Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов в качестве основания по I принципу

При строительстве на вечномерзлых грунтах в зависимости от конструктивных и технологических особенностей зданий и сооружений, инженерно-геокриологических условий и возможности целенаправленного изменения свойств грунтов основания применяется один из следующих принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве основания сооружений:

· принцип I - вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации сооружения;

· принцип II - вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).

Принцип I следует применять, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзлыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района следует принимать, как правило, использование вечномерзлых грунтов по принципу I.

2.5.1. Расчет температурного режима вентилируемого подполья начинается с выбора типа вентилируемого подполья: открытого или закрытого с продухами. Расчет ведется в соответствии с приложением Д СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Фундаменты принимаются свайные сборные с типовой длиной 8, 10, 12 м.

Высота подполья согласно п.6.3.2 СП 25.13330.2012 должна приниматься по условиям обеспечения его вентилирования, но не менее 1,2 м от поверхности грунта в подполье до низа выступающих конструкций перекрытия; при размещении в подполье коммуникаций - по условиям свободного к ним доступа, но не менее 1,4 м.

2.5.2. Выбор типа свайного фундамента и способа его установки зависит от веса надземных конструкций, температурного режима и состава грунтов основания. Выбрав марку свай, выбирают способ погружения в соответствии с рекомендациями п.6.3.11 СП 25.13330.2012. При проектировании оснований с сохранением их мерзлого состояния нужно использовать свайные фундаменты, устраиваемыми в грунт буроопускным способом с заполнением пазух известково-песчаным раствором, с устройством вентилируемых подполий с естественной вентиляцией.

2.5.3. Расчетная схема основания свайного фундамента составляется для назначения глубины заделки сваи в вечномерзлый грунт (z):

,

где  l – длина сваи, м; – высота проветриваемого подполья, м; – расчетная глубина сезонного оттаивания, м.

В зоне заделки свайного фундамента действуют силы сопротивления мерзлых грунтов сдвигу боковой поверхности фундамента R_af и силы сопротивления давления мерзлых грунтов под нижним концом сваи R.

Расчетная глубина сезонного оттаивания определяется по формуле [2.1] в соответствии п.Г.6 СП 25.13330.2012:

                                  [2.1]

где d_th,n – нормативная глубина сезонного оттаивания грунта, принимаемое из раздела 2.4 п.2.4.3;     

– коэффициент теплового влияния сооружения, принимаемые по таблице 2.13 в соответствии с п.Г.6  СП 25.13330.2012. Предварительно назначается тип отмостки (асфальтовая, бетонная, грунтовая).

Таблица 2.13

Коэффициенты  и k_h

Сооружения		kh
Здания и сооружения без холодного подполья	-	В соответствии с требованиями СП 22.13330
Здания и сооружения с холодным подпольем:
у наружных стен с отмостками, имеющими асфальтовое и тому подобное покрытия	1,2	-
у наружных стен с отмостками без асфальтовых покрытий	1,0	-
у внутренних опор	0,8	-
Примечания: 1 Данные таблицы не распространяются на случаи применения теплоизоляции и других специальных теплозащитных мероприятий (вентилируемые и теплоизолирующие подсыпки, охлаждающие устройства и т.д.). 2 Для устоев мостов, обсыпанных песчаным грунтом, значения kh и kh следует принимать по данным теплотехнического расчета, но не менее 1,2.

В случае неоднородного грунта в зоне заделки сваи в вечномерзлый грунт следует произвести разбивку на отдельные однородные слои толщиной 0,8÷1,4 м как предоставленном на рис. 2.3.

Рисунок 2.3

2.5.4. Выбрав расчетную схему работы сваи в вечномерзлом грунте, производим определение расчетных температур многолетнемерзлого грунта по глубине ниже расчетной глубины сезонного оттаивания расчетные температуры  грунта для свайных фундаментов вычисляют по формулам [2.2], [2.3], [2.4] в соответствии п.7.2.7 СП 25.13330.2012, предварительно назначив коэффициенты  и k ₁ , k ₂ , k ₃ соответственно по таблице 2.14 в соответствии с п.7.2.7 СП 25.13330.2012.

для оснований сооружений с холодным подпольем:

· под серединой сооружения:  

     [2.2]

· под краем сооружения:         

[2.3]

· под углами сооружения:       

 [2.4]

где  – температура начала замерзания грунта, берется из раздела 2.2 пункта 9;

 – расчетная среднегодовая температура грунта на верхней поверхности вечномерзлой толщи, назначаемая по таблице 2.13 в соответствии с приложением Д СП 25.13330.2012 в зависимости от  , ширины здания - В, и глубины заложения фундаментов z с учетом температуры начала замерзания грунта ^оС;

Таблица 2.14

Значение температур

Значения To – Tbf,	Ширина сооружения В, м	Значения, , для фундаментов
		Свайных при глубине заложения z, м
		7	10
– 0,5	12 24	-3 -2,5	-2,5 -2
– 1	12 24	-2,5 -2	-1,5 -1,5
-2	12 24	-1,5 -2	-1 -1
-5	12 24	-1 -1	-1 -1
-8	12 24	-1 -1	-1 -1

 

 - коэффициент сезонного изменения температуры, назначаемый по таблице 2.15 в соответствии с п.7.2.7 СП 25.13330.2012 в зависимости от , где z – глубина от поверхности вечномерзлого грунта;

Таблица 2.15

Коэффициенты	Значения с0,5 (ч0,5)
	0 (0)	1000 (25)	2000 (50)	3000 (75)	4000 (100)	6000 (125)	8000 (150)	10000 (175)	15000 (250)	20000 (300)
m	0 (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)
z	0 (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)
e	0 (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)

                               

k ₁ , k ₂ , k ₃ – коэффициенты теплового влияния сооружения, назначаемые по таблице 2.16 в соответствии с п.7.2.7 СП 25.13330.2012 в зависимости от отношений z/B и L/B.

Таблица 2.16

Форма сооружения в плане	L/B	Коэффициенты к для определения
		k1 при z/B				k2 при z/B				k3 при 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
Прямоугольная	1	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
	2	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
	3	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
	≥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
Примечания: 1. В числителе указаны значения коэффициентов к для определения , в знаменателе – для температуры . 2. При z/B=0 коэффициенты k 1 , k 2 и k 3 следует принимать равными 0.

 

Определив температуры грунта на границах расчетных слоев, вычисляют температуру в середине каждого слоя , по которой и назначают расчетные сопротивления сдвигу мерзлого грунта по поверхности смерзания с материалом фундамента R_af.

2.5.5. Определение несущей способности грунтов основания свайного фундамента производится по формуле [2.5]  в соответствии с п.7.2.1 СП 25.13330.2012, назначив расчетные сопротивления по таблицам приложения Б СП 25.13330.2012, учитывая наличие засоленности, льдистости и прочее (берется из раздела 2.2). В результате должно быть соблюдено условие, что несущая способность мерзлого основания больше расчетной нагрузки.

Расчет оснований фундаментов по I группе предельных состояний (по несущей способности) для мерзлых грунтов производится из условия:

F ≤ F_u/γ_n                                                                         [2.5]

где γ_n – коэффициент надежности по назначению сооружения: 1,2 – для зданий I класса; 1,15 – для зданий II класса; 1,1 – для зданий III класса;

F – расчетная нагрузка на основание, берется из сбора нагрузок в соответствии с разделом 2.3;

F_u – несущая способность основания, для висячих свай и столбчатого фундамента определяемая по формуле [2.6] в соответствии с п.7.2.2 СП 25.13330.2012:

F_u  = γ_t ·γ_c ·(R·A + ∑R_af,i ·A_af,i)                        [2.6]

где γ_t – температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения, определяемый по указаниям приложения П СП 25.13330.2012.

Температурный коэффициент γ_t определяется по формуле [2.7] в соответствии с п.П.1 СП 25.13330.2012:

                      [2.7]0123A10B1DE05946

где  длительность эксплуатации сооружения, лет; ν – коэффициент вариации несущей способности, безразмерный.

Коэффициент вариации несущей способности основания вычисляется поформуле [2.8] в соответствии с п.П.2 СП 25.13330.2012:

                         [2.8]

0123A10B1DE05946 А – амплитуда сезонных колебаний температуры наружного воздуха, °С, определяемая как полуразность значений среднемесячной температуры самого теплого и самого холодного месяца по таблице 2.17 в соответствии с п.П.2 СП 131.13330.2012 (например для г. Якутска равен ;

Таблица 2.17

Средняя месячная и годовая температура воздуха, °С

Республика Саха (Якутия)	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
Амга	-42,9	-38,0	-24,0	-7,5	6,1	14,5	17,7	14,1	5,3	-8,9	-29,6	-40,6	-11,2
Бердигястях	-40,5	-35,7	-22,9	-8,3	4,7	13,5	16,3	12,6	3,9	-8,7	-28,2	-38,9	-11,0
Верхоянск*	-46,0	-42,5	-29,9	-12,5	3,5	13,3	16,0	11,3	2,5	-14,6	-35,7	-43,4	-14,8
Вилюйск*	-36,7	-31,7	-19,2	-6,0	5,6	15,1	18,5	14,3	5,4	-7,7	-26,5	-34,6	-8,6
Жиганск*	-38,5	-34,4	-22,8	-10,3	1,7	12,2	16,2	12,0	3,5	-10,7	-29,4	-36,4	-11,4
Зырянка*	-36,3	-33,4	-24,9	-11,7	3,6	13,4	16,0	12,0	4,2	-10,5	-27,3	-35,2	-10,9
Нюрба	-36,0	-31,9	-20,6	-7,2	5,0	14,2	17,3	13,5	5,2	-7,3	-26,0	-34,2	-9,0
Оймякон*	-46,6	-42,7	-31,7	-13,8	2,6	12,2	14,5	10,3	2,1	-15,2	-36,2	-45,7	-15,9
Олекминск*	-31,4	-27,3	-15,5	-3,3	7,0	15,1	18,1	14,5	6,1	-5,2	-21,2	-29,7	-6,1
Сангар	-39,1	-34,5	-21,6	-8,5	4,1	14,3	18,1	14,5	6,0	-8,7	-28,5	-37,3	-10,1
Среднеколымск*	-36,2	-33,9	-26,2	-13,9	1,1	11,4	14,4	10,6	3,3	-10,9	-26,8	-34,4	-11,8
Сунтар*	-32,9	-29,2	-17,8	-4,8	6,3	15,1	18,0	14,2	5,6	-6,0	-23,2	-30,9	-7,1
Томмот	-35,5	-31,6	-20,0	-5,8	5,4	13,7	17,2	13,5	5,5	-6,7	-24,4	-33,9	-8,6
Чульман*	-31,1	-26,3	-16,2	-5,1	4,5	13,1	16,0	12,9	4,5	-7,3	-21,4	-30,0	-7,2
Чурапча	-44,0	-38,4	-24,0	-7,8	5,8	14,7	18,1	14,3	5,2	-9,4	-30,8	-41,8	-11,5
Якутск*	-39,6	-35,0	-20,8	-5,2	7,3	16,1	19,1	15,1	5,9	-8,0	-28,2	-38,1	-9,3

 

σ - среднее квадратическое отклонение среднегодовой температуры наружного воздуха по таблице 2.18 в соответствии с п.П.2 СП 25.13330.2012 (например для г. Якутска σ равен 1,15°С);

Таблица 2.18

Среднее квадратическое отклонение средней годовой температуры наружного воздуха