СНиП 2.02.04-88 ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ - Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу i

Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I

4.6. Расчет оснований фундаментов по первой группе предельных состояний (по несущей способности) производится исходя из условия

                                               F £ F_u /g_n                                                              (2)

где F - расчетная нагрузка на основание;

   F_u - несущая способность (сила предельного сопротивления) основания, определяемая расчетом (п. 4.7), а для оснований свайных фундаментов - расчетом или по данным полевых испытаний свай (п. 4.16);

   g_n - коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемые в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 в зависимости от вида и класса ответственности сооружения, а для оснований опор мостов - согласно СНиП 2.05.03-84 и указаниям п. 9.13 настоящих норм.

4.7. Несущая способность основания F_u, кН (кгс), вертикально нагруженной висячей сваи или столбчатого фундамента определяется по формуле

,                                                            (3)

где g_t - температурный коэффициент, учитывающий изменение температуры грунтов основания в период строительства и эксплуатации сооружения, определяемый по указаниям п. 4.10;

 g_с - коэффициент условий работы основания, принимаемый по указаниям п. 4.9;

 R - расчетное давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи или под подошвой столбчатого фундамента, кПа (кгс/см²), определяется согласно указаниям п. 4.8;

 А - площадь подошвы столбчатого фундамента или площадь опирания сваи на грунт, м² (см²), 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;

R_af,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания фундамента в пределах (i-го слоя грунта, кПа (кгс/см²), определяемое согласно указаниям п. 4.8;

А_af,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 (см²);

n - число выделенных при расчете слоев вечномерзлого грунта.

При однородных по составу вечномерзлых грунтах несущую способность основания висячей сваи допускается определять по формуле

F_u = g_tg_c(RA + R_af + A_af)                                                                                      (4)

где R_af - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу на поверхности смерзания, кПа (кгс/см²), при средней по длине сваи (эквивалентной) температуре вечномерзлого грунта Т_е (п. 4.12.);

А_af - площадь смерзания сваи с вечномерзлым грунтом, м² (см²).

Примечания: 1. При расчете несущей способности основания столбчатого фундамента силы смерзания грунта, определяемые вторым слагаемым формулы (3), учитываются только при условии выполнения обратной засыпки пазух котлована влажным грунтом, что должно быть отмечено в проекте.

2. В случаях, когда слой сезонного промерзания - оттаивания не сливается с вечномерзлым грунтом, несущую способность свай в пределах немерзлого слоя грунта допускается учитывать по СНиП 2.02.03-85. При этом должны быть предусмотрены меры по стабилизации верхней поверхности вечномерзлого грунта.

4.8. Расчетное давление на мерзлый грунт под подошвой фундамента R и расчетные сопротивления мерзлого грунта или грунтового раствора сдвигу по поверхности смерзания фундамента R_af устанавливаются по данным испытаний грунтов, проводимых в соответствии с ГОСТ 24586-81, с учетом коэффициента надежности по грунту g_g, принимаемому согласно указаниям п. 2.8, и расчетных температур грунта основания Т_m, T_z и Т_е, определяемых теплотехническим расчетом по указаниям п. 4.12.

По результатам испытаний грунтов шариковым штампом или на одноосное сжатие расчетные значения R, кПа (кгс/см²), вычисляются по формуле

R = 5,7c_n/g_g + g_Id                                                                                 (5)

где c_n - нормативное значение предельно длительного сцепления, кПа (кгс/см²), принимаемое равным: c_n = c_n,eg при испытаниях грунтов шариковым штампом и c_n = 0,5s_n - при испытаниях на одноосное сжатие, где c_n,eg и s_n - соответственно предельно длительное эквивалентное сцепление и сопротивление грунта одноосному сжатию;

g_I - расчетное значение удельного веса грунта, кН/м³ (кгс/см³);

d - глубина заложения фундамента, м (см).

В случаях, предусмотренных п. 2.9, расчетные значения R и R_af допускается принимать по таблицам рекомендуемого приложения 2.

При расчетах несущей способности оснований значения R следует принимать: для свайных фундаментов - при расчетной температуре грунта T_z на глубине z, равной глубине погружения сваи; для столбчатых фундаментов - при расчетной температуре грунта T_m на глубине заложения подошвы фундамента.

Расчетные сопротивления сдвигу R_af,i следует принимать: для свайных фундаментов - при температуре грунта T_z на глубине середины i-го слоя грунта; для столбчатых фундаментов - при температуре грунта T_m на глубине, соответствующей середине нижней ступени фундамента.

При расчетах по формуле (3) значения R_af принимается при средней (эквивалентной) температуре грунта Т_е (п. 4.12).

Для буроопускных свай расчетное сопротивление сдвигу необходимо принимать наименьшим из значений сдвига по поверхности смерзания сваи R_af и сдвига по грунту или буровому раствору R_sh; для буронабивных свай - по значению R_sh. При расчете несущей способности комбинированных свай (дерево-металлических, сборно-монолитных и др.) значения R_af следует принимать с учетом неодинаковой прочности смерзания с грунтом их различных элементов в соответствии с указаниями рекомендуемого приложения 2.

Для свай, опираемых на песчано-щебеночную подушку высотой не менее трех диаметров скважины, расчетное значение R допускается принимать для грунта подушки, а значение А - равным площади забоя скважины. При опирании свай на льдистые грунты с льдистостью ii ³ 0,2 расчетные значения R следует принимать с понижающим коэффициентом n_i = 1 - i_i.

Для кратковременных нагрузок с временем действия t, равным или меньшим продолжительности перерывов между ними, расчетные значения R и R_af допускается принимать с повышающим коэффициентом n_t (кроме опор мостов) в соответствии с данными табл. 2.

Таблица 2

4.9. Коэффициент условий работы основания g_c принимается по табл. 3 в зависимости от вида и способов устройства фундаментов (кроме опор мостов).

Таблица 3

Значения коэффициента g_с приведенные в табл. 3, 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.

4.10. Температурный коэффициент g_t, учитывающий температурные условия работы основания, устанавливается расчетом в зависимости от состояния и температуры грунтов основания до загружения фундаментов и их изменения в процессе эксплуатации сооружения. Значения g_t допускается принимать равными:

а) g_t = 1,1, если расчетная среднегодовая температура вечномерзлых грунтов Т_о (п. 8 обязательного приложения 3) соответствует твердомерзлому состоянию грунта и не выше расчетной среднегодовой температуры на верхней поверхности вечномерзлого грунта Т'_о (п. 4.13), устанавливающейся в основании сооружения в процессе его эксплуатации;

б) g_t = 1,0, если расчетная среднегодовая температура вечномерзлых грунтов Т_о соответствует пластичномерзлому состоянию грунта и выше значения температуры Т'_о, устанавливающейся в процессе эксплуатации сооружения.

При расчетах оснований трубопроводов, линий электропередач и других линейных сооружений коэффициент g_t следует принимать равным 0,8.

4.11. 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 предусматривать мероприятия по предварительному (до загружения фундаментов) охлаждению пластичномерзлых грунтов (п. 3.14) 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 = Т_bf - 0,5° С - для песчаных и крупнообломочных грунтов и Т = Т_bf - 1° С - для пылевато-глинистых, где T_bf - температура начала замерзания грунта (п. 5 обязательного приложения 1). Несущая способность основания F_u в этом случае должна определяться при расчетных температурах грунта, устанавливаемых без учета теплового влияния сооружения по формуле (10), принимая коэффициент g_t по расчету, но не более 1,2.

4.12. Расчетные температуры грунтов T_m, T_z и Т_е определяются расчетом теплового взаимодействия сооружения с вечномерзлыми 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 вечномерзлых оснований по несущей способности деформациям расчетные температуры грунтов T_m, T_z и Т_е следует принимать равными:

Т_m - максимальной в годовом периоде температуре грунта в установившемся эксплуатационном режиме на глубине заложения фундамента z_d, отсчитываемой от верхней поверхности вечномерзлого грунта;

Т_е - максимальной в годовом периоде средней по глубине заложения фундамента z_d  температуре вечномерзлого грунта в установившемся эксплуатационном режиме (эквивалентная температура грунта);

T_z - температура вечномерзлого грунта на данной глубине z от его верхней поверхности, принимаемой на момент установления температуры Т_е.

4.13. 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 T_m, T_z и Т_е допускается определять по формулам:

для оснований сооружений с холодным подпольем под серединой сооружения

;                                   (6)

под краем сооружения

;        (7)

под углами сооружения

,      (8)

для оснований опор линий электропередач, антенно-мачтовых сооружений и трубопроводов

T_m,z,e = (T₀ - T_bf)a_m,z,ek_ts + T_bf                                                                             (9)

где    Т'_о - расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности вечномерзлого грунта в основании сооружения, ° С, определяемая согласно обязательному приложению 4;

T_bf  - температура начала замерзания грунта, ° С, определяемая согласно обязательному приложению 1;

Т_о - расчетная среднегодовая температура грунта, ° С, определяемая согласно обязательному приложению 3;

a_m, a_z, a_e - коэффициенты сезонного изменения температуры грунтов основания, принимаемых по табл. 4 в зависимости от значения параметра , с^0,5 (ч^0,5), где z - глубина от поверхности вечномерзлого грунта, м;

c_f - объемная теплоемкость, Дж/ (м³×° С) [ккал/(м³×° С), и l_f - теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м³×° С) определяемые согласно обязательному приложению 1;

k₁, k₂ и k₃ - коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 5 в зависимости от отношений z/В и L/В, L и В - соответственно длина и ширина сооружения, м;

k_ts - коэффициент теплового влияния изменения поверхностных условий при возведении фундаментов линейных сооружений, принимаемый по табл. 6 в зависимости от вида и глубины заложения фундаментов z, м.

Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

4.14. Расчетные температуры вечномерзлых грунтов основания без учета теплового влияния сооружения определяются по формуле

T_m,z,e = (T₀ - T_bf) a_m,z,e + T_bf                                                                (10)

где обозначения те же, что в формуле (6).

4.15. Расчетные температуры грунтов оснований фундаментов, охлаждаемых системой вентилируемых труб, каналов или полостей в фундаментах (п. 3.12), следует определять из совместного теплотехнического расчета основания и параметров системы охлаждения исходя из условия:

,                                                                                                            (11)

где Т'_о - расчетная среднегодовая температура на верхней поверхности вечномерзлого 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 Т_m, T_z и Т_е допускается определять как для сооружений с холодным подпольем (п. 4.13) при среднем по площади сооружения значении температуры Т'_о.

4.16. Несущая способность основания одиночной сваи F_u по результатам полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой определятся по формуле

,                                                                                               (12)

где k - коэффициент, учитывающий различие в условиях работы опытной и проектируемых свай и определяемый по формуле

k = F_u,p/F_u,t,                                                                                                         (13)

здесь F_u,p и F_u,t - значение несущей способности соответственно проектируемой и опытной свай, рассчитанные по формулам (3) или (4) по значениям R и R_af, принимаемым по таблицам рекомендуемого приложения 2: для проектируемой сваи - при расчетных температурах грунта, устанавливаемых согласно указаниям пп. 4.8 и 4.12, а для опытной сваи - при температурах, измеренных при испытании;

               F_u,n - нормативное значение предельно длительного сопротивления основания опытной сваи статической нагрузке, определяемое по данным испытания сваи в соответствии с ГОСТ 24546-81 с учетом требований ГОСТ 20522-75;

                    g_g - коэффициент надежности по грунту, принимаемый равным 1,1.

4.17. Несущую способность основания столбчатого фундамента, нагруженного внецентренно сжимающей нагрузкой, допускается определять в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83. 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:

e_l = (M_e - M_af)/F,                                                                                (14)

e_b = (M_b - M_af)/F,                                                                               (15)

где e_l и e_b - соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей всех нагрузок относительно осей прямоугольной подошвы фундамента со сторонами l и b, м (см);

M_e и M_b - соответственно моменты внешних сил от расчетных нагрузок относительно тех же осей, кН×м (кгс×см);

F - расчетная вертикальная нагрузка, кН (кгс), от сооружения на основание, включая вес фундамента и грунта, лежащего на его уступах;

M_af - часть момента внешних сил, кН×м (кгс×см), воспринимаемая касательными силами смерзания вечномерзлого грунта с боковыми поверхностями нижней ступени фундамента высотой h_p и вычисляемая по формуле

M_af = g_tg_cR_af h_plb,                                        (16)

здесь g_t и g_c - обозначения те же, что в формуле (3);

R_af - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу, кПа (кгс/см²), принимаемое по п. 4.8.

При эксцентриситете нагрузки относительно одной оси фундамента (e_b = 0) допускается M_af, кН×м (кгс×см), определять по формуле

M_af = g_tg_cR_afh_pl(b + 0,5l),                                                                                    (17)

где l - сторона подошвы фундамента, параллельная плоскости действия момента, м(см).

Для мерзлых пылевато-глинистых грунтов, а также для мелких и пылеватых песков допускается принимать угол внутреннего трения j = 0 и определять несущую способность основания F_u, кН (кгс), при внецентренной вертикальной нагрузке по формуле

Fu = g_tg_c(R + q)l'b',                                                                                           (18)

где R - расчетное давление на мерзлый грунт, кПа (кгс/см²), принимаемое по указаниям п. 4.8;

q - пригрузка со стороны возможного выпора грунта, кПа (кгс/см²) за вычетом давления от веса грунта на глубине 2,5 м, принимаемого равным 50 кПа (0,5 кгс/см²);

l' и b' - приведенные размеры сторон прямоугольного фундамента, м (см), определяемые по формулам:

l' = l - 2e_l;                                                                                                           (19)

b' = b - 2e_b.                                                                                                        (20)

Значения e_l и e_b определяются соответственно по формулам (9) и (10).

4.18. Расчет свайных фундаментов на действие горизонтальных нагрузок и изгибающих моментов следует производить из условия совместной работы сваи и основания с учетом мерзлотно-грунтовых условий в соответствии с рекомендуемым приложением 6.

4.19. Расчет фундаментов, воспринимающих значительные горизонтальные усилия, следует производить на плоский сдвиг в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83.

4.20. Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) производится исходя из условия

s_f £ s_u,                                                                                                                   (21)

где s_f - деформация пластичномерзлого основания под нагрузкой от сооружения, определяемая согласно указаниям пп. 4.21 и 4.22;

s_u - предельно допустимая деформация основания сооружения за расчетный срок его эксплуатации.

4.21. Осадки оснований фундаментов, возводимых на пластичномерзлых грунтах, следует определять:

а) для столбчатых фундаментов - в соответствии с указаниями СНиП 2.02.01-83, применяя расчетную схему в виде линейно-де­фор­мируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя конечной толщины с учетом указаний п. 4.22;

б) для свайных фундаментов - по данным полевых испытаний свай статической вдавливающей нагрузкой, а для кустов свай - согласно указаниям СНиП 2.02.03-85 с определением осадок условного фундамента по схеме линейно-деформируемого полупространства или линейно-деформируемого слоя конечной толщины.

Расчетные деформационные характеристики пластичномерзлых грунтов (коэффициент сжимаемости d_f или модуль деформации E_f) следует принимать по данным компрессионных испытаний  соответствии с ГОСТ 24586-81 при расчетной температуре грунта, устанавливаемой по формуле (10).

4.22. 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 (п. 4.11), следует определять с учетом изменения деформационных характеристик грунтов в зависимости от температуры и времени, а также развития пластических деформаций льда, согласно указаниям п. 5.8 и рекомендуемого приложения 7.