5) 8.1.2.Типы фундаментов.

Фундаменты, возводимые на пучинистых грунтах, представлены на рис. 3 .К фундаментам мелкого заложения относят такие, отношение высоты которых к ширине подошвы не превышают 4.

Малозаглубленными^*называют фундаменты глубиной заложения 0,5…0,7 от нормативной глубины промерзания.

Незаглубленные фундаменты из монолитных ( сборно - монолитных)плит применяют для зданий с отношением длины к высоте менее 4.Фундаментные плиты укладывают на подсыпки(подушки) из непучинистых материалов. В качестве материала при устройстве подушки используют песок крупный и средней крупности, мелкий щебень, котельный шлак либо медный материал, подвергнутый тепловой обработке.

В качестве мероприятий против морозного выпучивания в настоящее время широко применяют заложение фундамента ниже расчетной глубины промерзания. Однако такое решение не только приводит к значительному удорожанию стоимости строительства, но и не исключает(для малонагруженных фундаментов)больших неравномерных перемещений фундамента, что приводит к повреждению конструктивных элементов здания. Это обусловлено тем, что нагрузки, передаваемые на фундаменты малоэтажных зданий, как правило, значительно меньше касательных сил морозного пучения, действующих по боковой поверхности заглубленных фундаментов.

*Малозаглубленные и (незаглубленные) фундаменты рекомендуют для одно и двухэтажных зданий.

При проектировании фундаментов на пучинистых грунтах ,кроме фундаментов на естественном основании(столбчатых, ленточных) и свайных нашли применение фундаменты на локально уплотненных основаниях . Они представлены фундаментами из забивных блоков и фундаментами в вытрамбованных котлованах(ФТК).

Особенность метода ФТК состоит в том, что котлованы под отдельные фундаменты не отрываются, а вытрамбовываются на необходимую глубину с последующим заполнением монолитным бетоном враспор или установкой сборных элементов.

Выбор конструкции фундамента следует производить, исходя из конкретных условий строительной площадки на основе результатов технико-экономического сравнения возможных вариантов фундаментов:

Фундаменты на пучинистых грунтах
По характеру заглубления:	По типу фундаментов:	По виду изготовления:
-мелкого заложения; -малозаглубленные; -незаглубленные.	-на естественном основании: -сборно-монолитные; а) столбчатые; б) ленточные; -свайные; -на локально-уплотненном основании : а) забивные блоки; б)фундаменты в вытрамбованных котлованах.	- монолитные; -сборно-монолитные.

Классификация фундаментов.

Рис. 3 Величина критической влажности ω_cr в зависимости от числа пластичности J_p и границы текучести ω_L грунта

8.1.3.Основные положения по расчету оснований фундаментов на пучинистых грунтах.

При проектировании фундаментов на пучинистых грунтах следует исходить из универсальной схемы (4.2), рассмотренной в главе 4,т.е. на основании анализа инженерно-геологических условий строительной площадки данных таблицы8.1. назначается глубина заложения фундамента(с учетом предупреждения возможности промерзания и пучения грунта под его подошвой), предварительно задаются размерами подошвы фундамента и толщиной подушки из непучинистого материала, а в комплексе проверок основными следует считать расчеты оснований и фундаментов: по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения; по деформации промерзающих морозоопасных грунтов.

Устойчивость фундаментов всех типов на воздействие касмательных сил пучения, согласно СНиП [43]

Таблица 8.1.Классификация пучинистых грунтов по степени морозоопасности

Вид грунта и пределы нормативных значений числа пластичности	Значения параметра Rf*10^2 для грунта
	Практически непучинистого f≤0.01	Слабо пучинистого 0.01≤f≤0.035	Средне пучинистого 0.035<f≤0.07	Сильно пучинистого 0.07<f≤0.12	Чрезмерно пучинистого f>0.12
1	2	3	4	5	6
1.Супесь 2<Jp≤7	<0.14	0.14…0.49	0.49…0.98	0.98…1.69	>1.69
2.Супесь 2<Jp≤7	<0.09	0.09…0.3	0.3…0.6	0.6…1.03	>1.03
3.Суглинок 7<Jp≤17	<0.1	0.1…0.35	0.35…0.71	0.71…1.22	>1.22
4.Суглинок 7<Jp≤13	<0.08	0.8…0.27	0.27…0.54	0.54…0.93	>0.93
5. Суглинок 13<Jp≤17	<0.07	0.07…0.23	0.23…0.46	0.46…0.79	>0.79
6.Глина Jp>17	<0.12	0.12…0.43	0.43…0.86	0.86…1.47	>1.47

Примечания: 1.Значение Rf определять по формуле (8.1),в которой плотность сухого грунта принята равной 1.5 т/м3; при другой плотности грунта расчетное значение Rf умножать на отношение (ρd-плотность исследуемого грунта), т/м3. 2.Грунты, перечисленные в поз.2,4,5,содержат пылеватых частиц размером 0.05…0.005 мм не более 50% по массе.

(8.2)

где -расчетное значение удельной касательной силы морозного пучения(кПа),принимаемое по табл.41[25] или определяемая опытным путем; -площадь боковой поверхности фундамента, находящегося в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м²;F-расчетная постоянная нагрузка(кН),определяемая с коэффициентом надежности по нагрузке =0,9; -коэффициент условий работы; -коэффициент надежности; -расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания за счет сил трения его боковой поверхности с талым грунтом, кН:

,

где -расчетное сопротивление талого грунта сдвигу по боковой поверхности фундамента в j-м слое(кПа) принимаемое по указаниям СНиП 2.02.03-85; -площадь вертикальной поверхности фундамента ниже расчетной глубины промерзания, м²;n-число слоев.

Расчет на прочность всех типов фундаментов с вертикальными гранями при действии касательных сил морозного пучения выполняются в соответствии со СНиПом [43] по формуле

,

где -расчетное усилие, разрывающее фундамент, кН; -обозначения те же, что и в формуле (8.2).

Расчет фундаментов по допустимым деформациям сооружений от морозного пучения грунтов основания выполняется из двух условий:

_,

_{где -расчетное вертикальное перемещение (деформация) от действия сил пучения промерзающего грунта под подошвой фундамента; -предельно допустимое вертикальное перемещение(деформация)фундамента, определяемая по [43];}

6) При назначении конструктивных мероприятий для мелкозаглубленных и незаглубленных фундаментов следует руководствоваться работой [27]. При этом:

1.При малонагруженных фундаментах целесообразно применять конструктивные решения, направленные на снижение сил морозного пучения и деформаций конструктивных элементов зданий, а также приспособления зданий к неравномерным деформациям оснований.

2. Боковые грани фундамента рекомендуется выполнять наклонными ( рис.4 ).

Материалом подушки может быть песок крупный или средней крупности, мелкий щебень, котельный шлаг или местный грунт, прошедший противопучинистую обработку. Для увеличения

Рис.4 Мелкозаглубленный фундамент:

1-стена здания;

2-гидроизоляция;

блок;

4-подушка из непучинистого материала; 5-засыпка из непучистого материала;6-отмостка

несущей способности основания в необходимых

случаях устраивают песчано-щебеночную подушку ( смесь песка крупного, средней крупности-40% и щебня или гравия- 60%)

3. Высокий уровень подземных вод и верховодка диктуют устройство подушки из местного материала, обязательно подвергнутого противопучинистой

стабилизации в соответствии рекомендациями [34, 35] по физико-химическому укреплению промерзающих и оттаивающих грунтов.

4. Для уменьшения влияния τ ( касательных сил пучения ) пазухи траншей ( котлованов)следует либо заполнять непучинистым материалом ( «Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок»- НИИОСОП: М.,1980), либо назначать химические мероприятия согласно [34, 35].

7) 14.4.8. 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.