2.3. Проектирование на вечномерзлых грунтах

2.3.1. Глубина заложения столбов и свай-оболочек

Глубину заложения столбов или оболочек определяют с учетом полного использования расчетных сопротивлений грунта на вертикальную и горизонтальную нагрузки, а также прочностных характеристик конструкций. Глубину заложения назначают с учетом принятого принципа использования вечномерзлых грунтов в качестве основания опор и проверяют расчетом по устойчивости [13]. Глубину заложения столба или оболочки при использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципуI рекомендуют определять по выражению [26]:

, (2.1)

где – глубина расположения вечномерзлого грунта, считая от расчетной поверхности грунта (РПГ);– толщина слоя пластичномерзлого грунта;=1,0;– диаметр столба или оболочки (рис. 2.6).

За расчетную поверхность грунта принимают: для промежуточных опор – естественную поверхность грунта или поверхность с учетом срезки и возможного размыва грунта; для береговых опор – естественную поверхность грунта, а при наличии ранее сооруженной насыпи ее основную площадку или подошву слабого верхнего слоя грунта (илы, текучие и текучепластичные глины, суглинки, супеси) [26].

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I минимальную глубину заложения столбов или оболочек принимают: + 1,0 в зависимости от расчетной глубины сезонного оттаивания грунта, определяемой согласно СНиП [13] (рис. 2.6).

расчетную глубину сезонного оттаивания грунта , определяют по формуле [13]

; (2.2)

где – нормативная глубина сезонного оттаивания грунта;– коэффициент теплового влияния сооружения, принимаемый по [13], прил. 1 табл. 1.

Рис. 2.6. Схема опоры для определения глубины заложения столбов (оболочек) при использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I

Нормативную глубину сезонного оттаивания грунта определяют по формуле [13]

, (2.3)

где – наибольшая глубина сезонного оттаивания в годовом периоде(см. рис. 1.7, 1.8); – коэффициенты, принимаемые в зависимости от суммарной влажности грунта, прил. 1 табл. 2;– расчетная температура поверхности грунта в летний период, определяемая [13] как

; (2.4)

–температура начала замерзания грунта, определяемая по [13], прил. 1 табл. 3; – расчетная продолжительность летнего периода, определяемая по формуле[13]

; (2.5)

–средняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных температур, ^оС, и продолжительность этого периода, ч, принимаемые по [1,2]; – средняя температура воздуха за период положительных температур и продолжительность этого периода, ч.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по принципу II минимальную глубину заложения столбов и оболочек опор мостов принимают в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 [16] в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания грунта, определяемой согласно [13], величины размыва, уровня подземных вод, который принимается с учетом образования под сооружением зоны оттаивания грунта, а также геологических условий (рис. 2.7).

В данном случае глубину заложения столбов и оболочек опор мостов определяют в зависимости от расчетной глубины сезонного промерзания грунта по формуле [13]

, (2.6)

где – нормативная глубина сезонного промерзания грунта;– коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по [13], прил. 1 табл. 1.

Рис. 2.7. Схема опоры для определения глубины заложения столбов (оболочек) при использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу II: УСкГ – уровень скального грунта

Нормативную глубину сезонного промерзания грунта определяют по формуле [13]

, (2.7)

где – наибольшая глубина сезонного промерзания грунта в годовом периоде (см. рис. 1.2, 1.3);– средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур,^оС, [1,2] и продолжительность этого периода, ч; – средняя температура воздуха за период отрицательных температур,^оС, и продолжительность этого периода, ч.

При использовании вечномерзлых грунтов в качестве оснований по принципу I расчеты производят для твердомерзлых грунтов по несущей способности; для пластичномерзлых, сильнольдистых грунтов и подземных льдов по несущей способности и деформациям [13].

2.3.2. Расчет по несущей способности вечномерзлых грунтов

Расчет оснований столбов и оболочек опор балочных мостов по несущей способности вечномерзлых грунтов, используемых по принципу I, производят согласно указаниям СНиП [13,15]. Расчет по несущей способности основания столбчатой опоры производят с учетом условия [13] (рис. 2.8):

, (2.8)

где – расчетная вертикальная нагрузка на столб и оболочку;– несущая способность (сила предельного сопротивления) столбов или оболочек, которую определяют следующим образом [13,15].

Рис. 2.8. Схема опоры к расчету по несущей способности вечномерзлых грунтов: – обственный вес столба (оболочки)

Для вертикально нагруженной столбчатой опоры при неоднородных по составу вечномерзлых грунтах несущую способность определяют [13]

, (2.9)

где – температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения, определяемый по указаниям [13, п. 4.10],= 1;–коэффициент условий работы основания, принимаемый по указаниям[13, п. 4.9], = 1;– расчетное сопротивление мерзлого грунта под подошвой столбчатой опоры, определяемое согласно указаниям [13, п. 4.8], прил. 2; – площадь поперечного сечения подошвы столбчатой опоры;– расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах 1-го слоя грунта, определяемое согласно указаниям [13, п. 4.8], прил. 2; – для столбчатой опоры площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью столба;– число выделенных при расчете слоев вечномерзлого грунта;– коэффициент надежности по назначению сору­же­ния, принимаемый для оснований опор мостов по СНиП 2.05.03-84* [6], =1,4 при расчете по несущей способности вечномерзлых грунтов, используемых по принципуI.

Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой столбов и оболочек и расчетные сопротивления мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзанияустанавливают по данным испытаний грунтов, проводимых в соответствии с ГОСТ 24586–81 с учетом коэффициента надежности по грунту, принимаемому по [13] и расчетных температур грунта основанияи, определяемых теплотехническим расчетом по указаниям [13, п. 4.12].

Для расчета оснований столбчатых опор мостов, возводимых с сохранением мерзлого состояния грунтов, а также для выполнения предварительных расчетов оснований и привязки типовых проектов к местным условиям, расчетные значения прочностных характеристик мерзлых грунтов ,допускают принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными прил. 2 [13].

При расчетах несущей способности оснований значения принимают для столбчатых фундаментов при расчетной температуре грунтана глубине заложения подошвы.

Расчетные сопротивления сдвигу рекомендуют принимать для столбчатых фундаментов при температуре грунтана глубине, соответствующей середине нижней ступени. Как правило, при расчетах значениепринимается при средней (эквивалентной) температуре грунта.

Расчетные температуры грунтов иопределяют расчетом теплового взаимодействия сооружения с вечномерзлыми грунтами основания в периодически установившемся тепловом режиме с учетом переменных в годовом периоде условий теплообмена на поверхности, формы и размеров сооружения, глубины заложения и расположения фундаментов в плане, а также теплового режима сооружения и принятых способов и средств сохранения мерзлого состояния грунтов основания.

При расчетах вечномерзлых оснований по несущей способности и деформациям расчетные температуры грунтов и, принимают равными [13]:– максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента, отсчитываемой от верхней поверхности вечно-мерзлого грунта;– максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундаментатемпературе вечномерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная темпера­тура грунта);– температуре вечномерзлого грунта на данной глубинеот его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры.

Расчетные температуры вечномерзлых грунтов определяют по [13, п. 4.14].

Для кратковременных нагрузок расчетные значения идопускается принимать с повышающим коэффициентом, равным: для свайных фундаментов железнодорожных мостов 1,35 – при одновременном действии постоянных и временных вертикальных нагрузок; 1,5 – при действии постоянных и временных совместно с временными горизонтальными нагрузками (включая сейсмические нагрузки).

При использовании грунтов в качестве основания по принципу I в расчете рекомендуется принимать, что каждый свайный элемент жестко заделан в твердомерзлом грунте на глубине , считая от уровня, соответствующего расчетной (максимальной) температуре, при которой данный грунт переходит в твердомерзлое состояние; здесь– диаметр элемента в направлении действия внешних нагрузок.

Условие прочности заделки столбов или оболочек в твердомерзлом грунте [15, 26]:

, (2.10)

где – изгибающий момент и поперечная сила в рассматриваемом сечении столба или оболочки на глубине;– диаметр и глубина 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 заложения столба (оболочки) в твердомерзлом грунте; – расчетное сопротивление твердомерзлого грунта под подошвой столба или оболочки.

Для вертикально нагруженной столбчатой опоры при однородных по составу вечномерзлых грунтах несущую способность определяют [13] по формуле

. (2.11)

Расчет оснований свайных фундаментов по несущей способности вечномерзлых грунтов, используемых по принципу II, производят в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85 [17]. При этом расчетное сопротивление оттаивающих грунтов под торцом свай принимают как для буровых свай.

Столбы (оболочки) мостов, сооружаемых на вечномерзлых грунтах, используемых в качестве оснований по принципу II, рассчитывают для условий полного оттаивания грунтов основания независимо от их состояния (мерзлое или талое) в период строительства.

Расчет по прочности и трещиностойкости элементов рекомендуют производить на усилия в расчетных сечениях, возникающие как для мерзлого, так и оттаявшего состояния грунтов основания.

Согласно СНиП [13,17] свайные фундаменты рассчитывают на совместное действие вертикальных и горизонтальных сил и моментов, принимая перемещения фундаментов пропорциональными действующим усилиям. Независимо от принципа использования грунтов в качестве основания, не учитывают сопротивление грунтов перемещениям заглубленного в грунт ростверка фундаментов. В расчетах, включающих определение свободной длины свай, оттаявшие и пластичномерзлые грунты допускается рассматривать как линейно-деформируемую среду, характеризуемую коэффициентом постели, принимаемым как для немерзлых грунтов [13, 17, 26].

Несущую способность основания столбчатой опоры, нагруженной внецентренно сжимающей нагрузкой, допускается определять в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 [16]. При этом эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок на уровне подошвы фундамента определяют с учетом смерзания грунта с боковой поверхностью нижней ступени столба или оболочки по формулам [13]:

; (2.12)

, (2.13)

где и– соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок относительно осей прямоугольной площади плиты-насадки со сторонамии;и– соответственно моменты внешних сил от расчетных нагрузок относительно тех же осей;– расчетная вертикальная нагрузка от сооружения на столб (оболочку);– часть момента внешних сил, воспринимаемая касательными силами смерзания вечномерзлого грунта с боковыми поверхностями нижней ступени столба [13].

Расчет свайных фундаментов на действие горизонтальных нагрузок и изгибающих моментов производят из условия совместной работы сваи и основания с учетом мерзлотно-грунтовых условий в соответствии с [13].

Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) производится исходя из условия [13]

, (2.14)

где – деформация пластичномерзлого основания под нагрузкой от сооружения [13].осадки оснований фундаментов, возводимых на пластичномерзлых грунтах определяют для столбчатых фундаментов в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01-83 [16], применяя расчетную схему в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

Расчетные деформационные характеристики пластичномерзлых грунтов (коэффициент сжимаемости или модуль деформации) принимают по данным компрессионных испытаний в соответствии с ГОСТ 24586–81 при расчетной температуре грунта [13]; осадки оснований, сложенных сильнольдистыми грунтами и подземными льдами, а также в случаях загружения фундаментов при температуре грунтов основания выше расчетных значений, принятых для установившегося эксплуатационного режима, определяют с учетом изменения деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры и времени, а также развития пластических деформаций льда, согласно указаниям СНиП [13, прил.7];– предельно допустимая деформация основания опоры за расчетный срок его эксплуатации.