Расчет оснований и фундаментов по несущей способности при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I
Как уже было отмечено, при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I расчет оснований следует производить:
по несущей способности - для твердомерзлых грунтов;
по несущей способности и деформациям - для пластичномерзлых и сильнольдистых грунтов, а также подземных льдов.
Расчет оснований фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) производится исходя из условия:
F £ Fu /gn (4.11)
где F – расчетная нагрузка на основание;
Fu – несущая способность (сила предельного сопротивления) основания, определяемая расчетом, а для оснований свайных фундаментов – дополнительно и по данным полевых испытаний свай и статического зондирования;
gn – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 в зависимости от вида и класса ответственности сооружения.
Несущая способность основания Fu, кН (кгс), висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле [8]:
, (4.12)
где gt – температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения из-за случайных изменений температуры воздуха;
gс – коэффициент условий работы основания (табл. 4.6);
Таблица 4.6
Коэффициенты условий работы основания [8]
| Виды фундаментов и способы их устройства | Коэффициент gс |
| Столбчатые и другие виды фундаментов на естественном основании | 1,0 |
| То же на подсыпках | 0,9 |
| Буроопускные сваи с применением грунтовых растворов, превышающих по прочности смерзания вмещающие грунты | 1,1 |
| То же при равномерной прочности грунтовых растворов и вмещающего грунта | 1,0 |
| Опускные и буронабивные сваи | 1,0 |
| Бурозабивные сваи при диаметре лидерных скважин менее 0,8 диаметра свай | 1,0 |
| То же при большем диаметре лидерных скважин | 0,9 |
R – расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента (табл. 4.7), кПа (кгс/см2);
А – площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м2 (см2), принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения, для полых свай, погруженных с открытым нижним концом, – площади поперечного сечения сваи брутто при заполнении ее полости цементно-песчаным раствором или грунтом на высоту не менее трех диаметров сваи;
Raf,i – расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах i-го слоя грунта (табл. 4.8), кПа (кгс/см2);
Аaf,i – площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента – площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента, м2 (см2);
n – число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.
При однородных по составу многолетнемерзлых грунтах несущую способность основания висячей сваи допускается определять по формуле [8]:
Fu = gtgc(RA + Raf Aaf) (4.13)
Расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те определяются расчетом теплового взаимодействия сооружения с многолетнемерзлыми 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.
Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой фундамента R и расчетные сопротивления мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания фундамента Raf устанавливаются по данным испытаний грунтов, проводимых в соответствии с ГОСТ 12248, с учетом расчетных температур грунта основания Тm, Tz и Те, определяемых теплотехническим расчетом, и коэффициента надежности по грунту gg, принимаемому:
а) для расчета оттаивающих оснований по деформациям с учетом совместной работы сооружения (фундаментов) и деформируемого основания - в соответствии с ГОСТ 20522 при доверительной вероятности a, принимаемой в соответствии с нормами проектирования конструкций сооружения, но не менее 0,95;
б) для расчета оттаивающих оснований по деформациям без учета совместной работы основания и сооружения, а также при предварительном оттаивании грунтов - при доверительной вероятности a, принимаемой согласно СП 22.13330.2011.
При определении расчетных значений физических и теплофизических характеристик грунтов коэффициент надежности по грунту gg допускается принимать равным 1,0.
По результатам испытаний грунтов шариковым штампом или на одноосное сжатие расчетные значения R, кПа, вычисляются по формуле
R = 5,7cn/gg + gId,
– где cn - нормативное значение предельно длительного сцепления, кПа, принимаемое равным: cn = cegn при испытаниях грунтов шариковым штампом и cn = 0,5Rcn - при испытаниях на одноосное сжатие, где cegn и Rcn - соответственно предельно длительное эквивалентное сцепление и сопротивление грунта одноосному сжатию;
– gI - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3;
– d - глубина заложения фундамента, м.
Для расчета оснований сооружений II и III уровней ответственности, 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 R, Raf допускается принимать по их физическим характеристикам, составу и температуре в соответствии с табличными данными (табл. 4.7, 4.8).
Таблица 4.7
Расчетные давления на мерзлые незасоленные грунты R под нижним концом сваи
| Грунты | Глубина погру-жения свай, м | Расчетные давления R, кПа (при температуре грунта, °С | |||||||||||
| –0,3 | –0,5 | –1 | –1,5 | –2 | –2,5 | –3 | –3,5 | –4 | –6 | –8 | –10 | ||
| При льдистости ii < 0,2: | |||||||||||||
| 1. Крупно-обломочные | При любой глубине | 6800) | |||||||||||
| 2. Пески крупной и средней крупности | 4600) | ||||||||||||
| 3. Пески мелкие и пылеватые | 3–5 | ||||||||||||
| 15 и более | |||||||||||||
| 4. Супеси | 3–5 | ||||||||||||
| 1600) | |||||||||||||
| 15 и более | 1600) | ||||||||||||
| 5. Суглинки и глины | 3–5 | ||||||||||||
| 15 и более | |||||||||||||
| При льдистости грунтов 0,2 £ ii £ 0,4 | |||||||||||||
| 6. Все виды грунтов, указанные в поз. 1–5 | 3–5 | ||||||||||||
| 15 и более |
Таблица 4.8
Расчетные сопротивления мерзлых незасоленных грунтов и грунтовых растворов сдвигу по поверхности смерзания Raf [8]
| Грунты | Расчетные сопротивления мерзлых грунтов Raf, кПа (кгс/см3), при температуре грунта, ° С | |||||||||||
| –0,3 | –0,5 | –1 | –1,5 | –2 | –2,5 | –3 | –3,5 | –4 | –6 | –8 | –10 | |
| Глинистые Песчаные | (0,4) | (0,6) | (1,0) | (1,3) | (1,5) | (1,8) | (2,0) | (2,3) | (2,5) | (3,0) | (3,4) | (3,8) |
| (5,0) | (8,0) | (1,3) | (1,6) | (2,0) | (2,3) | (2,6) | (2,9) | (3,3) | (3,8) | (4,4) | (5,0) |
Температурный коэффициент gt определяется по формуле
,
t - длительность эксплуатации сооружения, лет; v - коэффициент вариации несущей способности, безразм.:
,
– где Tbf - температура начала замерзания грунта, °С,
– T0' - расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, °С (для оснований опор линий электропередач, антенно-мачтовых опор и трубопроводов 
принимается равной среднегодовой температуре многолетнемерзлого грунта 
);
– A - амплитуда сезонных колебаний температуры наружного воздуха, °С, определяемая как полуразность значений среднемесячной температуры самого теплого и самого холодного месяца по СП 131.13330;
– s - среднее квадратическое отклонение среднегодовой температуры наружного воздуха, °С, определяемое по табл. 4.10;
– Dm,e - коэффициент затухания случайных колебаний температуры с глубиной, безразм., определяемый по табл. 4.9 и принимаемый равным Dm для столбчатых и ленточных фундаментов и De – для свайных; Tm,e - расчетная температура многолетнемерзлого грунта, °С,
– C – коэффициент, град 1/ 2, принимаемый равным 0,24 для свайных фундаментов, а для столбчатых и ленточных – в зависимости от вида грунта под подошвой фундамента: 0 - для крупнообломочных и песчаных грунтов, 0,19 - для супесей и 0,29 - для суглинков и глин.
Таблица 4.9
Коэффициенты затухания случайных колебаний температуры с глубиной
| Коэффициенты | Значения  | |||||||||
| (0) | (25) | (50) | (75) | (100) | (125) | (150) | (175) | (250) | (300) | |
| Dm | (0) | 0,86 (0,80) | 0,75 (0,66) | 0,66 (0,54) | 0,58 (0,46) | 0,46 (0,39) | 0,37 (0,34) | 0,31 (0,29) | 0,21 (0,21) | 0,16 (0,18) |
| De | (0) | 0,93 (0,90) | 0,86 (0,79) | 0,79 (0,73) | 0,71 (0,66) | 0,66 (0,60) | 0,58 (0,55) | 0,52 (0,50) | 0,41 (0,41) | 0,34 (0,36) |
| Условные обозначения: z - глубина заложения подошвы фундамента от поверхности многолетнемерзлого грунта, м; cf - объемная теплоемкость мерзлого грунта, Дж/(м3 0С) [ккал/(м3 0С)]; γf - теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м.0С) [ккал/(м.ч.0С)] |
Таблица 4.10
Среднее квадратическое отклонение средней годовой температуры наружного воздуха ( 
) (с сокращениями)
| Метеостанция | Широта, град | Долгота, град | , 0С | Метеостанция | Широта, град | Долгота, град |  , 0С | |
| Иркутская область | ||||||||
| Алыгджер | 53,6 | 98,2 | 0,82 | Качуг | 54,0 | 105,9 | 0,78 | |
| Балаганск | 53,7 | 106,3 | 0,84 | Киренск | 57,8 | 108,1 | 1,29 | |
| Бодайбо | 57,9 | 114,2 | 1,15 | Мама | 58,3 | 112,8 | 1,13 | |
| Братск | 56,3 | 101,8 | 1,19 | Нижнеудинск | 54,9 | 99,0 | 0,91 | |
| Верхняя Гутара | 54,2 | 100,0 | 0,81 | Орлинга | 56,1 | 105,8 | 1,06 | |
| Ербогачен | 61,3 | 108,0 | 1,44 | Тайшет | 56,0 | 98,0 | 1,12 | |
| Жигалово | 54,8 | 105,2 | 0,98 | Тангуй | 55,4 | 101,0 | 0,99 | |
| Зима | 53,9 | 102,1 | 0,93 | Танхой | 51,5 | 105,0 | 0,71 | |
| Инга | 53,0 | 102,0 | 0,65 | Усть-Илимск | 58,0 | 102,7 | 1,35 | |
| Иркутск | 52,3 | 104,4 | 1,10 | Усть-Уда | 54,5 | 103,3 | 0,87 | |
| Казачинск | 56,3 | 107,5 | 1,20 | Хамар-Дабан | 51,5 | 103,6 | 0,78 | |
| Красноярский край | ||||||||
| Агата | 66,9 | 93,5 | 1,31 | Ессей | 68,5 | 102,4 | 1,28 | |
| Байкит | 61,7 | 96,4 | 1,42 | Игарка | 67,5 | 86,6 | 1,33 | |
| Ванавара | 60,3 | 102,3 | 1,50 | Норильск | 69,5 | 88,3 | 1,49 | |
| Верхне-Имбатское | 63,2 | 88,1 | 1,47 | Туруханск | 65,9 | 88,1 | 1,23 | |
| Волочанка | 71,0 | 94,5 | 1,41 | Тура | 64,3 | 100,2 | 1,17 | |
| Ханты-Мансийский а.о. | ||||||||
| Сургут | 61,4 | 73,5 | 1,16 | Ханты-Мансийск | 61,1 | 69,1 | 1,10 | |
| Читинская область | ||||||||
| Акша | 50,3 | 113,3 | 0,78 | Кыра | 49,6 | 112,0 | 0,63 | |
| Амазар | 53,7 | 120,7 | 0,78 | Нерчинский з-д | 51,3 | 119,6 | 0,70 | |
| Борзя | 50,4 | 116,5 | 0,75 | Хилок | 51,4 | 110,5 | 0,76 | |
| Калакан | 55,1 | 116,8 | 0,92 | Чара | 56,9 | 118,3 | 1,07 | |
| Красный Чикой | 50,3 | 108,8 | 0,78 | Чита | 52,0 | 113,3 | 0,98 | |
| Республика Саха (Якутия) | ||||||||
| Алдан | 58,6 | 125,0 | 1,11 | Оленек | 68,5 | 112,4 | 1,21 | |
| Амга | 60,9 | 132,0 | 1,17 | Сангар | 64,0 | 127,5 | 1,00 | |
| Верхоянск | 67,5 | 133,3 | 1,07 | Саханджа | 69,8 | 128,1 | 1,20 | |
| Витим | 59,5 | 112,6 | 1,43 | Сеген-Кюель | 64,0 | 130,3 | 0,90 | |
| Делянкир | 63,8 | 145,6 | 1,00 | Сухана | 68,8 | 117,9 | 1,32 | |
| Жилинда | 70,1 | 113,8 | 1,15 | Тикси | 71,7 | 128,7 | 1,26 | |
| Западная | 62,9 | 138,5 | 1,07 | Туой-Хая | 62,5 | 111,2 | 1,45 | |
| Зырянка | 65,8 | 150,8 | 0,91 | Усть-Мая | 60,4 | 134,5 | 1,00 | |
| Маак | 67,8 | 115,5 | 1,49 | Чульман | 56,8 | 124,9 | 0,96 | |
| Мирный | 62,5 | 114,0 | 1,29 | Чумпурук | 64,2 | 116,9 | 1,20 | |
| Мянгкяра | 68,0 | 123,0 | 1,22 | Шелагонцы | 66,3 | 114,3 | 1,12 | |
| Нюрба | 63,3 | 118,3 | 1,34 | Якутск | 62,1 | 129,5 | 1,15 | |
| Оймякон | 63,3 | 143,2 | 0,98 | Ярольин | 67,1 | 108,5 | 1,54 | |
| Ямало-Ненецкий а.о. | ||||||||
| Гыдояма | 70,9 | 78,5 | 1,40 | Салехард | 66,6 | 66,6 | 1,46 | |
| Марре-Сале | 69,7 | 66,8 | 1,39 | Тазовский | 67,5 | 78,8 | 1,33 | |
| Надым | 65,6 | 72,5 | 1,22 | Тамбей | 71,5 | 71,8 | 1,14 | |
| о.Белый | 73,3 | 70,7 | 1,47 | Тарко-Сале | 64,9 | 77,8 | 1,27 | |
| Ныда | 66,6 | 73,0 | 1,46 | Уренгой | 66,0 | 78,4 | 1,50 | |
| Полуй | 66,0 | 68,7 | 1,44 | Харасавэй | 71,2 | 66,9 | 1,59 | |
При расчетах многолетнемерзлых оснований по несущей способности деформациям расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те следует принимать равными:
– 
Тm – максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента zd, отсчитываемой от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта;
– Те – максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундамента zd температуре многолетнемерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная температура грунта) (рис. 4.1);
– Tz – температура многолетнемерзлого грунта на данной глубине z от его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры Те.
Для оснований свайных, столбчатых и других видов фундаментов сооружений с холодным (вентилируемым) подпольем, опор трубопроводов, линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений, кроме оснований опор мостов, расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те допускается определять по формулам для оснований сооружений с холодным подпольем [8]:
под серединой сооружения
; (4.14)
под краем сооружения
; (4.15)
под углами сооружения
, (4.16)
где Т’0 – расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, ° С; определяется расчетом по условию обеспечения требуемых значений расчетной температуры грунтов в основании сооружения с учетом мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка строительства. Допускается принимать значение Т’0 – Tbf по табл. 4.9 в зависимости от среднегодовой температуры грунта, Т0, и температуры начала замерзания грунта Tbf, ° С; с учетом ширины сооружения В и глубины заложения фундаментов z. Значение Т’0 находится как разница между табличным значением (табл. 4.11) и Tbf.
Таблица 4.11
Расчетная среднегодовая температура 
на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения [8]
Значения  , °С | Ширина сооружения В, м | Значения °С, для фундаментов | ||||
| столбчатых при глубине заложения z, м | свайных при глубине заложения z, м | |||||
| –0,5 | –10 –8 | –3,5 –2,5 | –5 –3,5 | –3 –2,5 | –2,5 –2 | |
| –1 | –10 –8 | –3 –2,5 | –4 –3,5 | –2,5 –2 | –1,5 –1,5 | |
| –2 | –9 –7 | –2 –2 | –3 –3 | –1,5 –2 | –1 –1 | |
| –5 | –6,5 –6 | –1 –1 | –1 –2 | –1 –1 | –1 –1 | |
| –8 | –3 –4 | –1 –1 | –1 –1 | –1 –1 | –1 –1 |
– am, az, ae – коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемых по табл. 4.12 в зависимости от значения параметра 
, с0,5 (ч0,5), где z – глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта, м; Cf – объемная теплоемкость, Дж/ (м3×°С) и lf – теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м3×°С), am – для расчета столбчатого фундамента, az и ae для свайного;
– k1, k2 и k3 – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 4.13 в зависимости от отношений z/В и L/В, L и В – соответственно длина и ширина сооружения, м. Глубина заложения фундаментов z отсчитывается от уровня верхней поверхности многолетнемерзлого грунта.
– kts – коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений, принимаемый по табл. 4.14 в зависимости от вида и глубины заложения фундаментов z, м.
Таблица 4.12
Коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания [8]
| Коэф-фици- енты | Значения  (ч0,5) | |||||||||
| (0) | (25) | (50) | (75) | (100) | (125) | (175) | (175) | (250) | (300) | |
| am | (0) | 0,28 (0,38) | 0,47 (0,61) | 0,61 (0,76) | 0,71 (0,85) | 0,85 (0,91) | 0,92 (0,94) | 0,96 (0,96) | 0,99 (0,99) | 1,00 (1,00) |
| az | (0) | 0,30 (0,40) | 0,52 (0,67) | 0,67 (0,85) | 0,80 (0,95) | 0,95 (1,01) | 1,02 (1,03) | 1,03 (1,03) | 1,01 (1,01) | 1,00 (1,00) |
| ae | (0) | 0,14 (0,21) | 0,26 (0,38) | 0,38 (0,51) | 0,47 (0,61) | 0,61 (0,68) | 0,70 (0,74) | 0,77 (0,78) | 0,85 (0,85) | 0,90 (0,88) |
Таблица 4.13
Коэффициенты теплового влияния сооружения [8]
| Форма здания в плане | L B | Коэффициенты k для определения Tm, Tz, Te | |||||||||||
| k1при z/B | k2при z/B | k3при z/B | |||||||||||
| 0,25 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 0,25 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 0,25 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | ||
| Прямо-угольная | 0,41 0,21 | 0,67 0,38 | 0,87 0,57 | 0,96 0,75 | 0,17 0,09 | 0,28 0,16 | 0,39 0,25 | 0,47 0,34 | 0,06 0,03 | 0,10 0,05 | 0,17 0,09 | 0,22 0,14 | |
| 0,33 0,17 | 0,56 0,31 | 0,80 0,50 | 0,93 0,68 | 0,15 0,08 | 0,26 0,14 | 0,37 0,23 | 0,45 0,32 | 0,04 0,02 | 0,08 0,04 | 0,14 0,08 | 0,20 0,12 | ||
| 0,32 0,16 | 0,53 0,30 | 0,76 0,47 | 0,91 0,65 | 0,15 0,08 | 0,25 0,14 | 0,36 0,22 | 0,44 0,31 | 0,04 0,02 | 0,08 0,04 | 0,13 0,07 | 0,19 0,12 | ||
| ³ 5 | 0,29 0,14 | 0,50 0,27 | 0,71 0,44 | 0,84 0,62 | 0,15 0,07 | 0,25 0,14 | 0,35 0,22 | 0,42 0,30 | 0,03 0,02 | 0,07 0,04 | 0,12 0,07 | 0,18 0,11 | |
| Круглая | – | 0,45 0,23 | 0,71 0,41 | 0,89 0,62 | 0,97 0,78 | 0,22 0,13 | 0,32 0,20 | 0,40 0,28 | 0,45 0,36 | _ | _ | _ | _ |
| Примечания:В числителе указаны значения коэффициентов k для температур Tm и Tz, в знаменателе – для Te. При z/B = 0 коэффициенты k1, k2 и k3 равны 0. |
Таблица 4.14
Коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений [8]
| Виды фундаментов | Коэффициент kts при z, м | ||
| до 2 | от 2 до 6 | св. 6 | |
| Массивные и свайные с ростверком, заглубленным в грунт Свайные с высоким ростверком и сборные под опоры рамно-стоечного типа | 0,7 0,9 | 0,9 1,0 | 1,0 1,0 |
Пример расчета основания свайного фундамента по несущей способности при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I.Необходимо определить несущую способность основания под вертикально нагруженной висячей сваей сечением 0,3х0,3 м. Ширина здания В =12м, длина L=150м. Глубина погружения сваи в мерзлый грунт – 7м. Расчетная нагрузка – 1800 кН. Грунт – мерзлый суглинок, T0 = –1,2 оС, коэффициент теплопроводности талого и мерзлого грунта равны λth =1,33 Вт/(м·ºС), λf =1,51 Вт/(м·ºС);соответственно объемная теплоемкость Сth=777 Вт·ч/(м3ºС), Сf=592Вт·ч/(м3ºС). Среднегодовая температура грунта на глубине нулевых годовых амплитуд T0 = –1,2ºC,температура начала замерзания Tbf= –0,2ºC.Принять gn=1,1.
В начале расчетов определяется параметр z =7√(592/1,51)=138,6 тогда по табл. 4.12 az=1,1 и ae=0,73
Определяем параметр z/B= 7/12=0,58 и по табл. 4.13 получаем коэффициенты теплового влияния здания на эквивалентную температуру k1=0,31, k2 =0,18, и на температуру под торцом сваи k1=0,56, k2 =0,33.
По формуле (4.14) вычисляется эквивалентная температура и температура грунта под концом сваи:
Tе=(–2,5+0,2)∙0,73+(–1,2+2,5)∙0,31–0,2= –2,15 оС;
Tz=(–2,5+0,2)∙1,10+(–1,2+2,5)∙0,53-0,2= –2,00 оС.
По расчетным температурам находим расчетное давление на мерзлый грунт (табл. 4.7), расчетное сопротивление грунта по поверхности смерзания (табл. 4.8): R=11,6∙105 Па, Raf=1,34∙105 Па.
Fu=1∙1∙(11,6∙105∙0,09+1,68∙105∙8.4)=15,25∙105 Н,
18∙105Н > 15,25∙105/1,1=13,81∙105 Н.
Вывод: условие не выполнено и следует увеличить длину сваи до тех пор, пока условие (4.11) не будет соблюдено.
Несущую способность основания свайного фундамента Fu в сильнольдистых грунтах следует определять по данным полевых испытаний свай. Допускается определять несущую способность сваи расчетом в соответствии по наименьшему значению Fu, полученному по условиям ее сопротивления сдвигу по грунтовому раствору и сдвигу грунтового раствора по контакту с льдистым грунтом. В последнем случае значение Fu, кН, следует рассчитывать по формуле
, (4.17)
– R - расчетное сопротивление сильнольдистого грунта или льда под нижним концом сваи, кПа, определяемое для сильнольдистых грунтов интерполяцией между значениями R по табл. 4.8, а для льдов – по табл. 4.16;
– Aw - площадь поперечного сечения скважины, м2;
– ii,j - льдистость за счет ледяных включений j-го слоя грунта;
– Rsh,j; Rsh,i,j - расчетные сопротивления сдвигу грунтового раствора по многолетнемерзлому грунту и грунтового раствора по льду для середины j-го слоя, кПа, принимаемые соответственно по табл. 4.15 и 4.16;
– Ash, - площадь поверхности сдвига в j-ом слое, определяемая в зависимости от диаметра скважины, м2.
Таблица 4.15
Расчетные сопротивления мерзлых незасоленных грунтов сдвигу по грунту или грунтовому раствору Rsh
| Грунты | Расчетные давления Rsh, кПа, при температуре грунта, °С | |||||||||||
| –0,3 | –0,5 | –1 | –1,5 | –2 | –2,5 | –3 | –3,5 | –4 | –6 | –8 | –10 | |
| Песчаные | ||||||||||||
| Глинистые |
Таблица 4.16
Расчетные давления на лед R под нижним концом сваи и расчетные сопротивления льда сдвигу по поверхности смерзания с грунтовым раствором Rsh,i
| Температура льда, | Расчетные давления, кПа (кгс/см2) | |
| °С | R | Rsh,i |
| –1 | 50 (0,5) | 20 (0,2) |
| –1,5 | 100 (1,0) | 30 (0,3) |
| –2 | 140 (1,4) | 35 (0,35) |
| –2,5 | 190 (1,9) | 45 (0,45) |
| –3 | 230 (2,3) | 50 (0,5) |
| –3,5 | 260 (2,6) | 60 (0,6) |
| –4 | 280 (2,8) | 65 (0,65) |
Если прочность смерзания грунтового раствора с поверхностью сваи Raf < Rsh, то расчет несущей способности сваи Fu по формуле (4.17) следует производить при значениях Rsh = Raf, принимая площадь поверхности сдвига в j-ом слое грунта Ash,j равной площади поверхности сваи в этом слое.
Особенности проектирования оснований и фундаментов на склонах. При строительстве на склонах мерзлых пород следует применять преимущественно принцип I использования многолетнемерзлых грунтов, при условии, что в течение всего периода эксплуатации будет обеспечена отрицательная температура, требуемая по расчету устойчивости склона и несущей способности оснований.
Проектирование оснований и фундаментов на склонах (откосах) в районах распространения многолетнемерзлых грунтов следует выполнять по первой группе предельных состояний в соответствии с указаниями СП 22.13330.2011, с учетом снижения прочности мерзлых грунтов при увеличении температуры и длительности воздействия нагрузки, а также влияния геокриологических условий.
При проектировании оснований и фундаментов на склонах многолетнемерзлых грунтов и присклоновой территории следует рассматривать термодинамическое равновесие системы «сооружение-основание-склон» с учетом нормативных документов по инженерно-геологическим изысканиям для строительства (СНиП 11-02-96, СП 11-103-97, СП 11-105-97 (ч.I-IV)), а также следующих факторов:
- крутизна, высота, протяженность, ширина и экспозиция склона;
- проявление глубинных и солифлюкционных оползаний и нарушение растительного покрова, наледеобразование, бугры пучения, термокарст, термоэрозия;
- мощность слоя и характер распространения многолетнемерзлых грунтов (сплошное, прерывистое, островное), наличие жильного и пластового льда, таликов, криопэгов;
- температура мерзлого грунта во времени по глубине и простиранию склона (изотермы) на стадии строительства, эксплуатации и ликвидации объектов;
- особенности природных криогенных форм рельефа (глетчеры, курумы и др.), а также формирования техногенных форм (отвалы, карьеры, котлованы, выемки, насыпи и др.);
- геокриологические условия (текстура, влажность, льдистость физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов), а также характер напластования пород;
- наличие сооружений на склонах, имеющиеся деформации сооружений, а также мероприятия по противооползневой защите;
- интенсивность и характер техногенной нагрузки, особенности теплового и силового воздействия на склоне проектируемых сооружений по продолжительности, охвату территории, количественным значениям температуры, конструктивным особенностям сооружений.
Расчеты устойчивости склонов (откосов) и сооружений на них в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, в отличие от талых грунтов, следует осуществлять с учетом температурного состояния грунтового массива. В зависимости от температурного состояния грунтового массива следует рассматривать два основных типа криогенных оползней:
1 - мерзлые;
2 - оттаивающие.
Кроме того, существуют различные типы смешанных криогенных оползней.
Прогноз устойчивости склонов и сооружений на них необходимо осуществлять на основании выполнения прогнозных теплотехнических расчетов, схематизации природных условий и определения поверхностей скольжения в мерзлых породах, а также возможности возникновения и развития солифлюкции.
Поверхность скольжения в массиве мерзлых однородных грунтов, в основном, определяется положением изотермы наиболее высокой отрицательной температуры грунта, а в массиве неоднородных грунтов - наименьшими предельно-длительными значениями сопротивления сдвигу мерзлого грунта. Поверхность скольжения оттаивающего грунта (на солифлюкционных склонах и откосах) следует за границей оттаивания, которая практически параллельна поверхности склона и мощность оползающего слоя равна глубине оттаивания, определяется при геокриологических изысканиях и уточняется теплотехническим расчетом.
В теплое время года в некоторых случаях одновременно могут развиваться солифлюкция и глубинный оползень мерзлого грунта, что следует учитывать в расчетах по несущей способности оснований и при назначении противооползневых мероприятий.
Сила предельного сопротивления основания, сложенного дисперсными грунтами должна определяться, исходя из условия, что соотношение между нормальными и касательными напряжениями по всем поверхностям скольжения, соответствующее предельному состоянию основания, подчиняется зависимости
где φ и c - расчетные значения угла внутреннего трения и удельного сцепления. Для мерзлых грунтов определяются предельно-длительные значения угла внутреннего трения φL и удельного сцепления cL при проведении испытаний на срез мерзлого грунта, для оттаивающих грунтов φsh и csh при проведении испытаний на неконсолидированный быстрый срез оттаивающего грунта по мерзлому слою в соответствии с ГОСТ 20276, ГОСТ 12248 и ГОСТ Р 53582-2009.
Расчетные значения φ и с определяются по опытным данным. Для сооружений III уровня ответственности и предварительных расчетов устойчивости оснований допускается расчетные значения φL, cL, φsh и csh принимать по таблице 4.17 и 4.18.
Таблица 4.17
Нормативные предельно длительные значения удельного сцепления сL (кПа) и угла внутреннего трения jL (град) для мерзлых грунтов и контакта грунта со скалой
| Грунты | Обозначения характеристик грунтов | Характеристики грунтов при температуре грунта, 0С | ||||||||||
| -0,5 | -1,0 | -1,5 | -2,0 | -2,5 | -3,0 | -3,5 | -4,0 | -5,0 | -6,0 | -8,0 | ||
| Песчаные | сL | |||||||||||
| jL | ||||||||||||
| Контакт песчаных грунтов со скалой | сL | 70 | ||||||||||
| jL | ||||||||||||
| Глинистые | сL | |||||||||||
| jL |
Таблица 4.18
Нормативные значения удельного сцепления сsh (кПа) и угла внутреннего трения jsh (град) оттаивающего глинистого грунта
| Обозначения характеристик грунтов | Характеристики грунтов при значении показателя текучести IL, д.е. | |||||
| 0,25 | 0,35 | 0,5 | 0,625 | 0,75 | 1,00 | |
| сL, кПа | ||||||
| jL , град |
Предельное сопротивление оттаивающих глинистых грунтов сдвигу (τth) после их промерзания существенно снижается по сравнению с предельным сопротивлением сдвигу тех же грунтов до промерзания (τ). Между этими величинами существует закономерная связь, которую можно представить в виде выражения:
τth = τ(a – bwV), (4.18)
где a и b – параметры, зависящие от вида, состава грунта и условий его промерзания; wV – объемная влажность оттаивающего грунта [117].
На основании зависимости (4.18) разработана методика определения величины угла внутреннего трения φth и удельного сцепления cth оттаивающего грунта путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания (φ и c) за счет следующих коэффициентов:
jth = j/gg(j)th gm (4.19)
и
cth = c/gg(c)th gm (4.20)
где gg(j)th – коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для угла внутреннего трения, определяется по табл. 4.19; gg(c)th – коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для удельного сцепления, определяется по табл. 4.20; gm – коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влаги и морозного пучения грунта на формирование посткриогенной структуры оттаивающего грунта и его прочностные свойства, определяется по табл. 4.21 [117].
Показатели прочностных свойств оттаивающих водонасыщенных песчаных грунтовв порядке первого приближения можно определить по формулам:
jth = j/gg ,
cth = c/g’g(c)th g’m
где gg – коэффициент надежности по грунту, учитывающий снижение угла внутреннего трения, обусловленное формированием посткриогенной структуры песков, определяемый по табл. 4.22; g’g(c)th и g’m – понижающие коэффициенты, принимаемые как для супесей по табл. 4.20 и 4.21.
Таблица 4.19
Значения коэффициентов gg(j)th
| Наименование грунтов | Коэффициенты gg(j)th для грунтов с показателем IL равным | |||
| 0<IL£0,25 | 0,25<IL£0, 5 | 0,5<IL£0,75 | IL>0,75 | |
| Глины | 1,05 | 1,15 | 1,20 | 1,05 |
| Суглинки | 1,10 | 1,25 | 1,25 | 1,10 |
| Супеси | 1,02 | 1,10 | 1,10 | 1,05 |
Таблица 4.20
Значения коэффициентов gg(c)th
| Наименование грунтов | Коэффициенты gg(c)th для грунтов с показателем IL равным | |||
| 0<IL£0,25 | 0,25<IL£0, 5 | 0,5<IL£0,75 | IL>0,75 | |
| Глины | 1,20 | 1,40 | 1,60 | 1,30 |
| Суглинки | 1,15 | 1,35 | 1,50 | 1,20 |
| Супеси | 1,10 | 1,20 | 1,30 | 1,10 |
Таблица 4.21
Значения коэффициентов gm в зависимости от их пучинистости (εf)
| Коэффициенты морозного пучения εf, д. ед. | Коэффициенты gm |
| εf£0,01 | 1,00 |
| 0,01<εf£0,03 | 1,15 |
| 0,03<εf£0,07 | 1,30 |
| 0,07<εf£0,10 | 1,50 |
| εf>0,10 | 1,80 |
Величина предельного сопротивления оттаивающего грунта сдвигу по всем поверхностям скольжения определяется из выражения:
τth =pthtgjth+cth,
где pth – нормальное напряжение по поверхности скольжения, кПа; gth и cth вычисляются по формулам (8.20, 8.21) [117].
Таблица 4.22
Значение коэффициента gg