Расчет оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах

А. Б. Лолаев





РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 624.15
ББК 38.58
     Л73


Рецензенты:
профессор, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры прикладной геологии Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) Васьков Игорь Михайлович; кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник Комплексного научно-исследовательского отдела Владикавказского научного центра Российской академии наук Бадоев Александр Сергеевич






     Лолаев, А. Б.
Л73 Расчет оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах : учебное пособие / А. Б. Лолаев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -144 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1471-5

           Приведены физико-механические свойства мерзлых грунтов, включены примеры расчета, наиболее часто встречающиеся в практике строительства на вечномерзлых грунтах.
           Для студентов, изучающих инженерную геологию и строительство, а также преподавателей высших и средних учебных заведений горных и строительных вузов и техникумов.

УДК 624.15
ББК 38.58










ISBN 978-5-9729-1471-5

     © Лолаев А. Б., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ПРЕДИСЛОВИЕ





     Суровые природно-климатические и мерзлотно-грунтовые условия районов распространения вечномерзлых грунтов (около 47 % территории нашей страны, см. рис. 1) определяют специфические требования к проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений. При этом стоимость возведения конструкций нулевого цикла, как правило, составляет 20-30 %, а в сложных мерзлотно-грунтовых условиях - до 40 % от сметной стоимости сооружения.
     В связи с этим актуальной задачей является повышение эффективности устройства фундаментов на вечномерзлых грунтах (ВМГ) с целью снижения затрат и обеспечения надежности и качества за счет системного подхода на основе многовариантных проектных решений. Требуется более глубокое понимание теоретических и практических основ проектирования и строительства зданий и сооружений на ВМГ с учетом самых разнообразных мерзлотно-грунтовых условий и их изменения в процессе освоения новых территорий.
     За последние годы значительно увеличился выпуск литературы, посвященной вопросам теории и практики строительства на вечномерзлых грунтах. Вышли новые своды правил СП 25.133330.2020 [1] и др.
     В пособии учтены эти изменения, единицы измерений приняты по системе СИ в соответствии с указаниями СН 580-80 [2], и все примеры расчета пересчитаны в этих единицах.
     Материалы пособия опираются на многолетний опыт преподавания дисциплин «Механика грунтов», «Основания и фундаменты», «Механика мерзлых грунтов» в период работы в Норильском индустриальном институте. В книгу включены примеры расчета, наиболее часто встречающиеся в практике строительства на вечномерзлых грунтах.
     Данное пособие будет полезно студентам специальностей в области инженерной геологии и строительства, а также преподавателям высших и средних учебных заведений горных и строительных вузов и техникумов.
     Пожелания и замечания можно присылать по адресу: 362025, г. Владикавказ, ул. Ватутина 44-46, ФГБОУ ВО СОГУ им. К. Л. Хетагурова.
     Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам за ценные советы по улучшению содержания книги и устранение ее недостатков.

3

Рисунок 1. Схематическая картараспространения вечномерзлых грунтов

мощностью:
более 500 м; 400-500 м; 300-400 м; 200-300 м; 100-200 м; несплошного распределения мощностью до 100 м; зона отдельных островов грунта мощностью до 25 м

4

                1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ РАСЧЕТА ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ





        1.1. Основные понятия и определения


     Грунты называются мерзлыми, когда в их составе часть воды находится в виде льда, и они характеризуются криогенными структурными связями.
     Вечномерзлыми называются грунты, находящиеся в природных условиях в мерзлом состоянии в течение нескольких лет (трех и более).
     Поверхностный (деятельный) слой грунта, замерзающий зимой и оттаивающий летом, определяется как слой сезонного промерзания или сезонного оттаивания. В том случае, когда между слоем сезонного промерзания и вечномерзлой толщей не остается талой прослойки, деятельный слой называют сливающимся с вечномерзлыми породами, если же глубина сезонного промерзания меньше глубины залегания вечномерзлых толщ, то он называется несливающимся (рис. 2).


а                           б
Рисунок 2. Строение вечномерзлых грунтов: а - сливающаяся мерзлота; б - слоистая мерзлота;
1 - сезонно оттаивающий слой; 2 - слой талого грунта;
3 - вечномерзлый грунт

     Мощность деятельного слоя зависит от интенсивности и продолжительности прогревания поверхности и меняется от 0,2-0,3 м (в высоких широтах) до 3-4 м (на широте 55-60°) [4]. Она также неодинакова в грунтах различного состава и влажности. Наибольшей величиной протаивания 5

характеризуются скальные щебенистые грунты, наименьшей - глинистые. Сильновлажные, насыщенные льдом грунты протаивают на меньшую глубину, чем маловлажные, поскольку они обладают повышенной теплоемкостью и требуют большего количества тепла для плавления льда.
     По величине вечномерзлой толщи грунта в зависимости от температурного фактора различают две зоны: зону аккумуляции, отмечаемую сезонными колебаниями температур, и зону нулевых годовых амплитуд с постоянной, не изменяющейся в течение года температурой То (рис. 3). В зоне аккумуляции температура грунтов до глубины, соответствующей сезонному протаиванию, в зависимости от времени года, меняется от положительной до отрицательной. Температура грунта у поверхности меняется непрерывно в зависимости от температуры воздуха. Суточные колебания температуры распространяются до глубины 0,5-0,8 м. Ниже верхней границы вечномерзлой толщи температура грунта постоянно остается ниже нуля. Начиная с некоторой глубины (зона нулевых амплитуд), наблюдается постоянное повышение температуры мерзлой толщи до 0 °С, а далее температурная кривая переходит в область положительных температур.


Рисунок 3. Схематический температурный разрез толщи мерзлых грунтов:
1 - сезонно оттаивающий слой; 2 - зона аккумуляции;
3 - зона нулевых годовых амплитуд; 4 - граница зоны годовых амплитуд;
5 - кривая максимальных температур; 6 - то же, минимальных;
7 - верхняя граница вечномерзлых грунтов; 8 - то же, нижняя

6

     Расстояние от верхней до нижней границы вечномерзлой толщи и определяет ее мощность.
     Главным фактором, определяющим особенности мерзлых грунтов при использовании их в качестве оснований зданий и сооружений, является наличие в них льда. Лед, цементируя частицы грунта и образуя отдельные включения в нем, обусловливает его физические, прочностные и деформационные свойства и их зависимость от температуры. По степени цементации льдом мерзлые грунты в природных условиях могут быть: твердомерзлыми, пластично-мерзлыми и сыпучемерзлыми.
     В табл. 1 приведены показатели категорий мерзлых грунтов по степени сцементированности льдом [3].


Показатели категорий мерзлых грунтов [3]

Таблица 1

                                                                 Наименование    
                                                                видов грунтов,   
Категории                    Физическое         Внешний           в которых,     
 грунтов    Температура      состояние            вид            как правило,    
                                                              встречается данная 
                                                              категория мерзлых  
                                                                   грунтов       
                                                Видимые                          
           Отрицательная,                       ледяные            Все виды      
            нулевая или       Твердо-          кристаллы      круглообломочных,  
Твердо-     при наличии     смерзшиеся,      и прослойки;         песчаных,      
мерзлые       ледяных     сцементированные  при оттаивании        глинистых      
             включений         льдом        грунты изменяют    и заторфованных   
                                             цвет на более         грунтов       
                                                темный                           
                                             Льда в порах                        
                                           не видно; иногда   Все виды глинистых 
Пластично-                Полусмерзшиеся,  (при рассмотрении       грунтов,      
 мерзлые       То же         пластичные       в лупу)лед         пески мелкие    
                                              наблюдается        и пылеватые     
                                             в виде мелких                       
                                              кристаллов                         
                            Несмерзшиеся                                         
                              сыпучие,       Иногда видны          Все виды      
Сыпуче-                    не изменяются    редкие блестки     крупнообломочных  
мерзлые        То же        при переходе      кристаллов       грунтов и пески   
                          от отрицательных       воды         крупные и средней  
                             температур                           крупности      
                          к положительным                                        

7

     По сжимаемости грунта под нагрузкой, в соответствии со СП 25.133330.2020 [1], к твердомерзлым грунтам следует относить практически несжимаемые грунты с коэффициентом сжимаемости mf < < 0,01 МПа⁻¹ (0,001 см²/кг), к пластично-мерзлым - грунты с коэффициентом сжимаемости mf > 0,01 МПа⁻¹ (0,001 см²/кг).
     В соответствии с [4], грунты относятся к твердомерзлым, если их температура ниже значения, характеризующего переход грунта из пластичного

в твердомерзлое состояние и равного:
для крупнообломочных грунтов.............0 ОС;
         для песков крупных и средней крупности..-0,1 ОС;
         для песков мелких и пылеватых.........-0,3 ОС;
для супесей...........................-0,6 ОС;
для суглинков.........................-1,0 ОС;
для глин..............................-1,5 ОС.


        1.2. Физико-механические свойства мерзлых грунтов

     Дополнительными характеристиками мерзлых грунтов, используемыми в расчетах, по сравнению с обычными талыми грунтами, являются:
     а)      суммарная влажность, включающая все виды воды в мерзлом грунте, и суммарная льдистость;
     б)     криогенная текстура;
     в)      степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой;
     г)     плотность скелета мерзлого грунта;
     д)      относительное сжатие мерзлого грунта при переходе его в оттаявшее состояние;
     е)      характеристики грунтов для расчета мерзлых и оттаивающих оснований на прочность, устойчивость, действие сил пучения, деформации;
     ж)     теплофизические характеристики грунтов;
     з)     засоленность.
     Суммарная влажность Wtot - отношение массы всех видов воды (ледяных включений, прослоев, линз, порового льда и незамерзшей воды) в мерзлом грунте к массе этого грунта, высушенного до постоянной массы.

Wₜₒₜ = Wₜ + w, + Ww = wₜ + wₘ,               (1)

8

где Wi - влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, т. е. линз и прослоек льда; Wic - влажность мерзлого грунта за счет порового льда, т. е. льда, находящегося в его порах и цементирующего минеральные частицы грунта (льда-цемента); Ww - влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной температуре незамерзшей воды; Wm - влажность мерзлого грунта, расположенного между ледяными включениями, Wm = Wic + Ww.
      Суммарная влажность мерзлого грунта Wtot и влажность мерзлого грунта между включениями определяются в соответствии с ГОСТ 5180-2015 [5]. Влажность мерзлого грунта за счет незамерзшей воды Ww определяется, как правило, опытным путем, а для незасоленных мерзлых грунтов допускается определять по формуле:


    Ww = kw- Wₚ,


(2)

где kw - коэффициент, принимаемый по табл. 2 [1, табл. БЗ, прил. Б] в зависимости от числа пластичности Ip и температуры грунта Т, °С; Wp - влажность грунта на границе пластичности (раскатывания).
     Суммарная льдистость itot - отношение объема льда, содержащегося в мерзлом грунте, к объему мерзлого грунта.
     Так, если itot = 0,2, то это означает, что в слое мерзлого грунта толщиной 100 см находится прослойка льда общей (суммарной) толщиной 20 см.

•tot

•t ⁺ Чс

Pfₗ-(Wₜₒₜ-WW)
Pi-Cl+Wtot) ,

(З)

где ii - льдистость грунта за счет ледяных включений в долях единицы, определяемая по формуле:


• = ___________Ps -Wi___________
t Pi + Ps -( Wtot -0,l -М^


(4)

где iic - льдистость грунта за счет порового льда в долях единицы; р: - плотность мерзлого грунта, кН/м³; pₛ - плотность частиц грунта, кН/м³; р - плотность льда, равная 9 кН/м³.


9

Таблица 2

Значение коэффициента kw

              Число          Температура грунта T, °С                   
            пластич-                                                    
  Грунты      ности    -0,3 -0,5  -1   -2   -3  -4    -6   -8  -10  -15 
           грунтов Ip,                                                  
            доли ед.                                                    
  Пески                                                                 
  (кроме       ---      0    0    0    0    0    0    0    0    0    0  
пылеватых)                                                              
  Пески         -      0,5  0,35 0,30 0,25 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18
пылеватые                                                               
            Ip <0,02   0,5  0,35 0,30 0,25 0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18
  Супеси   0,02 < Ip < 0,6  0,5  0,4  0,35 0,33 0,3  0,28 0,26 0,25 0,23
              <0,07                                                     
           0,07 <Ip <  0,7  0,65 0,58 0,5  0,46 0,44 0,42 0,41 0,4  0,38
 Суглинки     <0,13                                                     
           0,13 <Ip <  0,85 0,75 0,65 0,55 0,53 0,5  0,48 0,46 0,45 0,43
              <0,17                                                     
  Глины     Ip > 0,17  0,98 0,92 0,8  0,68 0,63 0,6  0,57 0,56 0,55 0,53

     Наличие и расположение льда в мерзлом грунте определяют его криогенную текстуру (сложение мерзлого грунта, обусловленное замерзанием содержащейся в нем воды и характеризуемое величиной и расположением ледяных включений).
     Различают три вида текстуры: массивную (или слитную) с равномерным распределением ледяных кристаллов, характеризуемую в основном наличием порового льда (рис. 4, а); слоистую, при которой ледяные включения располагаются в виде линз и прослоек, ориентированных в одном направлении (рис. 4, б); сетчатую, при которой ледяные включения различной ориентации образуют сеть или решетку (рис. 4, в).
     Максимальную осадку при оттаивании дают грунты сетчатой и слоистой текстуры.
     Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и незамерзшей водой Sr определяется по формуле


    Sᵣ =


(l.l-Wjc+Ww)p e-pw

(5)

где e - коэффициент пористости мерзлого грунта в естественном состоянии; p - плотность воды, равная 10 кН/м³.

10