ПРАКТИКУМ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ. Практикум по мерзлотоведению учебное пособие
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
6. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ 6.1 Оценка пучинистости грунтов На территории России 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. В настоящее время во многих областях, в районах с глубиной промерзания до 1,7 м, на мелкозаглубленных и незаглубленных фундаментах (жилых, культурно-бытовых, производственных сельскохозяйственных основного и вспомогательного назначения) построено свыше 1500 одно- и двухэтажных зданий из разных материалов. Систематические инструментальные наблюдения за зданиями в течение 3–6 лет свидетельствуют о надежной работе мелкозаглубленных фундаментов. Применение таких фундаментов 81 вместо традиционных, закладываемых ниже глубины промерзания грунтов позволило сократить: расход бетона на 50–80 %, трудозатраты – на 40–70 %. Степень относительной деформации морозного пучения ε fr , определяется согласно ГОСТу 28622, по результатам испытаний образцов грунта в специальных установках, обеспечивающих промораживание образца исследуемого грунта в заданном температурном и влажностном режимах. Относительную деформацию морозного пучения образца грунта ε fr вычисляют с точностью 0,01 по формуле [1]: i f fh d h / = ε , где h f – вертикальная деформация образца грунта, мм; d i – фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм. Грунты в зависимости от ε fr подразделяются на [1]: непучинистые ε fr <0,01 слабопучинистые 0,01 <ε fr <0,04 среднепучинистые 0,04 <ε fr <0,07 сильнопучинистые 0,07 <ε fr <0,10 чрезмерно пучинистые 0,10 <ε fr Пучинистые свойства несвязных грунтов предварительно оцениваются на основании выявления их зернового состава. Пучинистость крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супеси(с I р < 0,02), определяется с помощью показателя дисперсности D (рис. 6.1). По степени морозоопасности все пучинистые пылевато-глинистые грунты (в зависимости от интенсивности пучения f) подразделяются по параметру R f . на пять групп, приведенных в табл. 6.1. Принадлежность глинистого грунта к одной из групп оценивается параметром R f , определяемым по формуле [1]: 0 2 ) ) ( ( ) 1 , 0 ( 012 , 0 M w w w w w w R p L cr f − + − = , (6.1) где w, w p , w L – влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести, доли единицы; w cr – расчетная критическая влажность, ниже значения которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем 82 грунте, доли единицы, определяется по графику рис. 6.2; M 0 – безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению среднезимней температуры воздуха; принимается по СНиП 2.02.01–82. Строительная климатология и геофизика. Значение R f рассчитывается по формуле 6.1, если плотность сухого грунта равна 1,5 т/м 3 ; при иной плотности грунта расчетное значение R f умножается на отношение ρ d /1,5, где ρ d – плотность сухого исследуемого грунта, т/м 3 Таблица 6.1 Степень пучинистости глинистого грунта [1] Наименование грунта Степень пучинистости глинистого грунта П ра кт ич ес ки н еп уч ин ис ты й f < 0 ,0 1 С ла бо -п уч ин ис ты й 0, 01 < f ≤ 0 ,0 35 С ре дн е- пу чи ни ст ы й 0, 03 < f ≤ 0, 07 С ил ьн о- пу чи ни ст ы й 0, 07 < f < 0, 12 чр ез м ер но пу чи ни ст ы й f > 0, 12 Значение параметра R f Супеси с 0,02 < I р < 0,07 0,0014 0,0014 - 0.0049 0,0049- 0,0098 0,0098- 0,0169 0,0169 Супеси пылеватые с 0,02< I р ≤ 0,07 0,0009 0,0009- 0,003 0,003-0,006 0,006- 0,0103 0,0103 Суглинки с 0,07 <I р < 0,I7 0,001 0,001- 0,0035 0,0035- 0,0071 0,0071- 0,0122 0,0122 Суглинки пылеватые с 0,07 < I р ≤ 0,13 0,0008 0,0008- 0,0027 0,0027 -0,0054 0,0054- 0,0093 0,0093 Суглинки пылеватые с 0,13 < I р ≤ 0,17 0,0007 0,0007- 0,0023 0,0023- 0,0046 0,0046- 0,0079 0,0079 Глины с I р > 0,17 0,0012 0,0012- 0,0043 0,0043- 0,0086 0,0086- 0,0147 0,0147 Пучинистые грунты характеризуются также величиной (деформацией) морозного пучения h f , представляющей высоту поднятия поверхности слоя промерзающего грунта; относительным пучением f, определяемым по формуле [11]: 83 f = h f / d f , (6.2) где d f – слой промерзающего грунта, подверженного морозному пучению. Рис. 6.1. Схема оценки пучинистости грунтов [11] Пылевато-глинистые грунты (суглинки, супеси, глины) со степенью влажности S r >0,9, или уровень подземных вод которых, расположен у границы сезонного промерзания грунта считаются сильнопучинистыми. Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, а также пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато- глинистых фракций, относятся к непучинистым грунтам при любом положении уровня подземных вод; при водонасыщении в условиях 84 замкнутого объема эти грунты относятся к группе слабопучинистых. Пучинистые свойства крупнообломочных грунтов и песков, содержащих пылевато-глинистые фракции, а также супесей при I p <0,02 определяются через показатель дисперсности D. Эти грунты относятся к непучинистым при D<1, к пучинистым – при D>1. Для слабопучинистых грунтов показатель D изменяется от 1 до 5 (1<D<5). Значение D определяется по формуле [11]: e d k D 2 0 = , (6.3) где k – коэффициент, равный 1,85х10 -4 см 2 ; e – коэффициент пористости; d o – средний диаметр частиц грунта, см, определяемый по формуле [11]: , 100 i i i o p d d Σ = (6.4) где d i – средний диаметр частиц отдельных фракций, см; р i – доля фракций, % по массе. Средние диаметры частиц отдельных фракций определяются по их минимальным размерам, умноженным на Рис. 6.2. Значение критической влажности w cr в зависимости от числа пластичности I p и границы текучести w L [11] 85 коэффициент 1,4. За расчетный средний диаметр последней тонкой фракции принимается максимальный размер частиц, деленный на коэффициент 1,4. Для зданий с малонагруженными фундаментами следует приме- нять такие конструктивные решения, которые направлены на снижение сил морозного пучения и деформация конструкций зданий, а также на приспособление зданий к неравномерным деформациям оснований. Мелкозаглубленный (незаглубленный) фундамент конструктивно представляет собой бетонный или железобетонный элемент уложенный, как правило, на подушку или подсыпку из непучинистого материала (рис.2), которые уменьшают перемещения фундамента, как в период промерзания грунта, так и при его оттаивании. В качестве материала для устройства подушки (подсыпки) может быть использован песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень, котельный шлак, а также – непучинистые грунты, имеющие показатель дисперсности D < 1. В необходимых случаях для увеличения несущей способности основания целесообразно предусматривать устройство песчано- щебеночной подушки, состоящей из смеси песка крупного, средней крупности (40%), щебня или гравия (60%). При высоком уровне подземных вод и верховодке необходимо предусматривать меры к предохранению материала подушки от заиливания окружающим пучинистым грунтом. Воды не оказывают влияния на увлажнение промерзающего грунта, если расстояние от границы промерзания d fn до уровня подземных вод, больше значения z, м, которое определяется по табл. 6.2. Таблица 6.2 Минимальное расстояние от границы промерзания до уровня подземных вод [1] Наименование грунта Значение z, м Глина с монтмориллонитовой и иллитовой основой 3,5 Глины с каолинитовой основой 2,5 Суглинки пылеватые с I р > 0,13 2,5 Суглинки с I р > 0,13 2,0 Суглинки пылеватые с I р ≤ 0,13 2,0 Суглинки с Iр ≤ 0,13 1,8 Супеси пылеватые с I p ≥ 0,2 1,5 Супеси с I р > 0,02 1,3 Супеси с I p ≤ 0,02 1,0 Пески пылеватые 1,0 Пески мелкие 0,8 В зависимости от степени пучинистости грунта основания 86 ленточные мелкозаглубленные фундаменты зданий со стенами из кирпича, блоков, панелей следует устраивать: – на практически непучинистых, слабопучинистых и среднепучинистых при (при f ≤ 0,05) грунтах – из бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой; – на среднепучинистых (при f > 0,05) и сильнопучинистых грунтах; – из сборных железобетонных (керамзитобетонных) блоков, жестко соединенных между собой, или из монолитного железобетона; – на среднепучинистых грунтах могут применяться ленточные фундаменты из сборных блоков с устройством над ними и под ними армированных поясов; – на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах – армированные монолитные фундаменты с применением при необходимости армированных или железобетонных поясов над проемами верхнего этажа и в уровне перекрытий. Независимо от степени пучинистости грунта при f > 0,05 ленточные фундаменты всех стен здания должны быть жестко связаны между собой, объединены в единую рамную конструкцию. Ленточные мелкозаглубленные (незаглубленные) фундаменты зданий из деревянных конструкций следует устраивать: – на практически непучинистых и слабопучинистых грунтах – из сборных бетонных (керамзитобетонных) блоков, укладываемых свободно, без соединения между собой; – на среднепучинистых грунтах – из армированных блоков сечением 0,25х0,2 м и длиной не менее 2 м, укладываемых в два ряда с перевязкой швов; – на сильно- и чрезмерно пучинистых грунтах из сборных арми- рованных блоков, жестко соединенных между собой, или монолитного железобетона [1]. Столбчатые мелкозаглубленные фундаменты на средне- и сильнопучинистых грунтах должны быть жестко связаны между собой фундаментными балками, объединенными в единую рамочную систему. Протяженные здания следует разрезать по всей высоте на отдельные отсеки, длина которых принимается: для слабопучинистых грунтов до 30 м, среднепучинистых – до 25 и, сильнопучинистых – до 20 м, чрезмерно пучинистых – до 15 м. Секции зданий, имеющие равную высоту, следует устраивать на раздельных фундаментах. Пример оценки пучинистых грунтов. Требуется запроектировать мелкозаглубленный фундамент одноэтажного здания с полами по 87 цокольному перекрытию, возводимому вблизи г. Вологды. Грунты площадки представлены покровными суглинками, которые в пределах нормативной глубины промерзания имеют следующие характеристики: плотность сухого грунта ρ d = 1,64 т/м 3 ; плотность твердых частиц ρ s = 2,79 т/м 3 ; природная влажность грунта w 1 = 0,295, w 2 = 0,26 (неравномерное распределение по площадке изысканий); влажность на границе текучести w L = 0,32; влажность на границе раскатывания w p = 0,208; число пластичности I p = 0,112; полная влагоемкость грунта w sat = 0,251; коэффициент фильтрации K = 3х10 -2 м/сут. Уровень подземных вод залегает на глубине 3,0 м. Нормативная глубина промерзания d fn = 1,5 м. Определим параметр R f по формуле: 0 2 ) ) ( ( ) 1 , 0 ( 012 , 0 M w w w w w w R p L cr f − + − = , где w – расчетная предзимняя влажность грунта в слое сезонного промерзания, определяется по формуле e n w w Ω Ω = 0 w п – среднее значение природной влажности по глубине d fn в период изысканий в конце июля, равно W 1 = 0,295, W 2 = 0,26; Ω e , Ω 0 – расчетное количество осадков, выпавших за период t e , предшествующий моменту проведения изысканий, и за тот же период t e до установления среднемесячной отрицательной температуры воздуха, соответственно. 7 , 1 50 2 10 3 5 , 1 ìåñ ñóò x K fn d e t = = − = = Согласно данным «Справочника по климату», вып. 1 (Л., Гидроме- теоиздат, 1968) среднемесячное количество осадков, выпадающих в летне-осенний период в районе г. Вологды, составляет: Месяц VI VII VIII IX Х количество осадков, мм 74 76 75 72 58 88 2 , 75 7 , 1 1 76 7 , 0 74 2 3 2 2 1 1 ìì t t t t X e IX e VII e VI e e = ⋅ + ⋅ = + Ω + Ω = Ω Расчетное количества осадков за период 1,7 месяца до начала промерзания грунта равно: 7 , 63 7 , 1 1 58 7 , 0 72 2 3 4 3 3 0 ìì t t t t X e IX e X e IX e = ⋅ + ⋅ = + Ω + Ω = Ω Расчетные экстремальные значения влажности при w 1 и w 2 равны: 25 , 0 2 , 75 7 , 63 295 , 0 1 = = w 22 , 0 2 , 75 7 , 63 26 , 0 2 = = w w cr = 0,21 (рис. 6.2) C M ° − = + + + + − = 5 , 8 5 4 , 6 4 , 11 8 , 11 2 , 9 6 , 3 0 (СНиП 2.01.01–82. Строи- тельная климатология и геофизика). , 00386 , 0 5 , 8 208 , 0 32 , 0 ) 21 , 0 25 , 0 ( 25 , 0 ) 1 , 0 25 , 0 ( 012 , 0 2 = ⋅ − + − = f R с учетом исходной плотности сухого грунта ρ d = 1,64 т/м 3 ; 0042 , 0 5 , 1 64 , 1 00386 , 0 = = f R Согласно табл. 6.1 площадка сложена среднепучинистыми грунтами. На основе полученного результата производится выбор конструктивного решения фундамента. 6.2. Расчет оснований и фундаментов на воздействие сил морозного пучения В период сезонного промерзания грунтов на фундамент действуют силы выпучивания, направленные вертикально вверх и стремящиеся поднять, "выдернуть" фундамент из многолетнемерзлых грунтов. Поэтому глубина заложения фундаментов должна проверяться расчетом по устойчивости фундаментов на действие сил морозного пучения грунтов. Величина пучения деятельного слоя в районах распространения многолетнемерзлых грунтов или в зоне глубокого сезонного промерзания достигает 10–30 см, а касательные силы пучения, развивающиеся при сезонном промерзании грунтов и воздействующие на фундаменты сооружений, доходят до 0,3 МПа 89 Рис. 6.3. Схема к расчету фундаментов на действие касательных сил пучения в многолетнемерзлых (а) и талых грунтах (б) Различают два вида сил пучения: нормальные и касательные. Нормальные силы действуют по нормали к подошве фундамента, расположенного в слое сезонного промерзания или протаивания. Их необходимо учитывать при проектировании фундаментов неглубокого заложения. Силы пучения, обусловленные смерзанием пучинистого грунта с боковой поверхностью фундамента, действуют по касательной к его поверхности (рис. 6.3). Эти силы учитываются при проектировании основных типов фундаментов, глубина заложения которых, согласно СНиП 2.02.04–88, должна превышать нормативную глубину сезонного протаивания (промерзания) грунтов на участке. Расчет оснований и фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить как для условий эксплуатации сооружения, так и для условий периода строительства, если до передачи на фундаменты проектных нагрузок возможно промерзание грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания). При необходимости в проекте должны быть предусмотрены мероприятия по предотвращению выпучивания фундаментов в период строительства. Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов надлежит проверять по условию [8]: τ γ γ fh fh c n r A F F − ≤ , (6.5) где τ fh – расчетная удельная касательная сила пучения, кПа (кгс/см 2 ); A fh – площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания–оттаивания грунта, м 2 (см 2 ); 90 F – расчетная нагрузка на фундамент, кН (кгс), принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, крановые и т. п.); F r – расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания, кН (кгс); γ c – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0; γ n – коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,1, а для фундаментов опор мостов – 1,3. Расчетную удельную касательную силу морозного пучения τ fh , кПа (кгс/см 2 ), следует определять, как правило, опытным путем. Для сооружений II и III классов ответственности значения τ fh допускается принимать по табл. 6.3 в зависимости от состава, влажности и глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов d th Показатель текучести определяется по формуле: I L = (w – w p )/I p (6.6). Таблица 6.3 Расчетная удельная касательная сила морозного пучения Грунты и степень водонасыщения Значения τ fh , кПа (кгс/см 2 ), при глубине сезонного промерзания – оттаивания d th , м 1,0 2,0 3,0 Пылевато-глинистые при показателе текучести I L > 0,5, пески мелкие и пылеватые при степени влажности S r > 0,95. 130 (1,3) 110 (1,1) 90 (0,9) Пылевато-глинистые при 0,25<I L ≤ 0,5, пески мелкие и пылеватые при 0,8<S r ≤ 0,95, крупнообломочные с заполнителем (глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) свыше 30 %. 100 (1,0) 90 (0,9) 70 (0,7) Пылевато-глинистые при I L ≥ 0,25, пески мелкие и пылеватые при 0,6<S r ≤ 0,8, крупнообломочные с заполнителем (пылевато-глинистым, мелкопесчаным и пылеватым) от 10 % до 30 %. 80 (0,8) 70 (0,7) 50 (0,5) Расчетное значение силы F r , кН (кгс), удерживающей фундаменты от выпучивания, следует определять по формулам [8]: при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу I F u R h r af i i i n = = ∑ , 1 ; (6.7) 91 при использовании многолетнемерзлых грунтов по принципу II F u f h r i i i n = = ∑ 1 , (6.8) где u – периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты – периметру сечения фундамента; для столбчатых фундаментов с анкерной плитой – периметру анкерной плиты; R af,i – расчетное сопротивление i-го слоя многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания, кПа (кгс/см 2 ); h i – толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания–оттаивания, м (см); f i – расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см 2 ), принимаемое согласно СНиП 2.02.03–85, приведены в табл. 6.4. |