0006*
Здания стоечно-балочной конструкции	4,0	Относительная разность подъемов		0,005
Здания с деревянными конструкциями: на ленточных фундаментах		5,0	Относительный прогиб или выгиб		0,002
на столбчатых фундаментах	5,0	Относительная разность подъемов		0,006

<
* Допускается принимать большие значения , если на основании расчета стены на прочность будет установлено, что напряжения в кладке не превышают расчетных сопротивлений кладки растяжению при изгибе.

д) производится проверка условия, согласно которому среднее давление под подошвой фундамента не должно быть больше расчетного сопротивления материала подушки, а давление на глубине заложения подушки – расчетного сопротивления грунта, определяемого в соответствии со СНиП 2.02.01-83* [20];

е) производится расчет основания фундамента по деформациям морозного пучения грунта, удовлетворяющий условиям (4.1), (4.2);

ж) производится расчет фундамента по устойчивости на воздействие касательных сил морозного пучения.

В том случае, когда условия (4.1), (4.2) не удовлетворяются, весь расчет повторяется при назначении большей глубины заложения фундамента, увеличении толщины подушки, или предусматриваются дополнительные мероприятия по защите оснований и фундаментов от деформаций пучения.

Расчет напряженно-деформированного

Прогноз поведения зданий и сооружений на морозоопасных грунтах при статическом и динамическом воздействиях традиционными методами механики грунтов приводит к значительным трудностям математического характера. Экспериментальные работы не только сложны, но и дают ограниченную информацию. Эти трудности могут быть преодолены с использованием метода численного моделирования работы системы “основание – фундамент”. Решение задачи прогноза деформирования зданий и сооружений на пучиноопасных грунтах относятся к классу нелинейных задач механики грунтов в связи с значительными объемными и сдвиговыми деформациями грунтов, нередко с разрывами сплошности в виде образующихся морозобойных трещин. Значительные преимущества можно получить при проектировании оснований и фундаментов методом конечных элементов (МКЭ) в упругопластической постановке, позволяющим более полно использовать несущую способность грунтов основания [40]. МКЭ предоставляет возможность учитывать в расчетах разнообразные и сложные свойства рассматриваемых грунтовых сред [41]. В результате (морозное воздействие и последующее оттаивание системы “основание – фундамент”, поэтапное нагружение, моделирующее возведение сооружения и т. д.) в зависимости от накопленной пластической деформации грунтов в расчетах принимается упругопластическая модель грунтовой среды с критерием прочности Кулона, подчиняющаяся законам пластического течения. Массив грунта разбивается на мерзлую, промерзающую и талую области [45]. Деформации и напряжения в системе “основание – фундамент” в каждый момент времени рассматриваются как установившиеся при равнообъемном пучении.

Лабораторные исследования нормальных сил пучения впервые были проведены [8], который установил, что нормальные напряжения под фундаментом могут достигать 0,5–0,8 МПа, являясь при этом функцией влажности, скорости промерзания грунта, величины внешней нагрузки и сжимаемости талого подстилающего основания, и достигают максимальной величины 1–1,2 МПа в условиях отсутствия бокового расширения промерзания промерзающего грунта.

При одинаковой мощности слоя грунта, промерзшего под фундаментами, и приблизительно одинаковой температуре величина нормальных сил пучения понижается по мере уменьшения скорости перемещения грунта. Это значит, что с понижением скорости пучения грунта скорость деформации мерзлого пласта под фундаментом будет повышаться. Отсюда следует, что с уменьшением интенсивности пучения, а также с увеличением продолжительности периода действия сил пучения на подошву фундамента величина их при равных прочих равных условиях будет понижаться [46]. Анализ напряженно-деформированного состояния промерзающего грунта показывает, что при том незначительном силовом эффекте, который вызывается нарушением динамического равновесия грунта при переходе его из жидкой фазы в твердую, величина нормальных сил пучения обусловливается прочностью структурных связей (сцеплением) мерзлого грунта на площади промерзающего массива, значительно превышающей площадь подошвы фундамента. Это значит, что основная роль в динамике нормальных сил пучения принадлежит напряженному состоянию грунта, находящегося на грани подошвы фундамента. Интенсивное льдовыделение в слое мерзлого грунта приводит к нарушению его прочностных свойств под подошвой фундамента, определяет величину нормальных сил пучения.

Развивающееся при замерзании воды давление при сочетании определенных условий промерзания способно вызвать горизонтальное смещение мерзлого грунта значительной мощности, причем величина этого смещения будет увеличиваться по мере приближения к поверхности грунта.

Согласно экспериментальным данным при промерзании грунта до глубины 1,8–2,0 м величина гидродинамического давления при переходе из талого состояния в мерзлое для условий г. Хабаровска (для пылеватых суглинков, имеющих влажность 24–28%) достигает величины 50–75 кПа [44], изменяющегося по глубине по экспоненте. Прочностные и деформационные показатели мерзлого и оттаявшего слоя грунта зависят от температуры промерзания и оттаивания, а при оттаивании и от солнечной экспозиции [43].

Решение задачи прогноза осадок зданий и сооружений, процесса промерзания и оттаивания грунтов основания относится к классу нелинейных задач механики грунтов, реализация которых возможна численными методами с помощью ЭВМ. Решения плоской задачи теории упругости методом конечных элементов (МКЭ) достаточно подробно изложено в литературе [40, 41]. Ниже приводится описание решения МКЭ упругопластической (УП) задачи о напряженно-деформированном состоянии (НДС) системы “основание – фундамент” с учетом свойств грунтов в условиях плоской деформации, реализованной авторами в программе “Геомеханика CREEP” с использованием процедуры начальных напряжений. Результаты решения по программе (перемещения фундаментов, подземных конструкций и всех точек талой, промерзающей и мерзлой зон, а также компонентов всех напряжений) представляются в графическом и табличном видах, что весьма удобно для исследования и принятия конструктивных решений [40].

Строительно-конструктивные решения

Строительно-конструктивные противопучинные мероприятия предусматривают, главным образом, повышение эффективности работы конструкций фундаментов и сооружений в морозоопасных грунтах. Эти мероприятия направлены на следующее:

	полное уравновешивание сил пучения;
	снижение сил и деформаций пучения;
	приспособление конструкций зданий и сооружений к неравномерным деформациям пучинистых грунтов.

Для реализации первых двух направлений при проектировании необходимо, в первую очередь, сделать правильный выбор вида фундамента.

Наиболее эффективными для устройства на пучиноопасных грунтах являются следующие виды фундаментов.

Свайные с анкеровкой свай в талом или мерзлом (при строительстве на вечномерзлых грунтах) слое согласно расчету на устойчивость.

Предпочтение следует отдавать буронабивным сваям в пробитых, выштампованных или раскатанных скважинах, с уширением на конце и с малой площадью поперечного сечения в зоне промерзания; забивным плоскопрофилированным сваям (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Свайные фундаменты, рекомендуемые для устройства в пучиноопасных грунтах: а) буронабивная свая с уширением; б) буронабивная свая в пробитой скважине с уширением из уплотненного щебнем грунта; в) буронабивная свая переменного сечения; г) плоскопрофилированная свая; 1 – песчанно-гравийная смесь; 2 – асбестоцементная труба (инвентарная опалубка); 3 – щебень.

Столбчатые фундаменты с опорой (анкерной плитой) ниже деятельного слоя. Рекомендуется уменьшать количество отдельно стоящих опор для увеличения на них нагрузки, уменьшать сечение и устраивать наклонные боковые грани (до 1о–2о). Необходимо предусматривать зазор под рандбалкой или цокольной панелью величиной не менее 20 см.

Фундаменты на локально уплотненном основании из забивных блоков, устраиваемые в вытрамбованных котлованах.

Малозаглубленные или незаглубленные фундаменты в виде плит, лент, лежней и блоков на подсыпке из непучинистого материала, в том числе армированной геотекстилем (дорнитом). Выбор конструкций фундамента помимо назначения здания и конструктивного решения его надземной части определяется степенью и неравномерностью пучения грунтов основания.

Этот вид фундаментов наиболее эффективен для малонагруженных зданий и сооружений.

Нормативные документы [22, 23] рекомендуют использовать малозаглубленные и незаглубленные фундаменты для одно-, двухэтажных преимущественно сельскохозяйственных зданий, возведенных на однородных грунтах с глубиной промерзания до 1,7 м.

Инженерно-геологические условия большинства районов Дальнего Востока характеризуются сложным неоднородным литологическим строением грунтов, большой глубиной промерзания (более 2м), а в пределах городской и поселковой застройки – подтоплением территории, что значительно ухудшает условия работы конструкций на пучинистых грунтах.

Однако применение малозаглубленных фундаментов в Дальневосточном регионе правомерно, в том числе, и для ответственных, нагруженных зданий и сооружений. В этом случае, а также при строительстве на чрезмерно и сильнопучинистых грунтах, предпочтение следует отдавать монолитным железобетонным перекрестным лентам и плитам.

Материалом для подушки может служить песок гравелистый, крупный и средней крупности, гравий или щебень. Целесообразно устройство песчано-щебеночной (гравийной) подушки с соотношением песчаных и щебенистых (гравийных) фракций соответственно 40% и 60%.

Устройство подушек следует выполнять с послойным трамбованием и защитой от поверхностных вод. При высоком уровне подземных вод и верховодке необходимо предусматривать меры по предохранению материала подушки от заливания окружающим пучинистым грунтом (обработка грунта по контуру подушки различного рода вяжущими веществами, использование полимерных материалов) и по отводу воды из-под фундаментов (проектирование подушек по методу дренирующих прослоек [30]).

Для строительства на слабых неоднородных пучинистых грунтах ДальНИИС разработана конструкция фундаментов на щебеночной подушке с компенсатором осадок. Подобную конструкцию рекомендуется использовать и для заглубленных фундаментов зданий с подвалом для защиты их от пучения на период строительства и обводнения подвалов в период эксплуатации.


Высота подушки определяется расчетом малозаглубленных или незаглубленных фундаментов по деформациям пучения грунта, промерзающего под фундаментом, и принимается, как правило, не менее 50–100 см.

Однако в ДВГУПС разработан принцип расчета плитных фундаментов, позволяющий учитывать основные возможные деформации грунтов основания и отказаться от устройства подушки [33].

Для снижения сил и деформации пучения рекомендуются следующие строительно-конструктивные мероприятия:

для отвода поверхностных вод от фундаментов устраивать навесные цокольные козырьки или отмостку с уклоном 3–5%, перекрывающую обратную засыпку пазух;

для уменьшения глубины промерзания возле фундаментов устраивать цокольные засыпки из теплоизоляционного материала, отмостки из керамзито-, шлако-, пенобетона или из эффективного теплоизоляционного материала в защитной “рубашке” шириной не менее 1,5 м, предусматривать снегозадержание;

обратную засыпку пазух фундаментов на глубину промерзания производить непучинистым грунтом с послойным трамбованием и обязательно предусматривать защиту пазух от обводнения и отвод воды (устройство дренажа). Ширина засыпки непучинистым грунтом понизу должна быть не менее 50 см;

уменьшать шероховатость боковой поверхности фундаментов в пределах промерзания пучинистого грунта. Применять для обмазки вязкие несмерзающиеся материалы, а также гидрофобизирующие пропитки.

В качестве таких материалов могут быть применены битумная мастика, пластические смазки (синтетический солидол “С”, ЦИАТИМ-201, БАМ-3, БАМ-4), кремнийорганические соединения, эпоксидные смолы, фураново-эпоксидная композиция, полимерные пленки, гидроизол. Основные указания по использованию перечисленных веществ приведены в Рекомендациях [34–36].

Для гидрофобизирующей пропитки рекомендуется применять жидкие нефтяные битумы, жидкие каменноугольные дегти, торфяные и древесные дегти, фурфуроланилиновые смолы;

5) следует назначать воздушный зазор между поверхностью грунта и фундаментной балкой, ростверком или выступающими конструкциями фундамента в местах ввода коммуникаций.


Величина зазора должна быть больше расчетной величины пучения и не меньше 20 см.

Для приспособления фундаментов и надземной части сооружения к неравномерным деформациям пучинистых грунтов рекомендуются следующие строительно-конструктивные мероприятия:

применение фундаментов рамной конструкции или в виде сплошной железобетонной плиты;

устройство железобетонных или армокирпичных поясов, располагаемых на уровне междуэтажных перекрытий или перемычек над проемами, а также по обрезу фундамента;

устройство осадочных швов в сооружениях, имеющих сложное очертание в плане, большую протяженность, а также с резко отличающимся тепловыделением у наружных стен;

сборные фундаментные блоки и башмаки (плиты) надлежит замоноличивать с тем расчетом, чтобы фундамент не был разделен по швам касательными силами морозного пучения.



Рис. 6.2. Сборный ленточный фундамент на средне- и сильнопучинистых грунтах: а) вид ленточного фундамента; б) бетонный блок с отверстиями для установки арматуры; в) соединение арматурных стержней между собой и фундаментной подушкой: 1 – арматурные стержни с крюками; 2 – петля фундаментной подушки

Замоноличивание сборного ленточного фундамента рекомендуется производить во время монтажа путем пропуска через отверстия в блоках арматурных стержней, а затем заполнять отверстия раствором. Арматурные стержни изготовлять с крюками с обоих концов и длиной, равной высоте фундаментного блока (рис. 6.2).



Рис. 6.3. Монолитное соединение стойки с анкерной плитой: а) на сварке; б) на болтах: 1 – опорный лист стойки, d = 10 мм; 2 – опорный лист плиты, d = 10 мм; 3 – рамка из уголков, привариваемая к каркасу стойки; 4 – анкеры опорного листа Ж і 14 мм и длиной 20 Ж ; 5 – анкерные болты

Сборные столбчатые анкерные фундаменты должны быть соединены с анкерной плитой монолитно или при помощи сварки закладных деталей и соединения болтами (рис. 6.3).

В пособии приводится современный взгляд

В пособии приводится современный взгляд на природу и механизм морозного пучения грунтов и его воздействия на основания и фундаменты сооружений различного назначения. Дается краткая характеристика природных условий южной части Дальнего Востока, включая восточный участок БАМа; статистический анализ причин деформаций сооружений, расположенных на этой территории; классификация пучиноопасных грунтов и способы расчета интенсивности пучения.
Приводятся рекомендации по выбору типа фундаментов, методика расчета устойчивости фундаментов на воздействие сил пучения и осадки оттаивающих оснований, как традиционными методами, так и численным моделированием методом конечных элементов в упругопластической постановке; рекомендации по предупреждению и защите оснований и фундаментов от возможных деформаций, а также способы усиления поврежденных сооружений.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей: 2903 – промышленное и гражданское строительство; 2908 – водоснабжение и водоотведение; 2909 – строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство; 2911 – мосты и транспортные тоннели при изучении дисциплин “Механика грунтов, основания и фундаменты”, “Строительная климатология и инженерное мерзлотоведение”, “Строительство и проектирование зданий в особых условиях”, выполнении курсового и дипломного проектирования по данным курсам, проведении исследовательских работ в студенческом научном обществе, а также для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций.
Рис. 20, табл. 12, список лит. – 46 назв.
Рецензенты: кафедра “Основания и фундаменты” Петербургского государственного университета путей сообщения, профессор, д-р техн. наук Н.Н. Морарескул; доцент каф. “Мосты, основания и фундаменты” ХГТУ

канд. техн. наук Н.И. Горшков.
У Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), 1999

ВВЕДЕНИЕ

В действующих нормативных документах [19–26] методика проектирования фундаментов (открытого заложения и свайных) в пучинистых грунтах дана в неполном объеме, расчет величин пучения и осадки оснований (при оттаивании) приведен в технической литературе [27–29, 30, 33], изданной небольшим тиражом, поэтому малодоступной студентам.



Основания, подвергающиеся сезонному промерзанию – оттаиванию, должны проектироваться с учетом морозного пучения грунтов. Морозное пучение – это процесс деформирования влажных дисперсных грунтов и почв, выражающийся в увеличении объема грунтов и неравномерном поднятии их поверхности вследствие замерзания воды и образования ледяных включений. При последующем оттаивании в этих грунтах происходит обратный процесс, сопровождающийся их разуплотнением, осадкой и снижением несущей способности. Напряжения и деформации, возникающие в грунте в процессе пучения, могут вызвать недопустимые перемещения и серьезные повреждения зданий и сооружений.
Анализ причин деформации сооружений свидетельствует о том, что из общего количества деформирующихся объектов, в пределах южной части Дальневосточного региона 67% зданий промышленного и гражданского назначения повреждается и разрушается за счет морозного пучения грунтов оснований, что приносит невосполнимый экономический ущерб строительной индустрии [18]. Следовательно, проектирование фундаментов в пучинистых грунтах должно производиться с решением комплекса задач, включающих расчет устойчивости фундаментов в пучинистых грунтах по первому (расчет на действие сил пучения) и второму (расчет величины пучения и осадки) предельным состояниям, разработку способов защиты оснований и сооружений от возможных деформаций.
Проблема проектирования и строительства на пучинистых грунтах особенно остро стоит в Дальневосточном регионе. Усугубляется она суровым климатом (глубоким сезонным промерзанием, наличием вечномерзлых грунтов) и особенностями инженерно-геологических условий региона, а в городах и поселках – подтоплением территории (появлением верховодки, подъемом уровня подземных вод), которое в настоящее время все чаще наблюдается на застраиваемых площадках.
В учебном пособии обобщен тематический материал, необходимый для выполнения всего комплекса расчетов фундаментов в пучиноопасных грунтах, особенности и насущность проблемы, оно помогает приобрести знания и навыки в принятии верных решений как при проектировании фундаментов, так и при ликвидации последствий пучения.
Авторы благодарят доктора геолого-минералогических наук А.Э.Даммера за участие в составлении первой главы пособия, старшего научного сотрудника Г.П.Богданова (ДальНИИС) за помощь в обработке статистических материалов по деформации сооружений.

Защита оснований и фундаментов от деформации пучения

В случае, если устойчивость сооружений на действие сил пучения не обеспечивается, или в случае необходимости уменьшения деформаций пучения, разрабатываются мероприятия по уменьшению сил и величины пучения грунта. Противопучинные мероприятия делятся на строительно-конструктивные, инженерно-мелиоративные, физико-химические и комбинированные.

Защита оснований на период строительства

При производстве работ нулевого цикла требуется защищать пучинистые грунты от промерзания и дополнительного водонасыщения. Для этих целей рекомендуется использовать отдельные решения или комплекс мероприятий, перечисленных выше.

Кроме этого, отрывать котлованы и траншеи необходимо в строгом соответствии с требованиями действующих нормативно-технических документов. При этом следует сократить время между разработкой котлована и укладкой фундаментов; между устройством фундаментов и обратной засыпкой пазух котлована. Засыпку пазух производить послойно с тщательным уплотнением и обеспечением стока поверхностных вод вокруг сооружения. В период строительства необходимо строго контролировать состояние водонесущих коммуникаций и не допускать утечек. Производство работ нулевого цикла желательно выполнять в летний период. В случае устройства фундаментов зимой или консервации объекта следует применять меры по защите пучинистых грунтов от промерзания.

В целях уменьшения глубины промерзания грунтов во время строительства практикуют применение временных теплоизоляционных покрытий из снега, опилок, шлака, минеральной ваты и других эффективных материалов. Требуемая толщина и ширина слоя теплоизоляции рассчитывается согласно методике, приведенной в Рекомендациях (29). Практика показала, что в южных и центральных районах Хабаровского края примерно в 2 раза можно уменьшить глубину промерзания грунта путем укладки снега слоем до 0,5 м, котельного шлака – 0,3 м, керамзита – 0,2 м, пенопласта – 0,06 м; ширина слоя утеплителя, выходящего за грань фундамента, должна быть не менее 1,5–2,0 м. При применении таких теплоизоляционных материалов, как опилки, шлак, керамзит, минеральная вата необходимо предусматривать их гидроизоляцию.

Наиболее эффективным мероприятием по защите основания от промерзания является снегозадержание. Для этого производят посев трав, кустарников, устанавливают специальные ветрозащитные щиты. Сохранение почвенно-растительного слоя, мха на площадке или одерновка территории тоже способствуют существенному уменьшению глубины промерзания, а наличие слоя снега уменьшает ее на порядок.

Список литературы



Ливеровский Ю.А., Колесников Б.П. Природа южной половины Советского Дальнего Востока. – М.: Госгеографиздат, 1949. – 382 с.

Климат Хабаровска / Под ред. Ц.А. Швер. – М.: Гидрометеоиздат, 1981. – 85 с.

Геологическое строение и инженерно-геологические условия Хабаровска и его окрестностей / В.Г.Варнавский, А.Э.Даммер, И.М.Тюрин и др. – Хабаровск: Изд-во ИВЭП, 1991. – 112 с.

Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высшая школа, 1973. – 448 с.

Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением. – Л.: Стройиздат, 1978. –176 с.

Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Стройиздат, 1989. – 415 с.

Паталеев А.В. Фундаменты в пучинистых грунтах. – Хабаровск: Хабаровское книжн. изд-во, 1955. – 96 с.

Морарескул Н.Н. Исследование нормальных сил пучения: Автореф. дис. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. – Л.: ЛИСИ, 1950. – 26 с.

Матвеев В.Д. Исследование условий, допускающих заложение фундаментов на промороженные грунты в Хабаровском крае и Амурской области. – Хабаровск: ДВПИ, 1969. – 19 с.

Петрухин Н.А. Закономерности взаимодействия пучинистых грунтов с фундаментами сооружений в районах вечной мерзлоты: Автореф. дис. на соиск. ученой степ. докт. техн. наук. – М.: НИИОСП, 1971. – 29 с.

Тютюнов И.А., Нерсесова З.А. Природа миграции воды в грунтах при промерзании и основы физико-химических приемов борьбы с пучением. – М.: АН СССР, 1963. – 158 с.

Деформации и напряжения в промерзающих и оттаивающих породах / Под ред. Э.Д. Ершова. – М.: Изд-во МГУ, 1985. – 167 с.

Инженерно-геологические и гидрогеологические особенности, определяющие условия транспортного строительства на Дальнем Востоке: Сб. тр. / Под ред. И.М.Тюрина. – Хабаровск: ХабИИЖТ, 1985. – 124 с.

Проблемы фундаментостроения на пучинистых грунтах: Сб. тезисов докл. и сообщ. конф. – Чита: Забайк. филиал географ. о-ва. СССР, 1985. – 118 с.

Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья: Сб.


тез. докл. и сообщ. конф. – Чита: Забайк. филиал географ. о-ва. СССР, 1987. – 176 с.

Прогрессивные типы фундаментов в условиях Восточной Сибири и Дальнего Востока и пути их внедрения в производство: Сб. тезисов докл. к первому регион. коорд. совещ.-семинару, 20–22 сентября 1988 г. – Владивосток: ДальНИИС, 1988. – 254 с.

Тюрин И.М., Кудрявцев С.А., Выходцева И.Н. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в пучиноопасных грунтах: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. – Хабаровск: ДВГУПС, 1997. – 68 с.

Kudrayvtsev S.A., Turin I.M. Тhe research of a strain-deformed condition of the foot foundations on frost heaving soils of a southern part of the Far Eastern. Geocryological problems of construction in Eastern Russia and Northern China. Proceedings of International Symposium. Yakutsk: SB RAS Publishers. 1998. – Vol. 1. – С. 17–22.

Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Велли, В. Докучаева и др. – Л.: Стройиздат, 977. – 552 с.

СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений / Минстрой России. – М.: ГП ЦПП, 1995. – 48 с.

Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) / НИИОСП. – М.: Стройиздат, 1986. – 415 с.

Рекомендации по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах / НИИОСП. – М.: 1985. – 60 с.

Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах / НИИОСП. – М.: Стройиздат, 1979. – 39 с.

СНиП 2.02.04–88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. – 56 с.

СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика/ Госстрой СССР. – М.: Стройиздат, 1983. – 136 с.

СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. –М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. – 48 с.

Федоров В.И. Процессы влагонакопления и морозоопасность грунтов в строительстве. – Владивосток: ДальНИИС, 1992. – 178 с.

Киселев М.Ф. Мероприятия против деформации зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов.


–М.: Изд-во лит. по стр-ву, 1971. – 103 с.

Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов / ПНИИИСю. – М.: Стройиздат, 1986. – 72 с.

Федорова Н.Я., Федоров В.И. Указания по проектированию и устройству фундаментов и подвалов зданий и сооружений в глинистых грунтах по методу дренирующих прослоек. – М.: Гос. изд-во лит. по стр-ву, архитектуре и строит. материалам, 1963. – 27 с.

Расчетные климатические характеристики для проектирования зданий и сооружений на Дальнем Востоке (дополнение к строит. нормам и правилам, ч. II) / Под ред. А.В.Стоценко. – Владивосток: ДальНИИС, 1960. – 168 с.

Горяинов Г.Ф. О нормативной глубине промерзания грунтов на Дальнем Востоке // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1973. – № 5. – C. 7–10.

Руководство по проектированию малонагруженных зданий со сплошными незаглубленными фундаментными плитами на слабых, насыпных и пучинистых грунтах / ДальНИИС, ХабИИЖТ. – Владивосток, 1987. – 51 с.

Рекомендации по применению противопучинных покрытий столбчатых и ленточных фундаментов зданий и сооружений, возводимых в районе БАМа / СибЦНИИС. – М.: Всесоюзный НИИТС, 1977. – 25 с.

Рекомендации по снижению сил примерзания грунта к строительным конструкциям физико-химическими методами / НИИОСП. – М.: Стройиздат, 1975.

Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганичных смесей / НИИОСП. – М.: Стройиздат, 1980.

Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Моренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1977. – 184 с.

Орлов В.О., Елгин Б.Б., Железняк И.И. Морозное пучение грунтов в расчетах оснований сооружений. – Новосибирск: Наука, 1987. – 136 с.

Морозоопасные грунты как основания сооружений / В.О. Орлов, И.И. Железняк, В.Д. Филиппов и др. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. – 168 с.

Фадеев А.Б., Бакенов Х.З, Кудрявцев С.А. Решение задач механики грунтов, оснований и фундаментов методом конечных элементов с использованием ЕС ЭВМ.


– Хабаровск. ХабИИЖТ, 1989. – 42 с.

Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. – М.: Недра, 1987. – 221с.

Фадеев А.Б., Сахаров И.И., Репина П. И. Численное моделирование процессов промерзания и пучения в системе “фундамент –– основание” // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1994. – № 5. – С. 6–9.

Далматов Б.И., Кудрявцев А.А. Анализ результатов наблюдений за состоянием зданий с подвалами, возводимых в зимних условиях // Рациональные методы устройства фундаментов в районах глубокого сезонного промерзания грунтов. – Л.: НТО Сройиндустрия, 1964. – Вып. 3.

Паталеев А.В., Алаев Г.С. Величина сил выпучивания в Хабаровске / Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1965. –

№ 6. – С. 8–9.

Ершов Э.Д. Физика, химия и механика мерзлых пород – М.: Изд-во МГУ, 1986. – 336 с.

Кудрявцев С.А. Информационная технология проектирования оснований и фундаментов юга Дальнего Востока // Новые информационные технологии и автоматизированные системы: Материалы международной научно-практической конф. – Хабаровск: ДВГУПС, 1998. – С. 200–205.

---