МЕРОПРИЯТИЯ ПО УСТРОЙСТВУ НЕЗАГЛУБЛЯЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ
6.3.
При устройстве незаглубляемых фундаментов не проявляются касательные силы
морозного выпучивания и, следовательно, исключается возможность возникновения и
накопления остаточных неравномерных деформаций при промерзании и оттаивании
грунтов. Таким образом, основные мероприятия по обеспечению устойчивости и
эксплуатационной пригодности зданий и сооружений сводятся к подготовке грунтов
оснований для укладки на них фундаментов с целью снижения деформаций морозного
пучения и приспособления конструкций фундаментов и надфундаментного строения, к
знакопеременным деформациям.
Нормальные
силы морозного пучения в большинстве случаев превышают вес надфундаментного
строения, т.е. они не уравновешиваются нагрузкой на фундамент и тогда основным
фактором, влияющим на выпучивание фундамента будет величина деформации или
пучения грунта. Если же величина морозного пучения не пропорциональна значениям
нормальных сил пучения, то в мероприятия следует направить не на преодоление
нормальных сил морозного пучения, а на снижение значений деформации пучения до
предельно допустимых величин.
В
зависимости от наличия вблизи площадки непучинистых грунтов или материалов для
устройства подушек под фундаментные плиты можно применять песок крупный и
средней крупности, гравийно-галечник, мелкий щебень, котельный шлак, керамзит и
различные горнопромышленные отходы.
На
площадках с насыпными или намывными грунтами проектирование незаглубленных
фундаментов виде плит и
лежней следует выполнить в соответствии с требованиями разд. 10 главы СНиП по проектированию
оснований зданий и сооружений.
При
устройстве незаглубляемых ленточных фундаментов под сборные одноэтажные здания
надлежит руководствоваться следующими рекомендациями:
а) на
спланированной площадке после разбивки осей укладывается песчаная, подсыпка под
наружные стены толщиной 5-8 см и шириной 60 см. Устанавливается опалубка,
укладывается арматура (три стержня диаметром 20 мм) и производится
бетонирование (сечение ленты 30×40 см). На чрезмерно пучинистых грунтах,
особенно в пониженных элементах рельефа, рекомендуется монолитный ленточный
фундамент укладывать на подсыпках толщиной 40-60 см, но при этом насыпной грунт
подсыпки следует максимально уплотнить;
б)
после окончания фундаментных работ надлежит закончить планировку площадки
вокруг дома с обеспечением стока воды от здания;
в) на
среднепучинистых, слабопучинистых и практически непучинистых грунтах можно
устраивать ленточные фундаменты из сборных железобетонных блоков сечением
25×25 см и длиной не менее 2 м;
г)
согласно типовому проекту обязательно следует выполнить укладку отмостки
снаружи дома шириной 0,7 м, посадить декоративные кустарники, подготовить
почвенный слой вокруг дома и посеять семена дернообразующих трав. Планировка
участков под задернение должна быть выполнена под линейку.
7
Требования к расчетам фундаментов на пучинистых грунтах
7.1 Проектирование оснований и фундаментов зданий и
сооружений на пучинистых грунтах должно содержать расчеты по предельным
состояниям. Расчет по предельному состоянию первой группы состоит в определении
устойчивости фундаментов (сооружений), а именно:
— на действие нормальных сил морозного пучения;
— на действие горизонтальных касательных сил морозного
пучения;
— на совместное действие нормальных и касательных сил
морозного пучения.
Расчет по предельному состоянию второй группы состоит в определении
деформаций фундаментов (сооружений), а именно:
— подъема при промораживании грунта;
— относительной разности перемещений при подъеме;
— осадки при оттаивании грунта;
— относительной разности перемещений при осадке.
Расчет по предельным состояниям первой группы
7.2
Устойчивость свайных фундаментов, фундаментов мелкого заложения и
малозаглубленных (незаглубленных) фундаментов, в том числе возводимых на
территории распространения многолетнемерзлых грунтов, на действие касательных
сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию
где τfh
— расчетная удельная касательная сила пучения, кПа, принимаемая согласно 7.3;
Afh — площадь боковой поверхности
смерзания сваи или фундамента в пределах расчетной глубины сезонного
промерзания-оттаивания грунта или слоя искусственно замороженного грунта, м2;
F — расчетная нагрузка на сваю или фундамент, кН,
принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и
воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.);
Frf — расчетное значение силы,
удерживающей сваю или фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой
поверхности о талый (мерзлый) грунт, лежащий ниже расчетной глубины
промерзания, кН, принимаемое согласно 7.7;
γс — коэффициент условий работы,
принимаемый равный 1,0;
γn —
коэффициент надежности по назначению сооружений, принимаемый равный 1,1, а для фундаментов
опор мостов — 1,3.
7.3 Расчетную удельную касательную силу
морозного пучения τfh,
кПа, следует определять опытным путем по результатам полевых или лабораторных
испытаний (7.4 — 7.6). Для сооружений 1 и 2 геотехнических категорий
значения τfh допускается
принимать по таблице 7.1 в зависимости от состава, влажности и глубины
сезонного промерзания-оттаивания грунтов df(dth).
7.4 В полевых условиях касательная сила
морозного пучения определяется в соответствии с ГОСТ
27217, распространяющемся на грунты без жестких структурных связей. В ходе испытаний
на специальных установках удельную касательную силу морозного пучения
определяют как отношение измеренной при испытаниях максимальной касательной
силы морозного пучения, действующей на образец фундамента, к площади его
боковой поверхности, находящейся в промерзающем грунте, по формуле
где F —
максимальная касательная сила морозного пучения, зарегистрированная показаниями
приборов, МН;
u — периметр поперечного
сечения образца фундамента, м;
df — глубина сезонного промерзания
(оттаивания) грунта, м;
G — вес образца фундамента, МН.
7.5 В лабораторных условиях удельная
касательная сила морозного пучения определяется в соответствии с ГОСТ
Р 56726. Испытания проводят на водонасыщенных образцах грунта природного
или нарушенного сложения с заданной плотностью и влажностью с учетом возможных
изменений водно-физических свойств грунта в процессе строительства и
эксплуатации сооружения.
Удельные
касательные силы морозного пучения грунта определяют по значению устойчивого
сопротивления сдвигу образца мерзлого грунта относительно поверхности образца
фундамента, полученному по результатам испытаний в устройстве, обеспечивающем
срез грунта по поверхности смерзания с постоянной скоростью перемещения по
формуле
где Q —
сдвигающее усилие в конце испытания, кН;
А — площадь смерзания образца грунта с поверхностью
модели фундамента, м2.
7.6 В соответствии с СП
25.13330 касательные силы морозного пучения грунта определяются следующим
образом:
— Строятся графики изменения температуры грунта по глубине
до границы фазовых переходов (до глубины промерзания грунта df).
Значения температуры грунта определяют на площадке строительства или по данным
ближайших метеостанций. Допускается определять температуру грунта по глубине
расчетным путем, в том числе численными методами (6.9 и 6.11).
— График изменения во времени температуры разбивается на три
характерных участка (рисунок 7.1):
первый участок — от глубины промерзания грунта до глубины,
на которой зафиксирована температура минус 1 °С;
второй участок — от глубины, на которой зафиксирована
температура минус 1 °С, до глубины, на которой зафиксирована температура минус
2 °С;
третий участок — от глубины, на которой зафиксирована
температура минус 2 °С, до поверхности грунта;
—
Касательная сила морозного пучения определяется по сумме произведений удельной
касательной силы морозного пучения, полученной в лабораторных условиях (7.5) для разных температур (минус 1 °С,
минус 2 °С, минус 6 °С), и площади боковой поверхности фундамента, где
температура грунта соответствует указанным выше значениям:
где τfh1,
τfh2, τfh3
— удельные касательные силы пучения, кПа, определяемые для температур: минус 1
°С, минус 2 °С и минус 6 °С;
А1, A2,
А3 — площади боковой поверхности фундамента для трех
участков.
Рисунок 7.1 — Схематический график распределения температуры
грунта
для расчета касательной силы морозного пучения
7.7 Значение силы Frf,
удерживающей от выпучивания фундамент, в зависимости от грунтовых условий
следует определять по формулам:
— при
строительстве на немерзлых грунтах и на многолетнемерзлых грунтах по принципу
II (СП
25.13330)
— при строительстве на многолетнемерзлых
грунтах по принципу I (СП
25.13330)
где u — периметр сечения поверхности
сдвига, м, принимаемый равный:
— периметру сечения фундамента (сваи) — для свайных и
столбчатых фундаментов без анкерной плиты;
— периметру анкерной плиты — для столбчатых фундаментов с
анкерной плитой;
hi — толщина i-го
слоя талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя промерзания-оттаивания, м;
Raf — расчетное сопротивление i-го слоя многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности
смерзания, кПа, принимаемое по испытаниям и таблицам в соответствии с
приложением В СП
25.13330.2012;
fi — расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности сваи, кПа,
принимаемое в соответствии с разделом 7 СП 24.13330.2011.
—
Расчетные сопротивления оттаявших или оттаивающих грунтов вдоль боковой поверхности
свай следует принимать по СП 24.13330 с понижающими
коэффициентами (кроме крупнообломочных и песков со степенью влажности, не превышающей
0,8):
0,8 — для глинистых грунтов;
0,9 — для песчаных
водонасыщенных грунтов;
определять
по опытным данным — для других грунтов.
7.8 Малозаглубленные и незаглубленные фундаменты, фундаменты
глубокого заложения и свайные ростверки, закладываемые в слое сезонного
промерзания-оттаивания пучинистых грунтов, следует рассчитывать по устойчивости
на действие нормальных вертикальных сил морозного пучения.
Устойчивость
фундаментов на действие нормальных сил морозного пучения проверяется по формуле
где pfh
— удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента и ростверк,
кПа, устанавливаемое по опытным данным: в полевых и лабораторных условиях;
Af — площадь подошвы фундамента и
ростверка, м2;
Остальные обозначения см. формулу (7.1).
7.9 Расчет
на совместное действие касательных и нормальных сил морозного пучения выполняют
по формуле
Обозначения см.
в формулах (7.1) и (7.7).
7.10 Вертикальные стены подвалов, тоннелей, подпорных стен и
ограждений котлована допускается рассчитывать только на действие нормальных горизонтальных
сил морозного пучения. При проектировании фундаментов с системой
термостабилизации грунтов следует учитывать действие нормальных горизонтальных
сил морозного пучения, возникающих от работы термостабилизаторов.
7.11
Заанкеренный столбчатый фундамент должен быть проверен на отрыв силами
морозного пучения стойки фундамента от анкерной плиты. Усиление Fneg,
кН, разрывающее заанкеренный фундамент, определяется по формуле
где Afh — площадь
боковой поверхности стойки фундамента, находящейся в пределах слоя сезонного
промерзания-оттаивания грунта, м2;
Расчет по предельным состояниям второй группы
7.11 Расчет по деформациям следует проводить
с учетом совместной работы сооружения с промораживаемым и подстилающим
основаниями. При этом, возникающие в результате неравномерных поднятий и осадок
фундаментов дополнительные усилия в конструкциях сооружения не должны превышать
предельно допустимых значений, а крены и прогибы не препятствовать нормальной
эксплуатации сооружения.
Расчет
основания по деформациям морозного пучения грунта, промерзавшего ниже подошвы
малозаглубленного фундамента и свайного ростверка, производится исходя из
следующих двух условий:
где hfp —
расчетное значение подъема (осадки) основания от пучения грунта (оттаивания
грунта) под фундаментом с учетом давления под его подошвой;
εfp — расчетная относительная деформация пучения грунта
основания под фундаментом;
— соответственно предельные значения
относительной разности осадок и подъема (осадки) здания и сооружения,
принимаемые по приложению Г (с учетом примечания 6) СП 22.13330.2016,
либо по приложению Б.
7.12 Расчетное
значение подъема основания от пучения определяется следующим образом
где εfh — относительная деформация пучения
грунта, определяемая в соответствии с разделом 5;
df — глубина промерзания грунта в
основании фундаментов, определяемая в соответствии с разделом 6.
Значение подъема основания и фундамента от пучения hfp
должно определяться с учетом сжимаемости промороженных и подстилающих слоев
грунта от давления пучения и нагрузки от фундамента.
Значения деформаций вертикальных стен от действия сил
морозного пучения должны определяться с учетом сжимаемости грунтов за стеной,
жесткости стен, анкерных и распорных систем.
7.13 Осадку
оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения основания следует определять по
формуле
где sth —
составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса
оттаивающего грунта, определяемая по формуле (7.14);
sp — составляющая осадки основания,
обусловленная дополнительным давлением на грунт от веса сооружения,
определяемая по подразделу 7.3 СП
25.13330.2012.
7.14
Расчетное значение осадки основания от оттаивания, обусловленное действием
собственного веса оттаивающего грунта, определяется по формуле
где n —
число выделенных при расчете слоев грунта;
Ath,i и mth,i —
коэффициент оттаивания, д.е., и коэффициент сжимаемости, кПа-1, i-го слоя оттаивающего грунта, принимаемые по 7.15;
σzg,i — вертикальное напряжение от
собственного веса грунта в середине i-го слоя
грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины zi от уровня планировочных отметок с учетом
взвешивающего действия воды;
hi — толщина i-го слоя оттаивающего грунта, м.
— Взвешивающее действие воды при
определении sth следует учитывать для водопроницаемых
грунтов, залегающих ниже расчетного уровня подземных вод, но выше водоупора.
7.15 Коэффициенты оттаивания Ath
и сжимаемости оттаивающего грунта mth надлежит устанавливать
по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов горячим штампом по ГОСТ
20276.
Если значения Ath и mth
получены по данным лабораторных испытаний грунтов в соответствии с ГОСТ
12248, то их расчетные значения при определении осадок оттаивающего
основания следует умножать на поправочный коэффициент ki = 1 + Δii, где Δii
— разность между суммарной льдистостью i-го слоя
грунта и льдистостью испытанного образца, взятого из этого слоя. Допускается
вводить поправки на неполное смыкание макропор и набухание оттаивающего грунта,
если это подтверждено экспериментальными данными.
— Расчет развития осадок оттаивающего основания во
времени следует выполнять по скорости протаивания грунтов под сооружением,
определяемой теплотехническим расчетом.
Распространение пучинистых грунтов на территории России
Так как песчаные и глинистые основания распространены повсеместно, то можно считать, что расположение грунтов с пучинистыми свойствами охватывает почти половину территории России. Сюда входят:
Исключается зона вечной мерзлоты, которая охватывает большую часть территорий Якутии, Красноярского края, Тюменской и Архангельской области, Республики Коми. Зона вечной мерзлоты отличается тем, что грунт там промерзает на сотни метров вглубь, поэтому проблема пучинистых грунтов для этой зоны неактуальна.
Точно так же неактуальна проблема морозного вспучивания для регионов, где в основании зданий залегают в основном грунты скальные и крупнообломочные – это все северокавказские республики и южная часть Ставропольского края.
Кроме того, проблема пучинистости не имеет значения для территорий, где основания практически не промерзают – это южная часть Краснодарского края и Республика Дагестан.
Глубина промерзания наряду с уровнем расположения грунтовых вод является определяющими факторами, влияющими на величину возможного вспучивания основания. Например, в регионах, близких к Байкалу, где глубина промерзания может достигать 2,5 м, подъем поверхности при вспучивании может достигать 30-40 см, в Подмосковье при глубине промерзания 1,5 м подъем поверхности составляет 15-18 см.
Чтобы снизить пучинистость грунта, можно возвести отмостку. Обычно такая конструкция изготавливается по периметру постройки для того, чтобы защищать фундаментальное основание от дождевых вод. Но, если произвести более мощную теплоизоляцию отмостки, можно будет снизить уровень расширения земли в зимний период.
Классификация грунтов по степени пучинистости
Классификация грунтов по степени пучинистости встречается в нормативной литературе на проектирование фундаментов, в ГОСТ на грунты и в другой специальной литературе. В разных источниках классификация немного отличается, но суть везде одинакова. В таблице приведена классификация на основе объединения данных из ГОСТ 25100-2011, ГОСТ 25100-95, СП 22.13330.2016 и других источников:
Классификация грунтов по пучинистости согласно ГОСТ и СП
* — сведения из ГОСТ 25100-95 табл. Б.27, (в том же ГОСТ 25100, но обновленном в 2011 году этой информации уже нет.)
Здесь: Sr – степень влажности — отношение естественной (природной) влажности грунта W к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой (без пузырьков воздуха); JL — показатель текучести грунта (определяется только для глинистых грунтов и показывает насколько грунт «разжижен» от проникшей в него влаги)
Степень морозной пучинистости ɛfh определяет на сколько при замерзании образец грунта увеличивается по высоте. Например, при промерзании слоя грунта толщиной 1,0 м с показателем ɛfh равным 7% грунт увеличится по высоте на 7 см.
При этом «непучинистый» грунт все равно, как правило, будет увеличиваться в объеме, но на незначительную величину – менее 1%.
Так же существует таблица которая определяет степень пучинистости грунта в зависимости от положение уровня грунтовых вод относительно расчетной глубины промерзания грунта z (из «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» НИИОСП им. Н.М. Герсеванова):
Уровень грунтовых вод должен приниматься с учетом прогноза его изменения согласно требованиям норм проектирования.
Определяем пучинистый грунт или нет
К пучинистым грунтам относятся глинистые грунты, пески пылеватые и мелкие, а также крупнообломочные грунты с глинистым и мелкопесчаным заполнителем более 10%, имеющие к началу промерзания влажность выше определенного уровня (см. таблицу выше).
Для восприятия такая проще формулировка:
К гарантировано НЕпучинистым относятся только:
Для всех остальных грунтов (супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески, а также щебенистые и крупнообломочные грунты с заполнителем более 10%) справедливо утверждение – они могут быть как пучинистыми, так и непучинистыми и зависит это от:
При проектировании фундаментов на основаниях, сложенных пучинистыми грунтами, следует учитывать возможность повышения влажности грунта за счет подъема уровня подземных вод, инфильтрации поверхностных вод и экранирования поверхности. (СП 22.13330.2016 п. 6.8.2).
Как отличить по визуальным и косвенным признакам супесь от песка и глины и вообще определить тип грунта см. в отдельной статье.
3
Термины и определения
В настоящем пособии применены следующие термины с
соответствующими определениями:
3.1 грунт пучинистый: Дисперсный грунт, который при
переходе из талого в мерзлое состояние увеличивается в объеме вследствие
образования кристаллов льда и имеет относительную деформацию морозного пучения εfn ≥ 0,01;
3.2 грунт сезонномерзлый (сезонноталый): Грунт,
находящийся в мерзлом или талом состоянии периодически в течение холодного или
теплого сезона;
3.3 грунт многолетнемерзлый/грунт вечномерзлый:
Грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение трех и более лет;
3.4 геотехнический мониторинг: Комплекс работ,
основанный на натурных наблюдениях за поведением конструкций вновь возводимого
или реконструируемого сооружения, его основания, в т.ч. грунтового массива,
окружающего (вмещающего) сооружение, и конструкций сооружений окружающей
застройки;
3.5 геотехническая категория: Категория сложности
объекта строительства с точки зрения проектирования оснований и фундаментов,
определяемая в зависимости от уровня ответственности и сложности
инженерно-геологических условий площадки строительства;
3.6 инженерная защита территорий, зданий и сооружений:
Комплекс сооружений и мероприятий, направленных на предупреждение
отрицательного воздействия опасных геологических, экологических и других
процессов на территорию, здания и сооружения, а также защиту от их последствий;
3.7 касательная сила морозного (криогенного) пучения:
Сила, действующая в процессе промерзающего грунта по боковой поверхности
фундамента, обусловленная сопротивлением смерзания и трения его с промерзающим
грунтом;
3.8 морозное пучение: Внутриобъемное деформирование
промерзающих влажных грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие
кристаллизации поровой и мигрирующей воды с образованием кристаллов и линз
льда;
3.9 малозаглубленный фундамент: Фундамент с глубиной
заложения подошвы выше расчетной глубины сезонного промерзания грунта;
3.10 «мостики холода»: Разрывы в теплоизоляции,
создающие термически проводимые пути;
3.11 нормальная вертикальная сила морозного (криогенного)
пучения: Сила, действующая по нормали к подошве фундамента, возникающая в
результате промерзания грунта и развития морозного пучения;
3.12 нормальная горизонтальная сила морозного
(криогенного) пучения: Сила, действующая по нормали к боковой поверхности
фундамента и ограждающей конструкции, возникающая в результате промерзания
грунта и развития морозного пучения;
3.13 ростверк: Распределительная балка или плита,
объединяющая головы свай и перераспределяющая на них нагрузку от
вышерасположенных конструкций;
3.14 слой сезонного промерзания: Поверхностный слой
грунта, промерзающий в холодный период года и оттаивающий в теплый, под которым
находятся немерзлые грунты;
3.15 слой сезонного оттаивания (сезоннопротаивающий,
сезонноталый): Поверхностный слой грунта, оттаивающий в летний период и
подстилаемый многолетнемерзлыми грунтами;
3.16 свайный фундамент: Комплекс свай, объединенных в
единую конструкцию, передающую нагрузку на основание;
3.17 свая: Погруженная в грунт или изготовленная в
грунте вертикальная или наклонная конструкция, предназначенная для передачи
нагрузки на основание;
3.18 стена в грунте: Искусственно выполненная
противофильтрационная, ограждающая или несущая конструкция из бетона или
железобетона в грунте;
3.19 термометрическая скважина: Специально
оборудованная скважина, предназначенная для измерения температуры грунта
гирляндой температурных датчиков;
3.20 относительная деформация морозного пучения:
Отношение абсолютной вертикальной деформации морозного пучения промерзающего
грунта к мощности промерзшего слоя;
3.21 отрицательные (негативные) силы трения: Силы,
возникающие на боковой поверхности фундаментов и подземных частей сооружений
при перемещении грунтов вниз относительно них;
3.22 подъемы и осадки: Вертикальные составляющие
деформаций основания, связанные с изменением объема грунтов при изменении их
влажности или воздействием химических веществ (набухание и усадка) и при
замерзании воды и оттаивании льда в порах грунта (морозное пучение и оттаивание
грунта);
3.23 удельная касательная сила морозного пучения: Касательная
сила пучения, отнесенная к площади смерзания боковой поверхности фундамента с
промерзающим грунтом;
3.24 фундамент глубокого заложения: Конструкция,
сооружаемая из свай, оболочек, столбов или с применением опускных колодцев и
кессонов;
3.25 фундамент мелкого заложения (shallow foundation): Фундамент,
соотношения высоты и ширины которого не превышает 4, сооружаемый в котлованах
или полостях заданной формы, предварительно отрытых с поверхности до проектной
глубины, и передающий нагрузку на основание преимущественно через подошву.
— Глубина заложения подошвы фундамента в пучинистых
грунтах должна быть ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунта.
5 Определение степени пучинистости грунтов
5.1 Грунты подразделяют по степени пучинистости в
соответствии с ГОСТ 25100 на пять групп
(таблица 5.1). Степень пучинистости влияет при проектировании на выбор
параметров фундамента и противопучинистых мероприятий.
5.2 Предварительную оценку степени
пучинистости грунтов на стадии изысканий допускается выполнять по таблице 5.1
на основании физических характеристик грунтов.
5.3 Для сооружений 2 и 3 геотехнической категории степень
пучинистости и относительная деформация морозного пучения определяются на
основе непосредственных испытаний в лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ
28622 с учетом возможного изменения влажности грунтов в процессе
строительства и эксплуатации сооружений.
5.4 Лабораторные
испытания по определению степени пучинистости грунтов по ГОСТ
28622 проводят для глинистых, крупнообломочных (с содержанием глинистого
заполнителя более 10 % общей массы), песчаных (с содержанием частиц мельче 0,05
мм более 2 % общей массы), биогенных, засоленных и искусственных грунтов и
определяют по значению относительной деформации морозного пучения εfh в соответствии с таблицей 5.1 по формуле
где hf
— вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм;
di — фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта,
мм.
Значения hf и di получают по результатам испытаний образцов грунта в
специальной установке, обеспечивающей вертикальное промораживание образца
исследуемого грунта в заданном температурном и влажностном режимах и измерение
перемещений его поверхности. Один из вариантов конструкции установки
представлен на рисунке 5.1.
— обойма; 2 — образец грунта; 3 —
кронштейн; 4 — индикатор перемещения; 5 — шток механизма
для нагружения образца грунта; 6 — штамп; 7 — датчики температуры;
8 — теплоизоляционный кожух;
9 — прибор для измерения температуры; 10 — устройство для подачи
воды (емкость с водой);
11 — терморегулятор; 12 — датчики температуры; 13 — поддон
с водой и капиллярнопористым
материалом; 14 — ТЭН
Рисунок 5.1 — Схема установки для определения степени
пучинистости грунта
5.5 Для сооружений 1 геотехнической категории допускается
определять степень пучинистости расчетным путем по п. 5.6 и 5.7 в соответствии с СП 22.13330, в том
числе в районах распространения ММГ.
5.6 Степень пучинистости
несвязных грунтов (крупнообломочных грунтов и песков, содержащих глинистые
фракции), а также супесей при Iр <
0,02, допускается определять через показатель дисперсности D,
вычисляемый по формуле
где k — коэффициент, равный 1,85·10-4 см2;
е — коэффициент пористости;
— средний диаметр частиц грунта, см,
вычисляемый по формуле
Диаметры отдельных классифицированных фракций определяются
по их минимальным размерам, умноженным на коэффициент 1,4. За расчетный диаметр
наименьшей фракции принимается ее максимальный размер, деленный на коэффициент
1,4.
Пример 5.1. На строительной
площадке слой сезонного промерзания сложен песком пылеватым с коэффициентом
пористости е = 0,81. Требуется определить степень пучинистости грунта.
Гранулометрический состав песка приведен в таблице 5.3.
Средний диаметр частиц грунта равен
Показатель дисперсности D составляет
5.7 Степень пучинистости глинистых грунтов допускается
определять исходя из значения относительной деформации пучения εfh по рисунку 5.2 в зависимости от параметра Rf, вычисляемого по формуле
где w, wρ
— влажность в пределах слоя промерзающего грунта соответственно природная и на
границе раскатывания, д.е.;
wcr — критическая влажность — предельное
значение важности, характеризующее границу, за которой прекращается
перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение в промерзающем пучинистом
грунте, д.е., определяется по графикам на рисунке 5.3;
wsat
— полная влагоемкость грунта, д.е., определяемая по формуле
где е —
коэффициент пористости;
ρw — плотность воды, кг/м3;
ρs — плотность твердых частиц грунта,
кг/м3;
ρd
— плотность сухого грунта, кг/м3 определяемая по формуле
где ρ —
плотность грунта, кг/м3;
М0 — безразмерный коэффициент, численно
равный абсолютному значению средней многолетней температуры воздуха за зимний
период, определяемый в соответствии с СП 131.13330.
— практически непучинистый; б —
слабопучинистый; в — среднепучинистый;
г — сильнопучинистый; д — чрезмернопучинистый.
— супеси; 3 — суглинки; 4 — суглинки с
0,07 < ≤
0,13; 5 — суглинки с 0,13 < ≤ 0,17; 6 — глины
(в грунтах 2, 4 и 5 содержание пылеватых частиц размером 0,05 — 0,005
составляет более 50 % по массе).
Рисунок 5.2 — Взаимосвязь параметра Rf и относительной
деформации εfh
Рисунок 5.3 — Зависимость критической влажности wcr
от числа пластичности Iр и
предела текучески грунта wL
Пример 5.2 Площадка строительства находится в
г. Чебоксары. Слой сезонного промерзания сложен суглинком полутвердым с
коэффициентом пористости е = 0,68, природной влажностью w = 0,2,
влажностью на границе раскатывания wρ = 0,19, плотностью
грунта ρ = 1,99·103 кг/м3, влажностью на
границе текучести wL = 0,32. Требуется определить степень
пучинистости грунта.
Параметр Rf определяется по
формуле
wcr — критическая
влажность, определяется по графику 4 (для суглинка с 0,07 < Ip ≤ 0,13) на
рисунке 5.2 для wL
= 0,32 и Iр = wL — wρ
= 0,32 — 0,19 = 0,13 и составляет 0,21;
wsat — полная влагоемкость грунта, доли
единицы, для глинистых грунтов берется влажность на границе текучести wL;
ρd
— плотность сухого грунта, кг/м3, определяемая по формуле
М0 — безразмерный
коэффициент, численно равный абсолютному значению средней многолетней
температуры воздуха за зимний период в г. Чебоксары, принимаем равный 9,02.
Относительная деформация суглинка в соответствии с
параметром Rf·102 = 0,15 составляет εfh = 0,02. По графику на
рисунке 5.2 и по таблице 5.1 грунт в слое сезонного промерзания
относится к слабопучинистому.
Какие виды фундаментов надо использовать при строительстве на пучинистых грунтах?
Ваш браузер не поддерживает видео тег.
На видео показано поведение разных типов свай при пучении почвы и необходимость заглубления ниже уровня промерзания для строительства на сложных грунтах.
ТЕПЛОВЫЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРОТИВ
ДЕЙСТВИЯ СИЛ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ
5.1.
Для снижения удельных касательных сил морозного пучения на период строительства
рекомендуется применять послойное через 10 см засоление грунта засыпки вокруг
фундаментов технической поваренной солью из расчета 26-80 кг на 1 м3
суглинистого грунта или хлористым калием из расчета 30-32 кг на 1 м3.
После рассыпки соли на взрыхленный слой грунта в 10 см по высоте и 30-40 см по
ширине пазухи, считая от стенки фундамента, грунт с солью перемешивается и этот
слой тщательно утрамбовывается, затем укладывается следующий слой грунта с
засолением и утрамбовкой. Грунт засыпки пазухи засоляется, начиная с 1 м ниже
планировочной отметки и не доходя 0,5 м до дневной поверхности.
Применение
засоления грунта допускается только в тех случаях, когда оно не повлияет на
снижение прочности материалов фундаментов или других подземных сооружений.
5.2.
Для уменьшения касательных сил выпучивания фундаментов в промерзающих влажных
глинистых и пылеватых грунтах в период строительства по предложению Томского
инженерно-строительного института может быть применена обработка грунта
толщиной 5-10 см на контакте с фундаментом, нефтяным раствором. В состав
раствора входит дизельное топливо — 54%, высокоокисленный битум — 20%, окись
кальция — 20%, НЧК (алкиларилсульфонат) — 4% и вода — 2% к общему весу.
Приготовление
раствора заключается в следующем:
а)
приготавливается жидкий концентрат растворением высокоокисленного битума в
дизельном топливе путем механического перемешивания о подогревом при
температуре 45-50°С в течение одного часа;
б) при
обычной температуре жидкий концентрат перемешивается с остальными компонентами
в течение 30-40 мин.
Приготовление
жидкого концентрата удобнее производить в стационарных условиях. Приготовление раствора
можно производить непосредственно на строительной площадке в обыкновенных
растворомешалках.
Обработка
грунта нефтяным раствором осуществляется механическим перемешиванием его с
раствором до однородной по цвету массы, количестве 5-40% раствора от веса сухого грунта.
Устройство
контактного слоя из обработанного грунта для фундаментов на естественном
основании можно производить обратной засыпкой пазух грунтом, обработанным
нефтяным раствором, с постойным уплотнением.
5.3. В
целях обеспечения гидроизоляции ленточных фундаментов и снижения сил смерзания
между грунтом и материалом фундаментов по предложению Ленинградского
инженерно-строительного института рекомендуется обмазывать выровненные боковые
поверхности фундамента непрочно-смерзающимися материалами, например битумной
мастикой (приготовленной из золы-уноса ТЭЦ — четыре части, битума МТЗ-три части
и солярового масла — одна часть по объему).
Обмазка
фундамента должна производиться от его подошвы до планировочной отметки в два
слоя: первый — тонкий с тщательной притиркой, второй толщиной в 8 — 10 мм.
5.4.
Для уменьшения значений, удельных касательных сил морозного пучения грунтов при
строительстве малонагруженных свайных фундаментов под специальное
технологическое оборудование на сильнопучинистых грунтах может быть применено
покрытие поверхности свай в зоне сезонного промерзания грунтов полимерной
пленкой. Экспериментальная проверка в полевых условиях показала эффект снижения
касательных сил морозного пучения грунтов от применения полимерных пленок от 2,5
до 8 раз. Состав высокомолекулярных соединений и технология приготовления и
нанесения пленок на плоскости железобетонных фундаментов изложены в
«Рекомендациях по применению высокомолекулярных соединений в борьбе с морозным
выпучиванием фундаментов» (М., Стройиздат, 1969).
5.5.
Столбчатые фундаменты! до полной их нагрузки в период строительства надлежит
обертывать бризолем или рубероидом в два слоя на 2/3 от
нормативной глубины промерзания грунтов, считая от планировочной отметки, при
том условии, если нагрузка на фундамент меньше сил морозного выпучивания.
5.6. На
время строительства вокруг фундаментов зданий и сооружений следует устраивать
временные теплоизоляционные покрытия из опилок, снега, шлака и других
материалов в соответствии с указаниями по предохранению грунтов и грунтовых
оснований от промерзания.
5.7. Во
избежание промораживания грунтов под подошвой фундаментов внутренних стен и
колонн в технических подпольях и цокольных этажах недостроенных или
построенных, но перезимовывающих без отопления зданий следует организовать в
зимние месяцы временное отопление этих помещений, чтобы не допустить
повреждения конструктивных элементов зданий (в практике применяются калориферы,
электронагреватели, металлические печи и др.).
5.8.
При строительстве в зимнее время в отдельных случаях надлежит предусматривать
электропрогрев грунтов путем периодического пропускания (в зимние месяцы)
электрического тока по специально уложенной под фундаментами 3-мм стальной
проволоке; контроль за обогревом грунта под фундаментами должен осуществляться
при этом по данным замеров его температуры ртутными термометрами или по данным
наблюдений за промерзанием грунта около фундаментов по мерзлотомеру Данилина.
5.9.
Промышленные здания или сооружения, для которых по технологическим соображениям
нельзя допускать деформации вследствие промерзания грунтов вокруг фундаментов и
ниже их подошвы (фундаменты под установки для получения жидкого кислорода под
холодильные машины, под автоматические и другие установки в холодильных
неотапливаемых цехах и под специальные установки и оборудование), должны быть
надежно ограждены от деформаций морозного пучения грунтов.
В этих
целях рекомендуется применять периодически (с ноября по март, а для северных и
северо-восточных районов с октября по апрель) обогрев грунта вокруг фундаментов
пропусканием горячей воды по трубопроводу от центральной отопительной системы
или от сточных отработанных промышленных горячих вод. Для этого можно также
использовать водяной пар.
Покрытый
битумной эмалью стальной трубопровод сечением не менее 37 мм должен
укладываться непосредственно в грунт на глубину 20-60 см ниже планировочной
отметки и на 30 см в сторону от фундамента с наружной стороны с уклоном для
слива воды. Там, где позволяют условия производства, над трубопроводом по
поверхности земли рекомендуется уложить растительный грунт слоем 10-15 см с
уклоном в сторону от фундамента. По поверхности растительного слоя в целях
теплоизоляции полезно сделать посев дернообразующих многолетних травосмесей.
5.10.
Подготовку почвенного слоя, посев дернообразующих трав и посадку кустарниковых
растений следует производить, как правило, в весеннее время без нарушения
принятой по проекту планировки площадок.
5.11. В
качестве задернителей рекомендуется применять травосмесь, состоящую из семян
пырея, полевицы, овсяницы, мятлика, тимофеевки и других дернообразующих
травянистых растений. Желательно использовать семена трав местной флоры
применительно к природно-климатическим условиям местности. В засушливые летние
месяцы задерненные и засаженные декоративными кустарниками участки
рекомендуется периодически поливать.
1
Область применения
Рекомендации настоящего пособия распространяются на
проектирование различных типов фундаментов зданий и сооружений на пучинистых грунтах,
в том числе возводимых на территории распространения многолетнемерзлых грунтов.
Рекомендации пособия не распространяются на проектирование
оснований земляного полотна автомобильных и железных дорог, аэродромных
покрытий, оснований глубоких опор и фундаментов машин с динамическими
нагрузками.
3
Свайные фундаменты
8.3.1 Свайные фундаменты и сваи следует рассчитывать по
прочности материала, проверять устойчивость фундаментов при действии сил
морозного пучения для предотвращения выпучивания (поднятия) свай и
предусматривать меры, предотвращающие или уменьшающие влияние сил морозного
пучения грунта на свайный ростверк.
8.3.2 Расчет оснований и свайных фундаментов по устойчивости
и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует выполнять при
эксплуатации неотапливаемых сооружений, мачт линий электропередачи и мобильной
связи, трубопроводов и др. или при консервации сооружений, а также для условий
периода строительства, если до передачи на сваи проектных нагрузок возможно
промерзание грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания или выполняется
искусственное замораживание грунтов (при строительстве тоннелей или
эксплуатации помещений с отрицательной температурой).
8.3.3 В
случае оттаивания сезонномерзлых или искусственно замороженных грунтов
возникают отрицательные (негативные) силы трения, действующие на боковую
поверхность сваи и направленные вертикально вниз, причиной появление которых
является оседание грунта. Отрицательную (негативную) силу трения оттаивающего
грунта по боковой поверхности сваи рекомендуется определять по формуле
где up
— периметр поперечного сечения сваи, м;
fn,i — отрицательное трение i-го слоя оттаивающего грунта по боковой поверхности
сваи, кПа, определяемое по опытным данным; расчетные значения fn,i принимать в соответствии с разделом 7 СП 24.13330.2011;
hi — толщина i-го слоя
оттаивающего грунта.
Пример 8.1. Проектом
для башни предусмотрен свайный фундамент с монолитными железобетонными
ростверками, устраиваемыми по оголовкам сплошных железобетонных забивных свай
сечением 30×30 см, и длиной 8 м. Размеры ростверка в плане составляют
1,8×1,8 м, толщина — 1,1 м. Наибольшее значение выдергивающей нагрузки на
свайный фундамент составляет 52,47 тс (~13 тс на одну сваю), наибольшее
значение вдавливающей нагрузки на свайный фундамент составляет 57,8 тс (~14 тс
на одну сваю) при наиболее неблагоприятном воздействии ветровой нагрузки. Вес
конструкций башни составляет 11,48 тс, вес ростверка — 8,45 тс. По данным
инженерно-геологических изысканий грунты сезонного промерзания —
среднепучинистые. Требуется проверить свайный фундамент по устойчивости на
воздействие сил морозного пучения грунтов.
Устойчивость
свайных фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов
проверяется по условию
где τfh
— расчетная удельная касательная сила пучения, кПа (рисунок 8.1);
Afh — площадь боковой поверхности
смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания
грунта, м2, (рисунок 8.1);
F — расчетная нагрузка на сваю, кН, принимаемая с
коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий,
включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.); вес башни с ростверком F
= 199,3 кН;
γс —
коэффициент условий работы, принимаемый равный 1,0;
γk — коэффициент надежности, принимаемый равный 1,1;
Frf
— расчетное значение силы, удерживающей сваю от выпучивания вследствие трения
его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины
промерзания, кН, (рисунок 8.1)
определяется по формуле (8.3).
где u — периметр сечения поверхности
сдвига, м, принимаемый равный периметру сечения сваи или ростверка, м, (рисунок
8.1);
fi — расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности сваи, кПа,
(рисунок 8.1);
hi — толщина i-го слоя талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя
промерзания-оттаивания, м, (рисунок 8.1).
Рисунок 8.1 — Расчетная схема
Проверяем устойчивость свайного фундамента на действие
касательных сил морозного пучения грунтов
Таким образом, условие устойчивости свайного фундамента на
действие сил морозного пучения грунтов (8.2)
не выполняется, поэтому необходимо предусматривать мероприятия по
предотвращению выпучивания фундамента башни.
Чем опасно морозное пучение
Совместное воздействие на грунт влаги и низких температур приводит к увеличению его объема. Для любого здания особую опасность представляют неравномерные деформации, которые характерны для морозного пучения. Это вызвано тем, что грунт под наружными стенами нагревается от здания слабо, а в середине дома температура выше ноля.
Трещина возникшая из-за пучения.
Наружные стены, а особенно углы, способны подниматься относительно начальной отметки на 15 см. При этом деформаций под внутренними стенами не происходит или они малы. Неравномерное поднятие приводит к появлению в стенах наклонных трещин.
Также морозное пучение оказывает негативное воздействие на боковую поверхность фундамента.
Как убрать пучинистость грунта?
Если предполагается вести строительство на пучинистом грунте, можно применить одну из следующих технологий:
Ниже рассмотрим эти технологии подробнее, но сначала важно отметить, что универсальными советами для нивелирования эффектов пучинистости будут:
Габаритный (широкий) и тяжёлый фундаменты нивелируют действие сил пучинистости. На видео показано — чем фундамент больше и тяжелее фундамент тем лучше, тем сильнее фундамент будет сопротивляться пучению почвы.
Заливка отмостки бетоном, на фото видно армирование отмостки и приёмные трубы ливневой канализации.
Переходим (наконец-то) к технологиям устранения пучинистости.
Способ 1. Дренаж
Схема устройства дренажной системы. На схеме:
Гидроизоляция битумной мастикой подземной части фундамента дома.
Фото стены ленточного фундамента глубокого залегания с выполненной гидроизоляцией.
Гидроизолирование стены фундамента битумной мастикой. Важно работать в перчатках потому, что битум трудно отмывается с рук.
Дренажная труба с геофильтром
Примечание
Воду из дренажного колодца хорошо использовать для полива — она проходит фильтрацию почвой, а также всегда теплее воды из скважины.
Дренажная система отлично справляется с атмосферной влагой, но при подъёме грунтовых вод она может быстро заполниться водой, включая дренажный колодец, после чего вся система перестанет работать. То есть главным недостатком дренажа является то, что он не может справиться с грунтовыми водами. Здесь может помочь использование в колодце дренажных насосов.
Способ 2. Замена грунта. Как правильно полностью убрать пучинистый грунт?
Коротко суть способа можно представить так: пучинистый грунт убираем, непучинистый засыпаем. Условно можно сказать, что данная технология — это обустройство дренажа под всей плоскостью дома. Технология замены грунта для устранения морозной пучинистости следующая:
Копка котлована с применением экскаватора для проведения замены грунта.
Бульдозер ровняет дно котлована перед засыпкой щебня при замене грунта.
Замена грунта. Вместо убраной пучинистой почвы на глубину ниже промерзания засыпается щебень.
Засыпка непучинистого грунта (гравия) в котлован. Производится полная замена грунта.
Какой фундамент подойдёт при замене грунта?
Виды фундаментов подходящие при замене грунта — свайный с ростверком (на иллюстрации показаны забивные сваи, но буронабивные или винтовые также подходят),
плавающий монолитный плитный (также подходит утеплённая плита по шведской технологии — УШП), монолитный ленточный фундамент.
Лучше всего при замене грунта подойдут следующие виды фундамента:
Монолитная железобетонная плита хорошо распределяет нагрузку от морозного пучения
Способ 3. Термическое усиление грунта
На практике этот способ применяется редко ввиду его высокой стоимости. Термоусиление используется чаще всего от безысходности. Различают два вида термоусиления:
Способ 4. Химическое усиление грунта
Различают следующие способы химического укрепления грунта.
