Удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента
Обновлено: 07.05.2024
Удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И РАСЧЕТУ МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ
Настоящие Рекомендации содержат основные положения по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов, возводимых на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах-основаниях с учетом восприятия деформаций морозного пучения. В них изложены методы выбора оптимальных конструктивных схем фундаментов в зависимости от степени пучинистости грунтов, методы расчета деформаций и сил морозного пучения грунтов, воздействующих на фундаменты, а также расчеты эксплуатационной надежности легких зданий с учетом жесткости их конструкций и назначения противопучинных мероприятий.
Рекомендации разработаны в лаборатории оснований и фундаментов на пучинистых грунтах НИИОСП докт. техн. наук В.О.Орловым совместно с канд. техн. наук В.С.Сажиным (ЦНИИЭПсельстрой Минсельстроя СССР) при участии докт. техн. наук М.Ф.Киселева, кандидатов техн. наук В.Г.Буданова, А.В.Садовского, А.Н.Скачко, инж. Р.В.Жабровой и В.Г.Морозова.
Рекомендации одобрены секцией "Фундаментостроение на мерзлых грунтах" научно-технического Совета НИИОСП и рекомендованы к изданию.
Рекомендации предназначены в качестве практического пособия при изысканиях, проектировании и строительстве малоэтажных зданий и сооружений и выпущены взамен "Руководства по проектированию мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах" (ЦНИИЭПсельстрой, М., 1982).
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важнейших проблем в фундаментостроении является дальнейшее обоснование и разработка экономичных проектно-конструкторских решений по устройству оснований и фундаментов на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.
Решение данной проблемы неразрывно связано с учетом и предупреждением воздействий морозного пучения грунтов основания на фундаменты и конструкции зданий и сооружений. Обоснованная оценка деформаций и сил морозного пучения грунтов, глубина заложения фундаментов, а также разработка противопучинных мероприятий и приспособление конструкций сооружений к работе в пучинистых грунтах - вот тот необходимый перечень основных задач, решение которых обеспечивает устойчивость, эксплуатационную надежность и долговечность сооружений.
Широко распространенным в практике строительства мероприятием, обеспечивающим устойчивость сооружений (зданий) на пучинистых грунтах, до настоящего времени является заложение фундаментов ниже расчетной глубины сезонного промерзания. Если для зданий I и II классов глубина заложения фундаментов, исходя из расчетного давления на основание, назначается, как правило, большей, чем глубина сезонного промерзания грунтов, то для малоэтажных легких зданий III класса глубина заложения фундаментов при расчете основания по двум группам предельных состояний может быть ограничена слоем сезоннопромерзающего грунта.
Настоящие Рекомендации разработаны с целью развития и дополнения к требованиям главы СНиП 2.02.01-83 [1], согласно которой глубину заложения фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, если специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании на данной площадке не нарушают эксплуатационную пригодность здания. При этом они направлены на снижение материалоемкости и стоимости малоэтажных зданий за счет применения так называемых малозаглубленных фундаментов с глубиной заложения в пределах слоя сезоннопромерзающего пучинистого грунта, а также за счет снижения объема работ нулевого цикла.
Предлагаемые расчеты и конструктивные решения предусматривают использование пучинистых грунтов основания по второй группе предельных состояний, т.е. по деформациям от морозного пучения, не превышающим величин, предельно допустимых для нормальной эксплуатации зданий.
Для реализации принципа расчета малозаглубленных фундаментов по деформациям пучения в Рекомендациях приводится методика, основанная на исследовании закономерностей деформаций и сил морозного пучения грунтов и совместной работы фундаментов и оснований.
Согласно этой методике при расчете деформаций морозного пучения учитываются как изменения физических свойств промерзающего грунта и соответственно величины его деформаций в зависимости от передаваемого на основание давления, так и характер изменения сил морозного пучения в результате перемещений фундамента до предельно допустимых величин. Кроме того, методика учитывает тип и размеры фундамента, жесткость конструкций зданий и т.п.
Выбор типа и конструкции фундамента, как и назначение противопучинных мероприятий должны решаться путем сравнения вариантов фундаментов на основе технико-экономического анализа с учетом конкретных условий строительства, включая геологические и гидрогеологические условия, обусловливающие степень пучинистости промерзающих грунтов.
В основу Рекомендаций положены обобщенные результаты многолетних экспериментальных исследований морозного пучения грунтов и его воздействий на сооружения с использованием передового опыта экспериментального строительства зданий на малозаглубленных фундаментах.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Рекомендации разработаны в развитие главы СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений" и предназначены для расчета, проектирования и устройства малозаглубленных фундаментов под одно- и двухэтажные жилые, общественные и промышленные здания (сооружения), преимущественно сельскохозяйственного назначения, возводимые на пучинистых грунтах-основаниях с нормативной глубиной сезонного промерзания грунтов до 1,7 м.
1.2. Настоящие Рекомендации допускается использовать в качестве практического пособия при нормативной глубине сезонного промерзания пучинистых грунтов более 1,7 м, если малозаглубленные фундаменты проектируются для экспериментального строительства.
1.3. Рекомендации предусматривают расчет и проектирование морозоопасных оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям), согласно которой рассчитываются как осадки основания, так и его деформации от морозного пучения грунта, промерзающего под фундаментом.
Расчет деформаций основания от внешней нагрузки, вызывающей осадки, просадки, горизонтальные перемещения, производится в соответствии с главой СНиП 2.02.01-83.
1.4. Деформации основания, вызванные пучением грунта под подошвой фундамента, не должны превышать предельно допустимые деформации, величина которых зависит от конструктивных особенностей зданий.
Расчет морозоопасного основания по деформациям включает обязательную проверку эксплуатационной надежности здания при действии на фундаменты касательных сил морозного пучения.
1.5. Основным требованием, ограничивающим возможность использования морозоопасных оснований по деформациям морозного пучения, является выбор строительной площадки с грунтами, однородными по составу в плане площадки и по глубине той части сезоннопромерзающего слоя, которая проектируется в качестве основания.
1.6. Проектированию зданий на пучинистых грунтах должны предшествовать обоснованные результаты инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий на участках строительства, способные обеспечить достоверный многолетний прогноз деформаций промерзающих грунтов основания и назначение необходимых противопучинных мероприятий. Материалы изысканий должны также содержать климатологические данные о районе строительства, включая нормативную глубину сезонного промерзания [1].
1.7. При проектировании оснований и фундаментов на пучинистых грунтах необходимо предусмотреть мероприятия, направленные на уменьшение деформаций конструкций зданий. Прочность и долголетняя эксплуатационная надежность зданий на пучинистых грунтах достигается использованием комплекса инженерно-мелиоративных (тепло- и гидромелиорация), строительно-конструктивных и физико-химических мероприятий, при назначении которых следует исходить из требований, приведенных в руководствах 2.
1.8. Настоящие Рекомендации содержат сведения по выявлению и расчету деформаций и сил морозного пучения грунтов.
В условиях возможного проведения в течение ряда лет полевых исследований пучинистых свойств промерзающих грунтов на площадках, близких к участкам застройки, следует учитывать рекомендации, приведенные в Руководстве [4]. При этом деформации морозного пучения грунтов определяются посредством инструментальных наблюдений за положением поверхностных и глубинных реперов (марок), а также пучиномеров согласно инструкциям, разрабатываемым ведомственными НИИ, и детального обследования территории застройки.
2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2.1. Под малозаглубленным фундаментом на морозоопасном основании (естественном, искусственном, уплотненном и т.п.) понимается любой тип фундамента, глубина заложения которого не превышает нормативную глубину промерзания пучинистого грунта основания. При этом предусматривается, что вертикальная нагрузка от сооружения передается только на основание под подошвой фундамента.
2.2. Основания, подвергающиеся сезонному промерзанию-оттаиванию, должны проектироваться с учетом морозного пучения грунтов. Под морозным пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие замерзания в них воды и образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.п. При последующем оттаивании в этих грунтах протекает обратный процесс, сопровождающийся их осадкой, разуплотнением и снижением несущей способности. Таким образом, при проектировании зданий на малозаглубленных фундаментах необходимо учитывать сезонные знакопеременные деформации основания, проявляющиеся в виде подъема и оседания его поверхности.
Морозное пучение выражается, как правило, в неравномерном поднятии слоя промерзающего грунта, причем напряжения, возникающие в грунте при пучении, оказывают существенное воздействие на фундаменты и наземные конструкции зданий.
2.3. Характеристиками пучинистых грунтов являются:
величина (деформация) морозного пучения , представляющая собой высоту поднятия промерзшего грунта в данной точке;
интенсивность пучения , характеризующая пучение элементарного слоя промерзающего грунта;
относительное пучение (или коэффициент пучения) , определяемое по формуле
где - мощность слоя промерзающего грунта.
2.4. При назначении глубины заложения фундаментов, исходя из условия влияния морозного пучения на эксплуатационную надежность зданий, следует учитывать, что интенсивность этого процесса зависит от таких факторов, как дисперсность и плотность грунта, его влажность и глубина залегания подземных вод, температурный режим в период его промерзания и нагрузка, передаваемая на фундамент. В зависимости от указанных факторов все грунты подразделяются на пучинистые и непучинистые.
2.5. К пучинистым относятся все глинистые грунты, пески мелкие, пылеватые, а также крупнообломочные грунты, содержащие глинистый заполнитель в определенном количестве (см. п.2.7).
Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, считаются непучинистыми грунтами при любом уровне безнапорных подземных вод; при водонасыщении этих грунтов в условиях замкнутого объема они относятся к группе слабопучинистых грунтов.
2.6. По степени пучинистости все глинистые грунты подразделяются на пять групп (табл.1). Принадлежность глинистого грунта к одной из этих групп оценивается параметром , определяемым по формуле
где , , - расчетные значения влажности в слое сезонного промерзания грунта, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести, доли ед.; значение определяется по прил.1;
- критическая влажность, доли ед., ниже значения которой в промерзающем глинистом грунте прекращается перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение; определяется по графику рис.1;
- безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению средней зимней температуры воздуха, определяемой в соответствии с главой СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика", а при отсутствии в ней данных для конкретного района строительства - по результатам наблюдений ближайшей гидрометеорологической станции.
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 23-01-99, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.
Классификация промерзающих глинистых грунтов по степени пучинистости
Давление пучения на подошву фундамента от нормальных сил пучения мелкозаглубленного фундамента
Давление пучения на подошву фундамента от нормальных сил пучения мелкозаглубленного фундамента.
Граждане специалисты!
Возникла проблема, которую не могу решить вот уже второй день.
Суть: вот уже 3 дня считаю мелкозаглбленный фундамент под таунхауз. Объект находится в Московской области, Истринский район. Глубина промерзания 1,4м. Считаю по ВСН 29-85 (проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах). Там есть пример расчета в приложении 5. Проблема в том, что я дошел до главы 4. РАСЧЕТ ЛЕНТОЧНОГО ФУНДАМЕНТА, пункт 4. - Определение величины пучения под подошвой фундамента. В этом пункте нужно найти величину "Pr", для которой, в свою очередь, следует найти величину "dz". Так вот, dz находится как dz=0,75df-d-hп
df - расчетная глубина сезонного промерзания = 1,4х0,5 (0,5 - коэффициент, т.к. по табл. 1 СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений пол без подвала по грунту, с температурой 22 гр.цельсия - жилое помещение) = 0,7м
d - глубина заложения фундамента (находится по табл. 2 одноименного СНиПа - суглинки с IL=больше 0,25, т.е. не менее df) = 0,7м
hп - толщина подушки, принимаем =0,3м
Итак, получается вот что:
dz=0,7-0,7-0,3= -0,3м
ВВЕДЕНИЕ
На территории СССР широко распространены пучинистые грунты. К ним относятся глины, суглинки, супеси , пески пылеватые и мелкие. При определенной влажности эти грунты, замерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания. Находящиеся в таких грунтах фундаменты также подвергаются подъему, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. Поскольку деформации пучения грунта, как правило, неравномерны, происходит неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается. В результате этого надфундаментные конструкции зданий и сооружений претерпевают недопустимые деформации и разрушаются. Деформациям, от пучения грунта особенно подвержены легкие сооружения, к числу которых откосится большинство малоэтажных сельских зданий.
В соответствии с нормами по проектированию оснований зданий и сооружений глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания. В этом случае подошва фундамента освобождается от воздействия нормальных сил пучения. Однако глубоко заложенные фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют касательные силы пучения. Эти силы превосходят нагрузки, передаваемые легкими зданиями на фундаменты, в результате чего фундаменты выпучиваются.
Таким образом, материалоемкие и дорогостоящие фундаменты, заложенные ниже глубины промерзания грунта, не обеспечивают надежную эксплуатацию малоэтажных зданий, построенных на пучинистых грунтах.
Одним из путей решения проблемы строительства на пучинистых грунтах малоэтажных зданий является использование мелкозаглубленных фундаментов. Такие фундаменты закладываются на глубине 0,2 - 0,5 м от поверхности грунта или непосредственно на поверхности (незаглубленные фундаменты). И, таким образом, на мелкозаглубленные фундаменты действует незначительные касательные силы пучения, а при незаглубленных фундаментах они равны нулю.
Как правило, под фундаментами устраиваются подушки толщиной 20 - 30 см из непучинистых материалов (песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень, котельный шлак и др.). Применением подушки достигается не только частичная замена пучинистого грунта на непучинистый, но и уменьшение неравномерных деформаций основания. Толщина подушек и глубина заложения фундаментов определяется расчетом.
Основной принцип конструирования мелкозаглубленных фундаментов зданий с несущими стенами на пучинистых грунтах заключается в том, что ленточные фундаменты всех стен здания объединяются в единую систему и образуют достаточно жесткую горизонтальную раму, перераспределяющую неравномерные деформации основания. При мелкозаглубленных столбчатых фундаментах рама формируется из фундаментных балок, которые жестко соединяются между собой на опорах.
Для обеспечения совместной работы фундаментных элементов последние жестко соединяются между собой.
Указанные конструктивные мероприятия выполняются при строительстве на среднепучинистых (при интенсивности пучения, большей 0,05) сильно - и чрезмернопучинистых грунтах. В остальных случаях, фундаментные элементы укладываются свободно, не соединяются между собой. Количественным показателем пучинистости грунта является интенсивность пучения, характеризующая пучение элементарного слоя грунта. Применение мелкозаглубленных фундаментов базируется на принципиально новом подходе к их проектированию, в основу которого заложен расчет оснований по деформациям пучения. При этом допускаются деформации основания (подъем, в том числе неравномерный), однако они должны быть меньше предельных, которые зависят от конструктивных особенностей зданий.
При расчете оснований по деформациям пучения учитываются пучинистые свойства грунта, передаваемое на него давление, жесткость фундамента и надфундаментных конструкций на изгиб. Надфундаментные конструкции рассматриваются не только как источник нагрузок на фундаменты, но и как активный элемент, участвующий в совместной работе фундамента с основанием. Чем больше жесткость конструкций на изгиб, тем меньше относительные деформации основания.
Передаваемое на грунт давление значительно (иногда в несколько раз) снижает подъем основания при пучении грунта. При подъеме мелкозаглубленных фундаментов действующие по их подошвам нормальные силы пучения резко уменьшаются.
Все конструкций мелкозаглубленных фундаментов и положения по их расчету, приведенные в настоящем документе, прошли проверку при проектировании и строительстве малоэтажных зданий различного назначения - домов усадебного типа, хозяйственных построек, производственных сельскохозяйственных зданий вспомогательного назначения, трансформаторных подстанций и др.
В настоящее время во многих областях Европейской части РСФСР, в районах с глубиной промерзания до 1,7 и, на мелкозаглубленных и незаглубленных фундаментах построено свыше 1500 одно- и двухэтажных зданий из разных материалов - кирпича, блоков, панелей, деревянных щитов. Систематические инструментальные наблюдения за зданиями в течение 3 - 6 лет свидетельствуют о надежной работе мелкозаглубленных фундаментов. Применение таких фундаментов вместо традиционных, закладываемых ниже глубины промерзания грунтов позволило сократить: расход бетона на 50 - 80 %, трудозатраты - на 40 - 70 %.
В настоящих нормах содержатся требования по конструированию, проектированию и устройству мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. Не случайно, поэтому, область применения таких фундаментов определена именно для пучинистых грунтов. Мелкозаглубленные фундаменты на пучинистых грунтах рекомендуется применять в массовом порядке при глубине промерзания до 1,7 м. При большей глубине промерзания пучинистых грунтов мелкозаглубленные фундаменты рекомендуется только для экспериментального строительства. Накопление опыта строительства объектов с мелкозаглубленными фундаментами в районах с большой глубиной промерзания позволит в дальнейшей расширить область применения их на пучинистых грунтах.
Хотя область применения мелкозаглубленных фундаментов в иных грунтовых условиях формально выходит за рамки настоящих норм, представляется целесообразным дать некоторые рекомендации по использованию таких фундаментов при строительстве малоэтажных зданий на наиболее распространенных на территории нашей страны грунтах.
В соответствии с главой СНиП 2.02.01-83 глубина заложения фундаментов на непучинистых грунтах не зависит от глубины их промерзания. Поэтому при строительстве малоэтажных зданий на непучинистых грунтах мелкозаглубленные фундаменты рекомендуются к массовому применению.
На основаниях, сложенных вечномерзлыми грунтами, мелкозаглубленные фундаменты могут быть использованы для экспериментального строительства. При этом должны быть предусмотрены мероприятия, направленные на предотвращение недопустимых деформаций оснований, вызванных оттаиванием вечномерзлых грунтов.
Применение мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании в грунтовых условиях I типа по просадочности рекомендуется лишь в том случае, если передаваемое на грунт давление меньше начального просадочного давления. В остальных случаях применения таких фундаментов возможно лишь для экспериментального строительства при условии, что суммарные деформации оснований, вызванные просадкой и осадкой грунта, не превосходят предельных деформаций.
В грунтовых условиях II типа по просадочности применение мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании не допускается.
Необходимо подчеркнуть, что поскольку основной причиной пучения грунтов является наличие в них воды, способной при промерзании переходить в лед, следует строго соблюдать требование о недопустимости водонасыщения грунта в основании мелкозаглубленных фундаментов в процессе строительства и при эксплуатации зданий. Следует предусматривать надежный отвод с площадки строительства атмосферных и производственных вод путем вертикальной планировки застраиваемой территории, устройства водоотводов и дренажа. При рытье траншей для фундаментов и инженерных коммуникаций земляные работы следует производить с минимальным объемом нарушения грунтов природного сложения. Не допускается скопление воды от повреждения временного трубопровода на площадке строительства. Вокруг зданий следует устраивать водонепроницаемые отмостки шириной не менее 1 м и уклоном не менее 0,03. Следует избегать устройства вводов трубопроводов канализации и водоснабжения с нагорной стороны здания. При эксплуатации зданий не допускается изменять условия, применительно к которым запроектированы мелкозаглубленные фундаменты.
Министерство сельского строительства СССР
Ведомственные строительные нормы
Проектирование мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных сельских зданий на пучинистых грунтах
Сравнение методик расчета фундаментов на морозное пучение
Разместил Author Виталий К. Posted on 31.03.2019 28.01.2020 1
Сравнение различных методик расчетов на пучение
Оглавление
1. Два типа воздействия – касательные и лобовые силы морозного пучения
Не смотря на кажущуюся простоту расчета на воздействие морозного пучения есть много нюансов и спорных моментов при его выполнении. В данной статье я попытался упорядочить все имеющиеся знания на эту тему.
В зависимости от положения подошвы фундамента относительно максимальной расчетной глубины промерзания грунта на фундамент воздействуют следующие силы пучения:
Схема воздействия лобовых и касательных сил морозного пучения на фундамент
Если же фундамент не заглублен в грунт вообще (поверхностный фундамент) или заглублен на небольшую глубину и выполнена замена грунта обратной засыпки на непучинистый, то на него будут действовать только лобовые силы пучения:
2. Основные методики расчетов на морозное пучение
Формулы и указания для расчетов на морозное приводятся во многих источниках – нормативных документах, СНиП, СП, пособиях и руководствах. В данной статье приводятся ссылки на некоторые из них:
Расчеты на воздействие лобовых сил морозного пучения выполняются в большинстве источников по формуле (формула из п. 6.2 [4]):
- n1 – коэффициент перегрузки, равный 0,9;
- n – коэффициент перегрузки, равный 1,1;
- N н – нормативная нагрузка на основание в уровне подошвы фундамента;
- Fф – площадь подошвы фундамента, см2;
- h1 – глубина промерзания грунта, считая от подошвы фундамента, см.;
- σ н – нормативное значение нормального давления морозного пучения, создаваемое одним сантиметром промороженного слоя грунта кгс/см3 (по таблице 2 [4]).
Как видно из формулы и таблицы, для уравновешивания лобовых сил пучения необходимо на каждый 1 кв. метр площади подошвы фундамента приложить вдавливающую нагрузку от 1 до 6 Тонн при 10 см толщины промерзающего слоя под подошвой. Так же очевидно, что лобовое пучение резко возрастает с увеличением толщины слоя промерзающего грунта под подошвой фундамента и уменьшением габаритов подошвы фундамента. Например если толща промерзающего грунта под подошвой фундамента будет иметь мощность 1,5 м то усилие лобового пучения по расчету составит от 15 до 90 Тонн на каждый кв. метр подошвы фундамента.
Например, при глубине промерзания 1,0 м под подошвой фундамента, и размерах подошвы 1,0х1,0 метра в среднепучинистых грунтах для уравновешивания лобовых сил морозного пучения на фундамент должна приходиться сжимающая нагрузка 22 Тонны (включая массу фундамента), а в сильнопучинистых грунтах – 33 Тонны.
Как правило в частном строительстве, если фундаменты не закладывались ниже глубины промерзания, то это малозаглубленные фундаменты с малыми нагрузками, и они будут испытывать деформации пучения (подъем, перекос). В этом случае необходимо выполнить расчеты на подъем и относительную деформацию пучения (перекос) основания под фундаментом по методике [5]. Расчеты деформаций пучения по [5] достаточно сложны, т.к. они учитывают скорость промерзания грунта, его расчетную темпертатуру и др. Максимальные расчетные значения деформаций не должны превышать предельных допустимых значений, приведенных в Табл. 3.1 [5], а так же в соответствии с указаниями п. 6.8.11 СП 22.13330.2016 [8] по таблице Приложения Г (и прим. 6 к таблице) по аналогии с набухающими грунтами (средний допустимый подъем в размере 25% и относительную разность осадок в размере 50% соответствующих предельных деформаций).
Для расчетов на морозное пучение в первую очередь необходимо определить расчетную глубину промерзания грунта.
Глубина промерзания грунта определяется в соответствии с требованиями действующих на сегодняшний день в РФ нормативных документов на основании климатических данных холодного периода года (информацию следует брать из инженерных изысканий, запрашивать на ближайших метеостанциях или принимать по таблицам СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»). Формулы и указания для определения нормативной и расчетной глубины промерзания грунта рассмотрены в этой статье.
Расчеты на морозное пучение встречаются в большом количестве нормативных документов, учебниках, пособиях и др. литературе. В данной статье будет рассмотрено 4 основных расчета из разных источников:
Первые 2 документа – действующие нормативы, включенные в перечень обязательных нормативных документов в области строительства.
Так же существуют и другие источники которые здесь не рассмотрены, например: «Рекомендации по совершенствованию конструкций и норм проектирования искусственных сооружений, возводимых на пучинистых грунтах с учетом природных условий БАМа», Москва 1981 г.
В заключении будет приведена сравнительная таблица расчетов на пучение, выполненных для одних и тех же фундаментов, но по разным методикам. Фундаменты рассмотрены 2х типов – столбы с прямыми боковыми гранями, и столбчатые фундаменты с уширением в нижней части – с развитой подошвой (анкерные фундаменты), всего 4 типоразмера фундаментов.
3. Расчет на пучение по методике СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
Данный нормативный документ можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке. Это основной норматив в области проектирования фундаментов (кроме районов распространения многолетней мерзлоты), действующий в данный момент (март 2019 г.).
Расчеты на пучение приведены в разделе 6.8 СП 22.13330.2016, основная формула расчета на касательные силы пучения (ф. 6.35):
Для фундаментов, имеющих вертикальные грани:
К сожалению, в данном СП умолчали как вычисляется удерживающая сила для фундаментов, имеющих не вертикальные грани, или имеющих развитую подошву. Эти сведения приходится черпать из других источников.
4. Расчет на пучение по методике СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»
Данный документ можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке.
Расчеты на пучение приведены в разделе 7.4 СП 25.13330.2012. Основная расчетная формула точно такая же как и в СП 22. Однако в определении составляющих этой формулы есть существенные отличия:
Расчет по «Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей» [1] полностью аналогичен расчетам по методике СП 25.13330.2012, включая значения касательных сил пучения.
5. Расчет на пучение по «Пособию по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»
Данное пособие можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке. Расчеты выполняются по п. 2.148…2.154 Пособия.
Расчет по «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83» [7] в части фундаментов без анкерной плиты полностью аналогичен расчету по СП 22.13330.2016 (включая коэффициенты по шероховатости поверхности). А вот для фундаментов с анкерной плитой принципиально отличается от всех других методик расчетов:
6. Расчет на пучение по методике «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г»
Данное руководство можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке.
7. Сравнение результатов расчета на пучение по рассмотренным методикам
Для сравнения расчетных методик были выполнены расчеты четырех разных фундаментов двух типов в разных грунтовых условиях. Типы фундаментов:
Таблица 2. Принятые для расчетов типы фундаменов
| Номер типа фундамента | I | II | III | IV |
|---|---|---|---|---|
| Тип фундамента | Анкерный | Анкерный | Прямой столб | Прямой столб |
| Размер сечения колонной части, м | 0,8х0,8 | 0,8х0,8 | 0,8х0,8 | 0,8х0,8 |
| Размер подошвы (плитной части) в плане, м | 2,4х2,4 | 2,4х2,4 | - | - |
| Толщина подошвы (плитной части), м | 0.5 | 0.5 | - | - |
| Глубина заложения фундамента, м | 3 | 3.3 | 4 | 5 |
| Глубина промерзания нормативная | 2 | 2.2 | 1.5 | 1.5 |
Во всех расчетах приняты неотапливаемые здания (сооружения), противопучинное покрытие и уклон боковых граней фундамента отсутствует, поверхность бетона гладкая, грунты основания – глинистые с показателем текучести 0,3 (или пески мелкие). Расчетная постоянная нагрузка на фундамент принята 8 Тонн-сил во всех расчетах одинаковой.
Результаты расчетов сведены в таблицу:
(Если удерживающая сила больше выпучивающей то устойчивость фундамента на воздействие морозного пучения обеспечена, и наоборот)
Из таблицы видно, что наиболее жесткие расчетные требования к фундаментам предъявляет расчет по методике СП 25.13330.2016 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [9].
При этом расчеты для прямых столбов без анкерной плиты дают очень похожие результаты, а для фундаментов с анкерной плитой (подошвой) – результаты расчета существенно отличаются. Особенно выделяется расчет по «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83» [7] – он показывает для анкерных фундаментов наименьшую силу выпучивания и наибольшую удерживающую силу.
Так же очевидно что для столба без анкерной плиты даже большая глубина погружения с трудом обеспечивает устойчивость на действие касательных сил пучения.
8. Заключение
Методика расчета по «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» дает вполне адекватные результаты, несмотря на странное ограничение глубины смерзания 2,0 метра.
А вот методика «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83», как и многие расчеты из этого источника вызывают сомнения, т.к. при некоторых соотношениях расчетных параметров она выдает отрицательные силы морозного пучения для анкерных фундаментов (пучение вдавливает его), что теоретически возможно, но выглядит очень странно и не логично.
При ответственных расчетах на морозное пучение рекомендую придерживаться методики СП 22.13330.2016, или СП 25.13330.2012 если необходимо получить наиболее надежный результат. Данные документы – действующие нормативы и результаты расчетов по ним признают все проверяющие органы, в том числе Гос. Экспертизы РФ.
Самостоятельно выполнить расчеты Вы можете воспользовавшись расчетным файлом по ссылке.
В расчетном файле красным шрифтом в разделе «Исходные данные» выделены те цифры, которые Вам необходимо заменить на свои. Так же необходимо выбрать тип грунта и другие параметры из выпадающих списков. Всё остальное вычисляется автоматически.
При задании расчетных формул и коэффициентов использованы сведения из следующих источников:
- [1] Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1980 г
- [2] Доклад «Основные результаты исследования влияния антикоррозионных покрытий на несущую способность свайных фундаментов в мерзлых грунтах» ОАО «Фундаментпроект»;
- [3] серия 1.411.3-11см.13 Свая металлическая трубчатая «СМОТ» (с покрытием «Reline»).
- [4] «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г»;
- [5] ТСН МФ-97 МО «Проектирование, расчет и устройство мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных жилых зданий в Московской области»;
- [6] «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ»;
- [7] «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»;
- [8] СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
- [9] СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»
Данную литературу можно найти в разделе НОРМАТИВЫ.
Коэффициенты снижения касательных сил морозного пучения за счет покрытия поверхности во всех расчетах примерно одинаковы и собраны из разных источников:
Сравнение и описание методик расчета можно посмотреть в этой статье.
Нормативный вес фундамента в расчетах вычисляется из предположения, что фундамент прямоугольной формы и его подошва имеет только одну ступень, материал фундамента – тяжелый бетон с плотностью 2,5 Т/м3.
Хотя ни в СП 22 ни в СП 25 об этом ничего не сказано, но для анкерных фундаментов дополнительно в расчетах учитывается вес грунта на свесах подошвы фундамента вычисленная как площадь свесов, умноженная на глубину заложения за вычетом толщины плитной части фундамента. Плотность грунта обратной засыпки принята 1,6 т/м3. Указания по учету грунта на свесах можно найти в [6].
Если рассчитывается свая или фундамент без уширения на пучение, то следует задавать толщину плитной части раной 0, а размеры подошвы равными размеру стоечной части фундамента.
При создании файла использовалась программа Microsoft Exel 2013. Более ранние версии могут открыть файл некорректно (не проверял).
СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Опечаткой, с Изменениями N 1, 2, 3)
Ж.1 При строительстве зданий и сооружений на свайных фундаментах в сезоннопромерзающих или искусственно замороженных пучинистых грунтах необходимо учитывать касательные силы морозного пучения. Расчет оснований и свайных фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить при эксплуатации неотапливаемых сооружений, мачт линий электропередачи и мобильной связи, трубопроводов и др. или при консервации сооружений, а также для условий периода строительства, если до передачи на сваи проектных нагрузок возможно промерзание грунтов слоя сезонного промерзания-оттаивания или выполняется искусственное замораживание грунтов (при строительстве метро или эксплуатации помещений с отрицательной температурой). При необходимости в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению выпучивания свай в период строительства.
Ж.2 Устойчивость свайных фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию
, (Ж.1)
где - расчетная удельная касательная сила пучения, кПа, принимаемая согласно указаниям Ж.3;
- площадь боковой поверхности смерзания сваи в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта или слоя искусственно замороженного грунта, м;
- расчетная нагрузка на сваю, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т.п.);
- расчетное значение силы, удерживающей сваю от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания, кН, принимаемое по указаниям Ж.4;
- коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0;
- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.
Ж.3 Расчетную удельную касательную силу морозного пучения , кПа, следует определять, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значение по таблице Ж.1 в зависимости от вида и характеристик грунта.
Грунты и их характеристики
Значения , кПа, при глубине сезонного промерзания-оттаивания , м
Супеси, суглинки и глины при показателе текучести 0,5, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при показателе дисперсности 5 и степени влажности 0,95
Супеси, суглинки и глины при 0,250,5, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при 1 и степени влажности 0,8 0,95
Супеси, суглинки и глины при 0,25, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем, пески мелкие и пылеватые при 1 и степени влажности 0,60,8
1 Для промежуточных глубин промерзания принимается интерполяцией.
2 Значения для грунтов, используемых при обратной засыпке котлованов, принимается по первой строке таблицы.
3 В зависимости от вида поверхности фундамента приведенные значения умножают на коэффициент: при гладкой бетонной необработанной - 1; при шероховатой бетонной с выступами и кавернами до 5 мм - 1,1-1,2, до 20 мм - 1,25-1,5; при деревянной антисептированной - 0,9; при металлической без специальной обработки - 0,8.
4 Для сооружений класса КС-1 значения умножают на коэффициент 0,9.
Таблица Ж.1 (Измененная редакция, Изм. N 1).
Ж.4 Расчетное значение силы , кН, удерживающей сваи от выпучивания, следует определять по формуле
, (Ж.2)
где - периметр сечения поверхности сдвига, м, принимаемый равным периметру сечения сваи;
- толщина -го слоя талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя промерзания-оттаивания, м;
- расчетное сопротивление -го слоя талого грунта сдвигу по поверхности сваи, кПа, принимаемое по таблице 7.3.
Ж.5 При проектировании свайных фундаментов с ростверками на средне- и сильнопучинистых грунтах следует учитывать действие нормальных сил морозного пучения грунтов на подошву ростверков.
Ж.6 Расчет отрицательной силы трения оттаивающих грунтов на сваи.
При оттаивании сезонномерзлых или искусственно замороженных грунтов происходит их оседание, в результате чего на боковую поверхность свай действуют отрицательные (негативные) силы трения, направленные вертикально вниз.
Читайте также: