Расчет по несущей способности (первая группа предельных состояний) оснований и фундаментов с использованием вечномерзлых грунтов по принципу II производят в соответствии с требованиями расчета устойчивости оснований из немерзлых грунтов. Расчет усилий в элементах фундаментных конструкций и реактивных давлений грунтов следует выполнять, как правило, численными методами на основании уравнений строительной механики с учетом зависимостей реактивных давлений от неравномерных осадок основания.
При этом оттаивающее основание допускается рассматривать как линейно-деформируемый слой конечной толщины. Допускается применять другие расчетные схемы, в том числе с использованием вероятностных методов расчета, учитывающих статистическую неоднородность основания. При расчете оснований и фундаментов по деформациям среднее давление на основание под подошвой фундамента от основного сочетания нагрузок не должно превышать расчетного давления на основание R, определяемого в соответствии со СП 22.13330.2011 по расчетным характеристикам оттаивающих грунтов.
При проектировании оснований и фундаментов по принципу II предусматриваются мероприятия по уменьшению деформаций оснований или меры по приспособлению конструкций сооружения к восприятию неравномерных деформаций основания. При расчете осадок основания с допущением оттаивания грунтов в процессе эксплуатации сооружения предварительно рассчитывают глубину оттаивания основания под различными частями проектируемого сооружения. Расчетную глубину оттаивания грунтов в основании устанавливают исходя из расчета теплового взаимодействия сооружения с вечномерзлыми грунтами с учетом формы, размеров и теплового режима сооружения, температуры и теплофизических свойств грунтов основания.
Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) при строительстве по принципу II является основным и выполняется по правилам и методикам, применяемым для оснований из талых грунтов.
Расчет оснований и фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) надлежит производить в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011. Расчетные сопротивления оттаявших или оттаивающих грунтов вдоль боковой поверхности свай, принимаемые по таблицам СП 24.13330.2011, следует брать с понижающими коэффициентами.
Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) следует производить, как правило, с учетом совместной работы основания и сооружения. Расчет оснований по деформациям без учета совместной работы основания и сооружения допускается выполнять в случаях, предусмотренных СП 22.13330.2011, а также для выбора принципа использования многолетнемерзлых грунтов в качестве оснований и необходимых мероприятий для уменьшения деформаций основания.
Расчеты оттаивающих оснований по деформациям необходимо производить в пределах расчетной глубины оттаивания грунтов в основании сооружения за заданный срок его эксплуатации tu с учетом развития зоны оттаивания во времени.
Расчетную глубину оттаивания грунтов в основании сооружения следует определять на основании расчета теплового взаимодействия сооружения с многолетнемерзлым грунтом с учетом формы, размеров и теплового режима сооружения, температуры и теплофизических свойств грунтов основания.
Для простых по форме сооружений с равномерной по площади температурой, в том числе для заглубленных сооружений, расчетную глубину оттаивания грунтов в их основании Н допускается определять по рекомендуемому приложению И.
Расчет оснований по деформациям без учета совместной работы оттаивающего основания и сооружения надлежит производить исходя из условия
s < su, (17)
где s — осадка основания фундаментов (совместная деформация основания и сооружения при оттаивании грунтов в процессе эксплуатации сооружения под воздействием собственного веса грунта и дополнительной нагрузки от сооружения в пределах расчетной глубины оттаивания Н);
su — предельное значение осадки основания фундамента (совместной деформации основания и сооружения), устанавливаемое согласно СП 22.13330.2011, а для мостов — СНиП 2.05.03.
Расчет оснований и фундаментов по деформациям с учетом совместной работы основания и сооружения следует производить исходя из условия
, (18)
где Ff — расчетные усилия, возникающие в элементах конструкций сооружения при неравномерных осадках оттаивающего основания;
Ffd — предельные значения сопротивления элементов конструкции сооружения, рассчитываемые по нормам проектирования соответствующих конструкций;
g c — коэффициент условий работы системы «основание-сооружение», принимаемый равным 1,25;
g n — коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 0,95 и 0,9 соответственно для сооружений I, II и III уровней ответственности.
Следует учитывать неравномерность оттаивания грунтов основания по площади сооружения, особенно под наружными стенами. В результате этого возможен значительный крен фундаментов наружных стен. Для уменьшения неравномерности осадок проектируют обогрев грунта около здания или устройство стен на консолях.
По вычисленным осадкам основания рассчитывают различные виды деформаций конструкций без учета совместной работы основания и сооружения и проверяют условие расчета по деформациям.
Осадку оттаивающего в процессе эксплуатации сооружения основания следует определять по формуле
s = sth + sp, (19)
где sth — составляющая осадки основания, обусловленная действием собственного веса оттаивающего грунта, определяемая по указаниям п. 7.3.7;
sp — составляющая осадки основания, обусловленная дополнительным давлением на грунт от действия веса сооружения, определяемая по указаниям п. 7.3.9.
Составляющую осадки основания sth, м, надлежит определять по формуле
(20)
где n — число выделенных при расчете слоев грунта;
Ath,i и d th,i — коэффициент оттаивания, доли единицы, и коэффициент сжимаемости, кПа-1, i -го слоя оттаивающего грунта, принимаемые по экспериментальным данным;
szg,i — вертикальное напряжение от собственного веса грунта в середине i -го слоя грунта, кПа, определяемое расчетом для глубины zi от уровня планировочных отметок с учетом взвешивающего действия воды;
hi — толщина i -го слоя оттаивающего грунта, м.
Взвешивающее действие воды при определении sth следует учитывать для водопроницаемых грунтов, залегающих ниже расчетного уровня подземных вод, но выше водоупора. Коэффициенты оттаивания Ath и сжимаемости оттаивающего грунта d th надлежит устанавливать, как правило, по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов горячим штампом по методике ГОСТ 20276. Если значения Ath и d th получены по данным лабораторных испытаний грунтов, то их расчетные значения при определении осадок оттаивающего основания следует умножать на поправочный коэффициент ki = 1 + D ii, где D ii разность между суммарной льдистостью i -го слоя грунта и льдистостью испытанного образца, взятого из этого слоя. Допускается вводить поправки за неполное смыкание макропор и набухание оттаивающего грунта, если это подтверждено экспериментальными данными.
Составляющую осадки основания sp, м, при расчетной схеме в виде линейно-деформируемого слоя конечной толщины следует определять по формуле
(21)
где p o — дополнительное вертикальное давление на основание под подошвой фундамента, кПа; b — ширина подошвы фундамента, м;
kh — безразмерный коэффициент, определяемый по табл. 7.6 в зависимости от отношения z / b, где z — расстояние от подошвы фундамента до нижней границы зоны оттаивания или кровли непросадочного при оттаивании грунта, м;
d th,i — коэффициент сжимаемости i -го слоя грунта, кПа-1;
k m, i — коэффициент, определяемый по табл. 7.6 в зависимости от отношения z / b, где z — расстояние от подошвы фундамента до середины i -го слоя грунта, м;
ki и ki-1 — коэффициенты, определяемые по табл. 7 в зависимости от отношений a / b, zi / b и zi -1/ b, где zi и zi -1 — расстояние от подошвы фундамента соответственно до подошвы и кровли i -го слоя грунта, м.
Примечание. Расчет развития осадок оттаивающего основания во времени следует производить по скорости протаивания грунтов под сооружением, определяемой теплотехническим расчетом.
Таблица 6
| z / b | kh | Коэффициент km,i для грунтов | |||
| крупнообломочных | песчаных и супесей | суглинков | глин | ||
| 0 — 0,25 | 1,35 | 1,35 | 1,35 | 1,36 | 1,55 |
| <spanem/span style=»font-family: Times New Roman; font-size: 12pt;»> 0,25 — 0,5 | 1,25 | 1,33 | 1,35 | 1,42 | 1,79 |
| 0,5 — 1,5 | 1,15 | 1,31 | 1,35 | 1,45 | 1,96 |
| 1,5 — 3,5 | 1,10 | 1,29 | 1,35 | 1,52 | 2,15 |
| 3,5 — 5,0 | 1,05 | 1,29 | 1,35 | 1,53 | 2,22 |
| 5,0 | 1,00 | 1,28 | 1,35 | 1,54 | 2,28 |
Таблица 7
| z / b | Коэффициент k при a / b | ||||||
| 1 | 1,4 | 1,8 | 2,4 | 3,2 | 5 | 10 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0,2 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,100 | 0,104 |
| 0,4 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,200 | 0,208 |
| 0,6 | 0,299 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,300 | 0,311 |
| 0,8 | 0,380 | 0,394 | 0,397 | 0,397 | 0,397 | 0,397 | 0,412 |
| 1,0 | 0,446 | 0,472 | 0,482 | 0,486 | 0,486 | 0,486 | 0,511 |
| 1,2 | 0,449 | 0,538 | 0,556 | 0,565 | 0,567 | 0,567 | 0,605 |
| 1,4 | 0,542 | 0,592 | 0,618 | 0,635 | 0,640 | 0,640 | 0,687 |
| 1,6 | 0,577 | 0,637 | 0,671 | 0,696 | 0,707 | 0,709 | 0,763 |
| 1,8 | 0,606 | 0,676 | 0,717 | 0,750 | 0,768 | 0,772 | 0,831 |
| 2,0 | 0,630 | 0,708 | 0,756 | 0,796 | 0,820 | 0,830 | 0,892 |
| 2,5 | 0,676 | 0,769 | 0,832 | 0,889 | 0,928 | 0,952 | 1,020 |
| 3,0 | 0,708 | 0,814 | 0,887 | 0,958 | 1,011 | 1,056 | 1,138 |
| 3,5 | 0,732 | 0,846 | 0,927 | 1,016 | 1,123 | 1,131 | 1,230 |
| 4,0 | 0,751 | 0,872 | 0,960 | 1,051 | 1,128 | 1,205 | 1,316 |
| 6,0 | 0,794 | 0,933 | 1,037 | 1,151 | 1,257 | 1,384 | 1,550 |
| 10,0 | 0,830 | 0,983 | 1,100 | 1,236 | 1,365 | 1,547 | 1,696 |
| 16,0 | 0,850 | 1,011 | 1,137 | 1,284 | 1,430 | 1,645 | 2,095 |
| 20,0 | 0,857 | 1,021 | 1,149 | 1,300 | 1,451 | 1,679 | 2,236 |
Осадку основания s при предварительном оттаивании или замене льдистых грунтов до глубины hb,th для уменьшения деформаций основания, а также в случаях, когда слой сезонного промерзания-оттаивания не сливается с многолетнемерзлым грунтом, следует определять по формуле
s = sp,th + sad, (22)
где sp,th — осадка уплотнения предварительно оттаянного, замененного или естественного немерзлого слоя грунта толщиной hb,th под воздействием веса сооружения, определяемая в соответствии со СП 22.13330.2011;
sad — дополнительная осадка основания при оттаивании многолетнемерзлых грунтов в процессе эксплуатации сооружения, определяемая по формуле (7.20) для интервала глубин dth — hb,th, где dth — расчетная глубина оттаивания грунта, считая от уровня планировки под зданием, устанавливаемая теплотехническим расчетом.
Глубину предварительного оттаивания или замены грунтов основания hb,th следует устанавливать исходя из условия
sp,th + sad < su, (23)
где su — предельно допустимая для данного сооружения осадка основания.
Крен фундамента i на оттаивающем основании, вызванный внецентренными нагрузками, неравномерным оттаиванием и неоднородностью грунтов, а также влиянием близко расположенных фундаментов, следует определять по формуле
i = (sa — sb)/ b, (24)
где sa и sb — осадка краев фундамента; b — размер фундамента в направлении крена.
Расчет гибких ленточных фундаментов на оттаивающих в процессе эксплуатации сооружения грунтах надлежит производить с учетом переменной по длине фундамента осадки основания, обусловленной неравномерным оттаиванием грунтов под сооружением. При определении реактивных давлений оттаивающего грунта на подошву фундамента допускается рассматривать оттаивающий грунт как линейно-деформируемое основание, характеризуемое переменным по длине фундамента коэффициентом постели.
Осадку s свайных фундаментов из висячих свай, погруженных в предварительно оттаянные грунты, в том числе при их локальном оттаивании, следует определять как для условного фундамента, границы которого принимаются согласно СП 24.13330.2011. При этом следует учитывать возможность проявления отрицательных (негативных) сил трения по периметру условного фундамента или по поверхности отдельных свай, а также воздействие горизонтальных усилий на фундаменты в периферийных частях зоны оттаивания.
Расчет свай-стоек по несущей способности при опирании их на скальные или другие малосжимаемые при оттаивании грунты следует производить исходя из условия
, (25)
где F — расчетная нагрузка на сваю, кН; Fu — несущая способность основания одиночной сваи, кН;
g k — коэффициент надежности, принимаемый в соответствии с указаниями СП 24.13330.2011 в зависимости от вида сооружения, конструкции фундаментов и принятого способа определения несущей способности свай;
g p — коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности свай в пределах зоны оттаивания, определяемый по опытным данным с учетом способов погружения свай; в запас надежности допускается принимать: g р = 1,1 — для забивных и бурозабивных; g p = 1 для буронабивных и буроопускных свай с цементно-песчаным заполнителем пазух и g p
= 0,9 – для буроопускных свай с пылевато-глинистым заполнителем пазух;
Fneg — отрицательная (негативная) сила трения, кН.
Несущую способность основания сваи-стойки Fu, кН, следует определять по формулам:
для защемленных свай-стоек, заделанных в невыветрелый скальный (без слабых прослоек) грунт не менее чем на 0,5 м
Fu = (Rc,n A / γg)(1+0,4 ld / dr); (26)
для незащемленных свай-стоек
, (27)
где Rc,n — нормативное значение временного сопротивления грунта под нижним концом сваи одноосному сжатию в оттаявшем водонасыщенном состоянии, кПа;
А — площадь опирания сваи на грунт, м2, принимаемая для незащемленных свай-стоек сплошного сечения или полых, нижний конец которых заполнен в пределах высоты трех диаметров бетоном, равной площади поперечного сечения брутто; для защемленных свай-стоек — площади поперечного сечения нижней части (забоя) скважины;
g g — коэффициент надежности по грунту, принимаемый: для незащемленных свай-стоек равным 1,0, для защемленных — 1,4;
ld и dr — соответственно глубина заделки сваи в скальный грунт и наибольшее поперечное сечение заделанной части сваи, м.
Значение фактора заглубления 1+0,4 
принимается не более 3.
Для окончательных расчетов оснований сооружений, а также оснований, сложенных выветрелыми, размягчаемыми, со слабыми прослойками скальными грунтами, несущую способность сваи-стойки Fu следует принимать по результатам испытаний свай статической нагрузкой.
Отрицательную (негативную) силу трения оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи
, (28)
где up — периметр поперечного сечения сваи, м; fn,i — отрицательное трение i -го слоя оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи, кПа, определяемое по опытным данным; допускается принимать расчетные значения fn,i по СП 24.13330.2011; hi — толщина i -го слоя оттаивающего грунта.
Расчет конструкций свайных фундаментов следует выполнять в соответствии с указаниями СП 24.13330.2011 с учетом инженерно-геокриологических условий. Расчет свай по прочности и деформациям материала может выполнятся по рекомендациям приложения Ж, с учетом отрицательных (негативных) сил трения оттаивающего грунта по боковой поверхности сваи Fneg и усилий в сваях от горизонтальных нагрузок и воздействий.