Расчет оснований по первой группе предельных состояний (по несущей способности) при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I является обязательным независимо от температурного состояния мерзлого грунта.
При однородном по составу вечномерзлом грунте принимают Ruf при средней по длине сваи (эквивалентной) температуре вечномерзлого грунта (см. рис. 8).
Рис. 8. Схема к определению несущей способности: а — столбчатого фундамента; 6 — одиночной висячей сваи
Значения расчетных температур грунта основания устанавливаются теплотехническим расчетом или определяются по формулам. Расчет фундаментов на устойчивость при действии значительных горизонтальных нагрузок проводят аналогично расчету фундаментов на немерзлых грунтах. При этом основное сопротивление будут оказывать не силы трения, а силы смерзания грунта с фундаментом по его подошве и боковым граням.
Расчет оснований фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) производится исходя из условия
F < Fu /g n, (1),
где F — расчетная нагрузка на основание; Fu — несущая способность основания, определяемая расчетом, а для оснований свайных фундаментов – дополнительно и по данным полевых испытаний свай и статического зондирования;
g n — коэффициент надежности по ответственности сооружения, принимаемый в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 в зависимости от вида и уровня ответственности сооружения, а для оснований опор мостов — согласно СНиП 2.05.03.
Несущая способность основания Fu, кН, вертикально нагруженной висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле
, (2)
где g t — температурный коэффициент, учитывающий изменения температуры грунтов основания из-за случайных изменений температуры наружного воздуха;
g с — коэффициент условий работы основания;
R — расчетное сопротивление мерзлого грунта под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, кПа;
А — площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м2, принимаемая для сплошных свай равной площади их поперечного сечения (или площади уширения), для полых свай, погруженных с открытым нижним концом, — площади поперечного сечения сваи брутто при заполнении ее полости цементно-песчаным раствором или грунтом на высоту не менее трех диаметров сваи;
Raf,i — расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи или столбчатого фундамента в пределах (i -го слоя грунта, кПа;
Аaf,i — площадь поверхности смерзания i -го слоя грунта с боковой поверхностью сваи, а для столбчатого фундамента — площадь поверхности смерзания грунта с нижней ступенью фундамента, м2;
n — число выделенных при расчете слоев многолетнемерзлого грунта.
При расчете несущей способности основания столбчатого фундамента силы смерзания грунта, определяемые вторым слагаемым формулы (2), учитываются только при условии выполнения обратной засыпки пазух котлована влажным грунтом, что должно быть отмечено в проекте.
В случаях, когда слой сезонного промерзания — оттаивания не сливается с многолетнемерзлым грунтом, несущую способность свай в пределах немерзлого слоя грунта допускается учитывать по СП 24.13330.2011. При этом должны быть предусмотрены меры по стабилизации верхней поверхности многолетнемерзлого грунта, а расчетные сопротивления таликовых грунтов (кроме крупнообломочных и песков со степенью влажности не превышающей 0,8) вдоль боковой поверхности свай, принимаемые по нормативным таблицам СП 24.13330.2011, следует брать с понижающими коэффициентами: 0,8 — для глинистых грунтов, 0,9 — для песчаных водонасыщенных грунтов; для других грунтов понижающие коэффициенты определяют по опытным данным.
Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой фундамента R и расчетные сопротивления мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания фундамента Raf устанавливаются по данным испытаний грунтов, проводимых в соответствии с ГОСТ 12248, с учетом коэффициента надежности по грунту gg и расчетных температур грунта основания Тm, Tz и Те, определяемых теплотехническим расчетом.
По результатам испытаний грунтов шариковым штампом или на одноосное сжатие расчетные значения R, кПа, вычисляются по формуле
R = 5,7 cn / gg + gId, (3)
где cn — нормативное значение предельно длительного сцепления, кПа, принимаемое равным: cn = cegn при испытаниях грунтов шариковым штампом и cn = 0,5 Rcn — при испытаниях на одноосное сжатие, где cegn
и Rcn
— соответственно предельно длительное эквивалентное сцепление и сопротивление грунта одноосному сжатию;
gI — расчетное значение удельного веса грунта, кН/м3; d — глубина заложения фундамента, м.
При расчетах несущей способности оснований значения R следует принимать: для свайных фундаментов — при расчетной температуре грунта Tz на глубине z, равной глубине погружения сваи; для столбчатых фундаментов — при расчетной температуре грунта Tm на глубине заложения подошвы фундамента.
Расчетные сопротивления сдвигу Raf,i следует принимать: для свайных фундаментов — при температуре грунта Tz на глубине середины i -го слоя грунта; для столбчатых фундаментов — при температуре грунта Tm на глубине, соответствующей середине нижней ступени фундамента.
При расчетах по формуле (2) значения Raf принимается при средней (эквивалентной) температуре грунта Те.
Для буроопускных свай расчетное сопротивление сдвигу необходимо принимать наименьшим из значений сдвига по поверхности смерзания сваи Raf и сдвига по грунту или буровому раствору Rsh; для буронабивных свай — по значению Rsh. При расчете несущей способности комбинированных свай (деревометаллических, сборно-монолитных и др.) значения Raf следует принимать с учетом неодинаковой прочности смерзания с грунтом их различных элементов.
Для свай (кроме бурозабивных), опираемых на песчано-щебеночную подушку высотой не менее трех диаметров скважины, при диаметре скважины не более полутора диаметров сваи, расчетное значение R допускается принимать для грунта подушки, а значение А — равным площади забоя скважины. При опирании свай на льдистые грунты с льдистостью i ³ 0,2 расчетные значения R следует принимать с понижающим коэффициентом ni = 1 — ii.
Для кратковременных нагрузок с временем действия t, равным или меньшим продолжительности перерывов между ними, расчетные значения R и Raf допускается принимать с повышающим коэффициентом nt (кроме опор мостов) в соответствии с данными табл.1.
Таблица 1
| Время действия нагрузки t, ч | 0,1 | 0,25 | 0,5 | 1 | 2 | 8 | 24 |
| Коэффициент nt | 1,7 | 1,5 | 1,35 | 1,25 | 1,2 | 1,1 | 1,05 |
Коэффициент условий работы основания g c принимается по табл. 2 в зависимости от вида и способов устройства фундаментов (кроме опор мостов).
Таблица 2
| Виды фундаментов и способы их устройства | Коэффициент gс |
| Столбчатые и другие виды фундаментов на естественном основании | 1,0 |
| То же на подсыпках | 0,9 |
| Буроопускные сваи с применением грунтовых растворов, превышающих по прочности смерзания вмещающие грунты | 1,1 |
| То же при равномерной прочности грунтовых растворов и вмещающего грунта | 1,0 |
| Опускные и буронабивные сваи | 1,0 |
| Бурообсадные, забивные и бурозабивные сваи при диаметре лидерных скважин менее 0,8 диаметра свай | 1,0 |
| Бурозабивные при большем диаметре лидерных скважин | 0,9 |
Значен p style=»text-align: center;»/emi/tdия коэффициента gс, приведенные в табл. 2, допускается увеличивать пропорционально отношению полной нагрузки на фундамент к сумме постоянных и длительных временных нагрузок, но не более чем в 1,2 раза, если расчетные значения деформаций основания при этом не будут превышать предельно допустимых значений.
Передача на фундаменты проектных нагрузок допускается, как правило, при температуре грунтов в основании сооружения не выше установленных на эксплуатационный период расчетных значений. В необходимых случаях следует/tr tr предусматривать мероприятия по предварительному (до загружения фундаментов) охлаждению пластичномерзлых грунтов до установленных расчетом значений температуры.
При соответствующем обосновании расчетом основания по деформациям допускается загружать фундаменты при температурах грунта выше расчетных, но не выше значений: Т = Тbf — 0,5 °С — для песчаных и крупнообломочных грунтов и Т = Тbf — 1 °С — для глинистых, где Tbf — температура начала замерзания грунта. Несущая способность основания Fu в этом случае должна определяться при расчетных температурах грунта, устанавливаемых без учета теплового влияния сооружения по формуле (8), принимая коэффициент gt по расчету.
Расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те определяются расчетом теплового взаимодействия сооружения с многолетнемерзлыми грунтами основания в периодически установившемся тепловом режиме с учетом переменных в годовом периоде условий теплообмена на поверхности, формы и размеров сооружения, глубины заложения и расположения фундаментов в плане, а также теплового режима сооружения и принятых способов и средств сохранения мерзлого состояния грунтов основания.
При расчетах многолетнемерзлых оснований по несущей способности и деформациям расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те следует принимать равными:
Тm — максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента zd, отсчитываемой от верхней поверхности многолетнемерзлого грунта;
Те — максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундамента zd температуре многолетнемерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная температура грунта);
Tz — температура многолетнемерзлого грунта на данной глубине z от его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры Те.
Для оснований свайных, столбчатых и других видов фундаментов сооружений с холодным (вентилируемым) подпольем, опор трубопроводов, линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений, кроме оснований опор мостов, расчетные температуры грунтов Tm, Tz и Те допускается определять по формулам:
для оснований сооружений с холодным подпольем
под серединой сооружения
, (4)
под краем сооружения
, (5)
под углами сооружения
, (6)
для оснований опор линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений и трубопроводов
, (7)
где 
— расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, °С, определяемая согласно обязательному приложению Д;
Tbf — температура начала замерзания грунта, °С; Т о — расчетная среднегодовая температура грунта, °С;
a m, a z и a e — коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемых по табл. 3 в зависимости от значения параметра 
, с0,5 (ч0,5), где z — глубина от поверхности многолетнемерзлого грунта, м;
cf — объемная теплоемкость, Дж/ (м3×°С), и l f — теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м3×°С);
k 1, k 2 и k 3 — коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 7.4 в зависимости от отношений z / В и L / В, L и В — соответственно длина и ширина сооружения, м;
kts — коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений, принимаемый по табл. 5 в зависимости от вида и глубины заложения фундаментов z, м.
Таблица 3
| 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) | |
| am | 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) |
| az | 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) |
| ae | 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) |
Таблица 4
| Форма сооружения в плане | L / B | Коэффициенты k для определения Tm, Tz, Te | |||||||||||
| k 1 при z/B | k 2 при z/B | k 3 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 | 0,410,21 | 0,670,38 | 0,870,57 | 0,960,75 | 0,170,09 | 0,280,16 | 0,390,25 | 0,470,34 | 0,060,03 | 0,100,05 | 0,170,09 | 0,220,14 |
| 2 | 0,330,17 | 0,560,31 | 0,800,50 | 0,930,68 | 0,150,08 | 0,260,14 | 0,370,23 | 0,450,32 | 0,040,02 | 0,080,04 | 0,140,08 | 0,200,12 | |
| 3 | 0,320,16 | 0,530,30 | 0,760,47 | 0,910,65 | 0,150,08 | 0,250,14 | 0,360,22 | 0,440,31 | 0,040,02 | 0,080,04 | 0,130,07 | 0,190,12 | |
| ³ 5 | 0,290,14 | 0,500,27 | 0,710,44 | 0,840,62 | 0,150,07 | 0,250,14 | 0,350,22 | 0,420,30 | 0,030,02 | 0,070,04 | 0,120,07 | 0,180,11 | |
| Круглая | — | 0,450,23 | 0,710,41 | 0,890,62 | 0,970,78 | 0,220,13 | 0,320,20 | 0,400,28 | 0,450,36 | — | — | — | — |
| Примечания 1. В числителе указаны значения коэффициентов k для температур Tm и Tz, в знаменателе — для температуры Te. 2. При z / B = 0 коэффициенты k 1, k 2 и k 3 следует принимать равными 0. |
Таблица 5
| Виды фундаментов | Коэффициент kts при z, м | ||
| до 2 | от 2 до 6 | св. 6 | |
| Массивные и свайные с ростверком, заглубленным в грунт | 0,7 | 0,9 | 1,0 |
| Свайные с высоким ростверком и сборные под опоры рамно-стоечного типа | 0,9 | 1,0 | 1,0 |
Расчетные температуры многолетнемерзлых грунтов основания без учета теплового влияния сооружения определяются по формуле
Tm,z,e = (T 0 — Tbf) am,z,e + Tbf, (8),
где обозначения те же, что в формуле (4).
Расчетные температуры грунтов оснований фундаментов, охлаждаемых системой вентилируемых труб, каналов или полостей в фундаментах, следует определять из совместного теплотехнического расчета основания и системы охлаждения, исходя из условия:
, (9)
где Т 0 — расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности многолетнемерзлого грунта в основании сооружения, отвечающая проектному положению границы сезонного оттаивания грунтов, включая грунты подсыпки.
При равномерном расположении охлаждающих труб или каналов под всей площадью сооружения расчетные температуры грунтов в его основании Тm, Tz и Те допускается определять как для сооружений с холодным подпольем при среднем по площади сооружения значении температуры Т о.
Расчетные температуры грунтов оснований фундаментов, при использовании термостабилизации грунтов допускается рассчитывать численными методами с учетом изменения температур при эксплуатации сооружения.
Несущая способность основания одиночной сваи Fu по результатам полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой определяется по формуле
, (10)
где k — коэффициент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемых свай и определяемый по формуле
k = Fu,p / Fu,t, (11)
здесь Fu,p и Fu,t — значение несущей способности соответственно проектируемой и опытной свай, рассчитанные по формуле (2) по значениям R и Raf, принимаемым для проектируемой сваи — при расчетных температурах грунта, а для опытной сваи — при температурах, измеренных при испытании;
Fu,n — нормативное значение предельно длительного сопротивления основания опытной сваи статической нагрузке, определяемое по данным испытания сваи в соответствии с ГОСТ 5686 с учетом требований ГОСТ 20522;
g g — коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,1.
Количественную оценку характеристик механических свойств и несущей способности оснований свай в многолетнемерзлых
грунтах по данным статического зондирования проводят на основе эмпирических или полуэмпирических зависимостей (таблиц), устанавливаемых в результате корреляционно-регрессионного анализа данных параллельных испытаний грунтов прямыми методами, согласно ГОСТ 12248 и ГОСТ 5686, и методом статического зондирования. Допускается использовать зависимости, приведенные в данном приложении или включенные в ведомственные или территориальные строительные нормы, а также стандарты предприятий.
Несущую способность основания столбчатого фундамента, нагруженного внецентренно сжимающей нагрузкой, допускается определять в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. При этом эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок на уровне подошвы фундамента следует определять с учетом смерзания грунта с боковой поверхностью нижней ступени фундамента по формулам:
eа = (Ma — Maf)/ F; (12)
eb = (Mb — Maf)/ F, (13)
где eа и eb — соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок относительно осей прямоугольной подошвы фундамента со сторонами a и b, м;
Ma и Mb — моменты внешних сил от расчетных нагрузок относительно тех же осей, кН×м;
F — расчетная вертикальная нагрузка, кН, от сооружения на основание, включая вес фундамента и грунта, лежащего на его уступах;
Maf — часть момента внешних сил, кН×м, воспринимаемая касательными силами смерзания многолетнемерзлого грунта с боковыми поверхностями нижней ступени фундамента высотой hp и вычисляемая по формуле
Maf = g t g cRafhpab, (14)
здесь g t и g c — обозначения те же, что в формуле (2);
Raf — расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу, кПа.
При эксцентриситете нагрузки относительно одной оси фундамента (eb = 0) допускается Maf, кН×м, определять по формуле
Maf = g t g cRafhpa (b + 0,5 a), (15)
где a — сторона подошвы фундамента, параллельная плоскости действия момента, м.
Разрушение жилого дома в результате таяния многолетней мерзлоты
Расчет свайных фундаментов на действие горизонтальных нагрузок (сил и/или моментов) и воздействий (температурного расширения ростверка и пр.), следует производить с учетом инженерно-геокриологических условий из условия совместной работы свай и грунтового основания с использованием апробированных геотехнических программ. Расчетная схема должна отвечать требованиям п. 7.1.2 СП 24.13330.2011. Методика расчета должна учитывать влияние продольной силы на изгиб, а также поперечных сил и деформаций на продольное сжатие ствола сваи.
Взаимодействие сваи с грунтом (по боковой поверхности и нижнему торцу) допускается учитывать с помощью нелинейных контактных элементов (контактной модели). При малых (упругих, линейных) деформациях жесткость контактного элемента должна соответствовать стандартным деформационным характеристикам грунта (модуль деформаций, коэффициент Пуассона). Прочность и пластические деформации грунта (контактных элементов у боковой поверхности сваи и под ее нижним торцом) следует
рассчитывать с применением условия предельного равновесия Кулона-Мора. При расчете свайных групп характеристики контактных элементов следует определять с учетом взаимовлияния между сваями через грунт.
Для расчетов свайных фундаментов сооружений II уровня ответственности допускается применение линейных контактных элементов при условии проведения расчета по приложению Г СП 24.13330.2011 с учетом инженерно-геокриологических условий согласно рекомендуемому приложению Ж.
Расчет фундаментов, воспринимающих значительные горизонтальные усилия, следует производить на плоский сдвиг в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов с сохранением мерзлого состояния (принцип I) пластично-мерзлых, сильнольдистых и подземных льдов производится по деформациям.
Осадка фундаментов, обусловленная уплотнением пластично-мерзлых грунтов, рассчитывается по тем же методикам, что и для немерзлых грунтов, т. е. используются расчетные схемы основания в виде линейно деформируемого полупространства или линейно деформируемого слоя конечной толщины.
Осадки оснований из сильнольдистых грунтов и подземных льдов, а также в случаях загружения фундаментов при температуре грунтов выше расчетных значений определяются с учетом изменения деформационных характеристик в зависимости от температуры и времени. При этом определяют составляющую часть полной осадки, обусловленную пластично-вязким течением грунта, за срок эксплуатации сооружения.
Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) производится исходя из условия
sf < su, (16)
где sf — деформация пластичномерзлого основания под нагрузкой от сооружения; su — предельно допустимая деформация основания сооружения за расчетный срок его эксплуатации, определяется согласно СП 22.13330.2011.
Осадки оснований фундаментов, возводимых на пластичномерзлых грунтах, следует определять:
а) для столбчатых фундаментов — в соответствии с указаниями СП 22.13330.2011, применяя расчетную схему в виде линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя конечной толщины;
б) для одиночных свайных фундаментов — по данным полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, а для кустов или групп свай — согласно указаниям СП 24.13330.2011 с использованием расчетных схем, основанных на модели грунта как линейно-деформируемой среды.
Расчетные деформационные характеристики пластичномерзлых грунтов (коэффициент сжимаемости d f или модуль деформации Ef) следует принимать по данным компрессионных испытаний в соответствии с ГОСТ 24586 при расчетной температуре грунта, устанавливаемой по формуле (8).
Осадки оснований, сложенных сильнольдистыми грунтами и подземными льдами, а также в случаях загружения фундаментов при температуре грунтов основания выше расчетных значений, принятых для установившегося эксплуатационного режима, следует определять с учетом изменения деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры и времени, а также развития пластических деформаций льда.