Фундаменты в условиях пучинистых грунтов

На боковые грани верхней части фундаментов, расположенной в пределах пучинистых грунтов, действуют силы морозного пучения, которые в некоторых случаях достигают значительной величины и могут поднимать здания высотой три этажа и более. Вследствии этого фундаменты в условиях пучнистых грунтов необходимо рассчитывать на выпучивание. При расчете должно удовлетворяться условие

где – расчетная удельная касательная сила пучения, зависящая от характера грунта и мощности деятельного слоя (значение определяется по СНиПу или экспериментально); – расчетная площадь боковой поверхности фундамента в пределах расчетного деятельного слоя; – расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент 9при определении принимают коэффициент 0,9); – коэффициент условий работы, принимаемый равным1; – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1; – расчетная сила, удерживающая фундамент от выпучивания.

Поскольку значения , определяемые по СНиПу, весьма ориентировочны, при крупных строительствах правильнее устанавливать экспериментально. Существует несколько методик определения в полевых и лабораторных условиях. В полевых условиях требуется проведение эксперимента в течении нескольких зим, поскольку, как доказано Н. Ф. Перетрухиным, силы пучения, действующие на один и тот же фундамент, из года в год существенно варьируют.

В лабораторных условиях силы пучения иногда устанавливают аналогично определению сопротивления смерзания грунта с материалом, из которого делается фундамент. Это не совсем правомерно, так как развитие касательных сил пучения происходит постепенно и в ходе процесса пучения верхние слои за –

*Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М: Высшая школа, 1973.

Рис. 5. графики определения устойчивого сопротивления смерзания

а – зависимость сопротивления сдвигу от времени по мере перемещения грунта относительно модели фундамента, б – зависимость устойчивого сопротивления смерзания от температуры грунта

мерзшего грунта проскальзывают по боковой поверхности фундамента. В этом плане представляет интерес следующая методика*. Для испытания используют специальный механизированный пресс, который позволяет перемещать грунт относительно модели фундамента с постоянными скоростями, соответствующими перемещению грунта при пучении относительно боковой поверхности фундамента. В результате таких опытов получаются графики зависимости касательных сил взаимодействия между мерзлым грунтом и моделью фундамента от времени t при определенной температуре Т (рис. 5, а). как видно из графика, после возрастания нагрузки на прессе до момента сдвига грунта относительно модели фундамента силы взаимодействия убывают и стремятся к определенному пределу – устойчивому сопротивлению сдвигу примерзшего грунта . Это сопротивление и определяет касательные силы пучения, т.е. следует принимать =

Проведение серии таких опытов при различных температурах с одним и тем же грунтом показало, что τset в области исследованных температур зависит от абсолютного значения температуры линейно (рис. 5, б). следовательно:

где b и c – параметры прямой; |Т| - абсолютное значение температуры, °С

Зная среднюю температуру слоя промерзающего грунта, испытывающего пучение, можно найти и затем по этой же величине проверить устойчивость фундамента на выпучивание по условию (14.12).

Величина зависит от сопротивления фундамента выпучиванию. Для свайных и столбчатых фундаментов без уширений (рис. 6, а) при сливающемся деятельном слое значение

*Далматов Б. И. Воздействие морозного пучения грунтов на фундаменты сооружений, Л.: Госстройиздат, 1957.

Рис. 6.Схемы действия сил при выпучивании

а-сваи; б- отдельного фундамента с анкером

определяетя по формуле

= (14.13)

Где – число слоёв , на которое разбивается массив вечномёрзлого грунта в пределах фундамента ; – расчётное сопротивпение смерзания – го слоя вечномёрзлого грунта с боковой поверхностью фундамента , принимаемое по данным изысканий или по таблицам СНиПа ; - площадь боковой поверхности фундамента в пределах – го слоя вечномёрзлого грунта .

При несливающемся деятельном слое часть длины фундамента

( сваи ) ниже границы промерзания будет находиться в прелелах талого грунта . Тогда

Где расчётная сила, удерживающая фундамент от выпучивания, развивающегося в пределах слоя талого грунта :

.

4.14)

– число слоёв , на которое разбивается толща талых грунтов , соприкасающаяся со сваей ( фундаментом ) ; – расчётное сопротивление сдвигу боковой поверхности сваи (фундамента ) по грунту – го слоя , принимаемое по табл. 11.3 с учётом коэффициентов условий работы грунта по табл. 11.5 или 11.1 ; – площадь боковой поверхности сваи ( фундамента ) в пределах - го слоя.

При возведении лёгких сооружений заглубление столбчатых фундаментов на 1 м в вечномёрзлый грунт часто не гарантирует их устойчивости на выпучивание. В связи с этим такие фундаменты делают с анкерной плитой ( рис. 14.12,б ).В этих условиях определяют по выражению

, (14.15)

Где - расчётное сопротивление смерзания грунта с боковыми гранями анкерной плиты; -площадь боковых граней анкерной плиты; – расчётное сопротивление сдвигу массива мёрзлого грунта над анкерной плитой ( принимается изменяющимися с глубиной по параболе ); – площадь поверхности сдвига массива мёрзлого грунта, расположенного над анкерной плитой; ,- расчётная реактивная сила заделки анкера.

Реактивная сила заделки анкера возникает тогда, когда развивающаяся в процессе промерзания очередного элементарного слоя сила пучения стремится переместить замёрзший слой грунта вместе с фундаментом вверх. Однако, поскольку такому перемещению не поддается устойчивый фундамент, в элементарном слое грунта возникают силы, действующие вверх и вниз. Эти нормальные реактивные силы зависят от касательных сил пучения , а суммарная их величина всегда равна суммарной силе пучения.

Интенсивность нормальных реактивных сил , возникающих от действия касательных сил пучения, в настоящее время определяют различными методами, но все они очень приближенны. Даже решение Р.Миндлина основано на рассмотрении бесконечного однородного тела. В порядке первого приближения можно принимать треугольную эпюру σr (см. рис. 6, б ), распространяющуюся в стороны на расстояние, равное толщине промёрзшего слоя*. Это простое предположение было подтверждено опытами В.М.Улицкого, который измерял давления, возникающие на верхней полке анкера, в процесса промерзания грунтов в Иркутской области.

Построив эпюру нормального давления в виде части усечённой пирамиды, можно найти . К значениям σr следует прибавить равномерно распределённое давление от собственного веса грунта, находящегося над уступами анкерного фундамента. Далее находят (реактивную силу заделки анкера ) по тем частям эпюры и собственному весу тех объёмов, которые расположены над уступами анкерного фундамента. Тогда для ленточного фундамента получают:

a в случае осесимметричной задачи ( цилиндрический фундамент радиусом с круглой анкерной плитой, имеющий вынос консоли )

Где –среднее значение расчетной удельной касательной силы пучения; -глубина сезонного промерзания грунта ( при сливающемся деятельном слое глубина оттаивания); -удельный вес грунта над анкерной плитой; остальные обозначения даны на рис.

Учитывать величину при заделке анкерных фундаментов в слой вечномерзлого грунта в большинстве случаев нет необходимости, так как устойчивость фундамента обеспечивается сопротивлением смерзания мерзлого грунта сдвигу. Если же анкерный фундамент заделывается в талый грунт ( например, при проектировании по принципу II), реактивную силу заделки анкера приходится учитывать.

Кроме выполнения расчетов, рассмотренных выше, необходимо убедиться, что реактивное давление над уступами анкерного фундамента не превышает несущей способности грунта на этой глубине, т.е удовлетворяется условие

Где – расчетное сопротивление мерзлого грунта на уровне верха анкерной плиты; - площадь верха анкерной плиты.

Так как при действии сил пучения фундаменты работают в вертикальном направлении на растяжение, их армируют вертикальными стержнями, рассчитанными по усилию

Кроме того, анкерную плиту армируют в верхней и нижней зонах, поскольку она работает на прогиб под нагрузкой и на выгиб под нагрузкой при пучении грунта.