14.4.1. Принципы проектирования

и строительства фундаментов

на территориях,

сложенных вечномерзлыми грунтами

Нормы (СНиП П-18—76) рекомендуют два принципа проектирования и строительства на территориях, сложенных вечиомерзлыми грунтами:

принцип I — в основании зданий и сооружений сохраняется вечномерзлое состояние грунтов как в процессе строительства, так и в течение всего периода эксплуатации;

принцип II — в основании зданий и сооружений использу­ются предварительно оттаянные грунты или грунты, оттаиваю­щие в период эксплуатации (следовательно, по принципу II ■вечномерзлое состояние грунтов не сохраняется).

В районах с отрицательной среднегодовой температурой при строительстве на площадках, не имеющих слоя вечномерз­лых грунтов, фундаменты проектируют и строят как в рай­онах с сезонным промерзанием грунтов. Дополнительно при­нимают меры по исключению образования в основании соору­жений линз мерзлого грунта как в период строительства, так и во время эксплуатации.

Если вечномерзлые грунты залегают лишь под частью про­ектируемого здания, то грунты основания либо предварительно искусственно замораживают и тогда проектируют фундаменты по принципу I, либо, наоборот, оттаивают и строят здание как на талых грунтах.

Сохранение вечномерзлого состояния грунтов в основании зданий при проектировании и строительстве по принципу I обычно обеспечивается следующими приемами: возведением

12 Б. И. Далматав 353

Рис. 14.6. Схемы устройств для сохранения в основайии вечномерзлого со

стояния грунтов

1 — вечномерзлый грунт; 2 — верхняя граница слоя вечномерзлого грунта; 3 —деятель­ный слой; 4 — насыпной непучинистый грунт; 5 — теплоизоляция; б — вентилируемое подполье; 7 —сваи; 8 — неотапливаемый I этаж; 5—вентиляционные каналы, охла­ждающие грунты воздухом; /в — замораживающие колонки

зданий на подсыпках (рис. 14.6,а); теплоизоляцией поверхно­сти грунта под полом здания (рис. 14.6,6); устройством вен-тилируемых подполий (рис. 14.6, й); расположением в 1-м эта­же зданий неотапливаемых помещений (рис. 14.6,г); проклад­кой под полом здания охлаждающих вентиляционных каналов (рис. 14.6, д); искусственным охлаждением грунтов с помощью специальных установок (например» аамораживающие колонки на рис. 14.6, е). '

Возведение зданий на подсыпках и с теплоизоля­цией поверхности и гр у н т а применимо при сравнитель­но небольшой ширине зданий (в основном до Юм). Эти приемы строительства рассчитаны на охлаждение массива грунта ос­нования с боков. Если такое охлаждение окажется недостаточ­ным, то массив грунта будет постепенно прогреваться и нач­нется оттаивание грунтов в основании.

Наиболее эффективно устройство охлаждаемых в е н т и лируемых подполий (см. рис. 14.6, а). Такой прием це­лесообразен при возведении жилых, общественных и промыш­ленных зданий. При этом все чаще устраивают свободно про­ветриваемое подполье, поднимая рандбалку над поверхностью земли. В некоторых случаях по архитектурным соображениям подполье закрывают, оставляя в его стенах отверстия (про­духи). Подполье- служит одновременно местом для разводки труб водопровода, канализации, теплофикации и газа, которые подвешивают к перекрытию.

364

Для предотвращения застаивания воды в подполье глино­битный пол в нем делают выше отмосток с уклонами наружу. Кроме того, под трубопроводами располагают лотки для отво­да аварийных вод за пределы здания.

Вследствие температурных колебаний рандбалки в под­польях периодически удлиняются и укорачиваются. При не­большом возвышении над поверхностью земли сравнительно жестких верхних частей фундаментов это приводит к разруше­нию их косыми трещинами. Для исключения таких разрушений надземную часть фундаментов рекомендуется устраивать гибкой, по возможности небольшого сечения и наибольшей высоты. Кроме того, рандбалки делают разревной конструкции.

При устройстве низких продухов они могут быть занесены снегом, что исключит .вентиляцию подполий. К постепенному уменьшению продухов и затруднению вентиляции подполья мо­жет привести также периодический ремонт покрытия панели око­ло здания с поднятием ее отметки.

Особое внимание должно быть уделено прокладке по ули­цам трубопроводов, выделяющих тепло (теплофикации, водо­провода, канализации). Их целесообразно прокладывать в проходных вентилируемых тоннелях (коллекторах): внутри-квартальную сеть иногда прокладывают в надземных кана­лах. Короче говоря, при сохранении вечномерзлого состояния грунтов в основании надо принимать все меры, исключающие проникание тепла в грунт и обеспечивающие охлаждение по­верхности грунтов под зданием и около него.

Неотапливаемые помещения, располагаемые в 1-м этаже, выполняют роль вентилируемого подполья. Для ин­тенсивного охлаждения их стены 1-го этажа делают из тепло­проводного материала, а окна — с одинарным остеклением. Недопустимо расположение здесь утепленных помещений, а также укладка на зиму непосредственно на пол каких-либо материалов.

В производственных зданиях с большими нагрузками на пол, а также при больших размерах этих зданий в плане при­ходится устраивать под полом вентиляционные к а н а ■< лы (см. рис. 14.6,5), а в местах выделения большого количе­ства тепла в грунт в результате технологических процессов применять искусственное охлаждение грунтов са­морегулирующими колонками или специальными холодильны­ми установками с замораживающими колонками.

В некоторых случаях сохранение вечномерзлого состояния грунтов в основании обеспечивают устройством свайных фундаментов или фундаментов глубокого заложения, врезаемых в веч померзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под зданием. Такое решение мо­жет сопровождаться укладкой теплоизоляции под полом отап-

12* • ■ 355

о.)

1~-г-т-С

Рис. 14.7. Схемы регулирования процесса оттаивания основания под зданием

/ — вечномерзлый грунт; 1 — верхняя граница слоя вечномерзлого грунта в конце

процесса оттаивания; 3 — то же, в промежуточных состояниях; 4 — оттаявший грунт;

5 — консоль; 6 — обогревающий трубопровод

ливаемого здания, что существенно уменьшает глубину оттаи­вания. Кроме того, нельзя допускать проникания теплой воды в грунты основания, поскольку это вызывает местное оттаива­ние грунтов.

По принципу II проектирования и строительства фунда­ментов оттаивание грунтов в основании допускается как после возведения здания, так и перед устройством фундаментов при инженерной подготовке территории под застройку.

Допуская оттаивание грунтов в основании во время эксплу­атации зданий, всегда следует считаться с возможностью воз­никновения дополнительных просадок. Дополнительные про­садки фундаментов зданий иногда наблюдались при оттаива­нии даже трещиноватой скальной породы и крупнообломочных грунтов. В связи с этим при проектировании и строительстве фундаментов по -принципу II необходимо возводить здания из конструкций, малочувствительных к неравномерным осадкам ,'.,(см. п. 9.3 и п. 14.2), а в некоторых случаях предусматривать возможность регулирования процесса оттаивания. Поскольку наиболее опасны неравномерности осадок, необходимо так про­ектировать здания, чтобы тепловое влияние их развивалось примерно равномерно под всеми фундаментами. Обычно на­ибольшая неравномерность наблюдается между осадками фун­даментов внутренних конструкций (стен и колонн) и фунда­ментов наружных стен, особенно если последние имеют выно­сы наружу. В связи с этим целесообразно фундаменты наруж­ных стен относить внутрь здания и возводить наружные стены и колонны на консолях (рис. 14.7, а) или во время оттаивания грунтов основания обогревать грунт около здания (рис. 14.7 6)..

Если вечномерзлые грунты содержат включения льда даже в виде миллиметровых прослоев, использование их в основании с оттаиванием в процессе эксплуатации небезопасно. Малей­шая неравномерность оттаивания грунтов может привести к

356

недопустимым деформациям с появлением в стенах продувае-¹ мых трещин.

При таких грунтах правильнее либо применять принцип I строительства,, либо, предварительно оттаивать грунты на месте возведения здания на необходимую глубину. Для оттаивания грунтов используют паровые иглы, электропрогрев и др. При­менение паровых игл обеспечивает максимальную скорость процесса оттаивания, но приводит к дополнительному увлаж­нению грунтов, что обычно недопустимо. Оттаявшую массу грунта, как правило, надо уплотнить.

Пески и даже гравелистые грунты после оттаивания часто находятся в рыхлом состоянии, что недопустимо для грунтов в основании, особенно если они будут испытывать в дальней­шем динамические воздействия, в т. ч. сейсмические.

Пылевато-глинистые грунты после оттаивания часто имеют большую влажность и обладают значительной сжимаемостью, поэтому их относят к категории слабых сильносжимаемых грунтов. Методы строительства на них освещены в п. 12 н п. 14.2.

Иногда грунты в основании предварительно оттаивают лишь на ту глубину, в пределах которой возможно развитие наи­больших неравномерностей просадки. Такое решение допусти­мо только при грунтах, обладающих относительно малой де-формативностью при оттаивании. При большой глубине зоны ожидаемого оттаивания под зданием ее целесообразно умень­шать путем укладки теплоизоляции под полом.

14.4.2. Выбор глубины заложения подошвы фундамента

Глубину заложения подошвы фундаментов зданий, воз­водимых с сохранением вечномерзлого состояния грунтов (по принципу I), при сливающемся деятельном слое определяют исходя из расчетной глубины сезонного оттаивания грунтов, заглубляя фундаменты, возводимые в открытых котлованах, в вечномерзлый грунт не менее чем на 1 м, а сваи — не менее чем на 2 м. Расчетную глубину сезонного оттаивания грунтов dth для зданий с вентилируемым подпольем вычисляют по формуле

^dth = ^kh^dth.n< (14.5)

где k_h—коэффициент теплового влияния зданий: принимается у наружных стен с асфальтовыми отмостками равным 1,2, у наружных стен без асфаль­товых отмосток—1, у внутренних стен — 0,8; d._tll. „ — нормативная глубина оттаивания, обычно устанавливается на основе теплотехнического расчета или по картам с поправкой на влажность грунта *,

*Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройтлат1977. С. 161.

357

.При проектировании и строительстве по принципу II, т. е. с оттаиванием грунтов, глубину заложения подошвы фунда* ментов устанавливают так же, как для фундаментов, возводи­мых в районах сезонного промерзания (см. п. 9.5). При этом надо учитывать, что с северной стороны в зоне затенения мо­жет образовываться линза мерзлого грунта, которая будет способствовать более глубокому промерзанию грунтов.

14.4.3. Расчет центрально нагруженных

фундаментов, возводимых с сохранением вечномерзлого состояния грунта (по принципу I)

При наличии в основании проектируемого сооружения ' твердомерзлых грунтов, которые при устройстве¹ фундаментов по принципу I характеризуются очень большим модулем де­формации, основание рассчитывают только по первой группе предельных состояний (по несущей способности). Следователь­но, при расчете должно быть удовлетворено условие (9.13).

Столбчатые и свайные фундаменты, заделанные в вечно-мерзлый грунт, передают нагрузку не только подошвой (пя­той), но и боковой поверхностью. В связи с этим при определе­нии их несущей способности учитывают как лобовое сопротив­ление грунта, так и сопротивление смерзания грунта с их бо­ковыми поверхностями.

Несущую способность фундамента или сваи определяют по формуле

где у„ и у — соответственно температурный коэффициент и коэффициент условий работы грунтов основания, принимаемые по СНиП 11-18—76; R — расчетное сопротивление мерзлого грунта при расчетной температуре, опре­деляемое по СНиП П-18—76, на глубине заложения подошвы фундамента или нижнего конца сваи, равной dth + z; A — площадь подошвы фундамента или сечения нижнего конца сваи; R_a[, t — среднее расчетное сопротивление смерзания мерзлого грунта обратной засыпки или грунтового раствора, окру­жающего фундамент или сваю (рис. 14.8, а и в), зависящее от температуры грунта на глубине середины рассматриваемого слоя, определяемой по СНиПу; Aaf.i—площади поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента или i-ro слоя грунта с боковой поверхностью сваи; п — число слоев по высоте вмороженной части нижней ступени фундамента или сваи.

Возникает вопрос; из каких температур следует исходить при определении значений R и R_af? В общем случае, согласно данным теплотехнических расчетов, а также наблюдений, мак­симальные температуры до границы нулевых амплитуд сезон­ных колебаний температуры с глубиной понижаются (рис. 14.8,в). Если исходить из максимальной температуры на любой глубине, значения R и R_af получаются заниженные, так

358

t£=k

ЖЯ7Ж

^Г1Щ

v

_¥

№ Рис. 14.8, Расчетные схемы

е — отдельного фундамента; 6 — свайного фундамента; в — изменение максимальной

температуры по глубине

как эта температура действует на глубине г в течение непро­должительного времени в первой половине зимы, когда дея­тельный слой еще не промерз. В дальнейшем температура на данной глубине понижается и грунт будет характеризоваться большими значениями R и R_af- Таким образом, если исходить из длительной прочности грунтов при определении R и Raf, по­лучится излишний запас, обусловленный тем, что наиболее высокая температура на данной глубине действует не постоянно, а периодически.

Кроме того, в каждый момент времени температура в пре­делах глубины сваи неодинакова. Чтобы не учитывать неоди­наковую прочность грунта на глубине, обычно находят эквива­лентную температуру, которая позволяет определять среднее значение /?_а;-

Значения температур грунта устанавливают теплотехниче­ским расчетом. Для упрощения расчетов в СНиПе даны таб­лицы коэффициентов для определения температур грунта, тре­бующихся в расчете несущей способности фундаментов и свай.

Несущую способность сваи можно проверить эксперимен­тально. В таком случае сила предельного сопротивления осно­вания F,, одиночной сваи, по данным испытания вдавливающей статической нагрузкой, определяется из выражения

где Yj. — температурный коэффициент, учитывающий различие температур­ных условий грунта во время опыта и в период эксплуатации; к — коэффи­циент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемой свай:

Faxp — расчетное сопротивление сваи статической нагрузкой, кН: F_ex'=F_nJy • F_u , F _•—- силы предельного сопротивления, определяемые по формуле

359

If 14.6) для соответственно проектируемой и опытной спаи, устанавливаемые с учетом температурных условий сваи под сооружением и при испытании опытной сваи на различных глубинах; F_n — нормативное предельно дли­тельное сопротивление основания сваи статической нагрузке, кН, определяв* мое по ГОСТ 24546—81; y_s — коэффициент надежности по грунту, обычно равный 1,1.

Рассмотренный расчет несущей способности столбчатых фундаментов и свай справедлив, если к фундаменту приложены постоянные или длительно действующие нагрузки. При кратко­временных нагрузках (например, действии ветра, сейсмических волн, снеговой нагрузки и др.) мерзлый грунт будет оказывать вначительно большее сопротивление. В связи с этим целесооб­разно вводить на эти нагрузки понижающий коэффициент, учитывающий не только вероятность одновременного их воз­действия, но и повышенное сопротивление мерзлых грунтов при . непродолжительном действии нагрузки.

Поскольку несущая способность мерзлых грунтов зависит от льдистости, нормы дают расчетные давления на грунты оснований свайных фундаментов только при льдистости U ^ 0,4 и запрещают возведение отдельных фундаментов на слое льда без устройства распределительной подушки. Исследования по­казали, что сильнольдистые грунты можно использовать в ка­честве основания, если проводить расчет по деформациям с учетом ползучести такого грунта.

14.4.4. Расчет внецентренно

нагруженных фундаментов, возводимых

с сохранением вечномерзлого

состояния грунта

(по принципу 1)

При действии на столбчатый фундамент момента от внешних нагрузок, стремящихся повернуть его, возникают со­противления смерзания грунта по боковым граням фундамента и сопротивление горизонтальному смещению обреза фунда­мента при его повороте относительно горизонтальной оси вра­щения, проходящей через центр тяжести подошвы. Вследствие обычно небольшого сечения верхней части фундамента и отно­сительно высоких температур сопротивлением горизонтальному смещению обреза фундамента пренебрегают (в запас). В та­ком случае на подошву фундамента будет передаваться момент

М_а = М - M_af,

гд-е М — момент от внешних нагрузок, действующий в плоскости подошвы фундамента относительно одной из ее осей; Maf — момент сопротивления грунта в результате смерзания его с нижней ступенью фундамента по его граням, определяемый для случая, когда момент действует относительно одной оси фундамента (рис. 14.9} по формуле

M_af = y_cRafhpt (b + 0,5/); (14.9)

360

»гнмтш

sh

f'' ^R

Рис. 14.9. Расчетная схема при внецентренном загружеиии фундамента

у,_: — коэффициент условий работы мерзлых грунтов основания, принимаемый так же, как для формулы (14.6); R_a;— расчетное сопротивление смерзания грунта с бетоном, определяемое так же, как и ранее на глубине г — 0,5й„, соответствующей заглублению середины нижней ступени фундамента от верх­ней границы вечномерзлого грунта; h_p — высота боковой поверхности нижней ступени фундамента; I — размер подошвы фундамента в плоскости действия момента; b — размер подошвы, перпендикулярный размеру I.

Когда по расчету подошва фундамента отрывается от осно­вания, можно дополнительно учесть сопротивление грунта над уступом фундамента р\, которое не должно превышать расчет­ное сопротивление мерзлого грунта над уступом или сопротив­ление мерзлого грунта сдвигу выше уступа фундамента R_Sh (рис. 14.9). Значения р\ и 1\ находят из двух уравнений равно­весия (рис. 14.9)—проекции всех сил на вертикальную ось и момента всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести площади подошвы.

14.4.5. Расчет фундаментов при действии горизонтальных сил

Расчет фундаментов на плоский сдвиг по подошве при действии значительных горизонтальных сил проводят анало­гично расчету фундаментов на немерзлых грунтах. При этом основное сопротивление будет оказывать не трение, а смерза­ние грунта с фундаментом по его подошве и боковым граням. При расчете свай на действие горизонтальных нагрузок учитывают их совместную работу с мерзлым грунтом основа­ния. Коэффициент постели обычно принимают возрастающим по глубине. Работой слоя оттаивающего грунта часто прене­брегают.

361

14.4.6. Расчет фундаментов,

возводимых в пластично-мерзлых

и сыпучемерзлых грунтах,

по второй группе предельных

состояний (по деформациям)

Расчетные величины осадок и их неравномерностей определяют в соответствии с методами, изложенными в п. 7. Характеристики деформируемости грунтов вычисляют для рас­четной температуры в период эксплуатации зданий. Получен­ные расчетом величины осадок и их неравномерностей должны удовлетворять условиям (9.5) и (9.6).

В основании отапливаемых зданий вследствие неустойчивости пластично-мерзлого грунта либо предусматривают искусственное понижение температуры, либо проектируют фундаменты по прин­ципу П.

14.4.7. Расчет оснований при возведении

фундаментов без сохранения вечномерзлого состояния грунта (по принципу II)

Различают основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину, основания с предварительно оттаян­ными грунтами только в верхней зоне (остальная часть осно­вания оттаивает в процессе эксплуатации сооружений) и осно­вания, грунты которых оттаивают на всю глубину в процессе эксплуатации.

Основания с предварительно оттаянными грунтами на всю глубину проектируют так же, как основания, сложенные не­мерзлыми грунтами (см. п. 6...13).

Основания, в которых грунты оттаяны только в верхней зоне, а подстилающие грунты оттаивают в процессе эксплуата­ции, рассчитывают по второй группе предельных состояний как основания немерзлых грунтов и оттаявшие основания прове­ряют на устойчивость по первой группе предельных состояний.

Основания, грунты которых оттаивают на всю глубину во время эксплуатации сооружений, рассчитывают по первой группе предельных состояний с учетом процесса оттаивания верхних слоев и по второй группе предельных состояний, исходя из деформаций всего основания как от нагрузок, передаваемых фундаментами, так и под действием собственного веса грунта. Деформируемость грунтов при оттаивании рассмотрена в п. 3.3.

Осадка с просадкой частично или полностью оттаивающего основания состоит из двух слагаемых: осадки s_p уплотнения грунта от давления под подошвой фундамента, которая опреде­ляется как для талых грунтов по СНиП 2.02.01—83, и осадки 'stH дополнительной, возникающей за счет оттаивания толщи вечномерзлого грунта в процессе эксплуатации под действием

362

собственного веса. Следовательно,-

Дополнительную осадку stn СНиП рекомендует определять по формуле

п

где п — число выделенных при расчете слоев грунта; Am. i — коэффициент оттаивания, доли единицы; 6; — коэффициент сжимаемости £-го слоя оттаи­вающего грунта, кПа"¹; Ozg. (— вертикальное природное напряжение в се­редине 1-го слоя грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины zi, считая от уровня планировочной отметки с учетом взвешивающего действия воды для водопроницаемых грунтов; hi — толщина £-го слоя оттаивающего грун­та, м.

Коэффициенты Л(й и б,- устанавливаются экспериментально по результатам полевых или лабораторных испытаний грунтов (см. п. 3.3).

Величину осадки уплотнения s_p определяют одним из мето­дов, изложенных в п. 7.

■- Полученное по формуле (14.10) значение s должно удов­летворять условию (9.5) или (9.6). Однако это не гарантирует от развития значительных неравномерностеи осадок в ходе от­таивания грунта. По этой причине производят теплотехниче­ский расчет процесса оттаивания грунтов под отдельными фундаментами и анализируют неравномерности осадки во времени.

Для песков, супесей и даже суглинков (с некоторым при­ближением) можно считать, что стабилизация осадки наступает в процессе оттаивания. В таком случае осадку под действием собственного веса грунта sth устанавливают для оттаивающих зон в течение принятых промежутков времени. Осадку же под действием давления, передаваемого фундаментами, определяют с учетом деформируемости грунта, оттаявшего на данное вре­мя. Если при таких расчетах окажется удовлетворенным усло­вие (9.5), значит принятое решение об использовании оттаивающих грунтов в основании допустимо. При этом, конечно, предполагает­ся, что поверхность оттаивающего

Рис. 14.10. Схема перемещения верхнейграницы слоя вечяомерзлого грунта в про-цессе его оттаивания под фундаментом на-

ружной стены 1 — положения границы оттаивания; 2 — фунда-

363

массива под каждым отдельным фундаментом относительно го­ризонтальна. Под фундаментами наружных стен граница оттаи­вания может перемещаться и в горизонтальном направлении (рис. 14.10) .В такэм случае возможен поворот фундамента в сто­рону оттаивающего грунта.

При медленном, уплотнении оттаивающих грунтов можно провести расчет процесса оттаивания и уплотнения пылевато-глинистых грунтов с учетом фактора времени *.

Проектирование на региональных грунтах (засоленных, торфянистых, сильнольдистых и др.) рассмотрено в СНиП П-18-76.