Устойчивость фундамента от действия морозного пучения

SGround.ru

Сайт о фундаментах, их основаниях и морозном пучении грунтов

Сравнение методик расчета фундаментов на морозное пучение

Сравнение различных методик расчетов на пучение

Оглавление

1. Два типа воздействия – касательные и лобовые силы морозного пучения

Не смотря на кажущуюся простоту расчета на воздействие морозного пучения есть много нюансов и спорных моментов при его выполнении. В данной статье я попытался упорядочить все имеющиеся знания на эту тему.

В зависимости от положения подошвы фундамента относительно максимальной расчетной глубины промерзания грунта на фундамент воздействуют следующие силы пучения:

1. Касательные силы морозного пучения — воздействуют на боковые поверхности фундамента если его подошва заложена ниже глубины промерзания.

2. Лобовые и касательные силы морозного пучения — воздействуют на фундамент если его подошва заложена выше глубины промерзания.

Согласно примечанию к п. 6.8.10 СП 22.13330.2016 Малозаглубленные фундаменты допускается применять для сооружения пониженного уровня ответственности и малоэтажных зданий при нормативной глубине промерзания не более 1,7 м. А, например, в Руководстве п. 4.22 говорится что глубина промерзания под подошвой малозаглубленного фундамента должна быть не более 1,0 метра, а под подошвой заглубленного на 0,5 и более — не более 0,5 м.

Если же фундамент не заглублен в грунт вообще (поверхностный фундамент) или заглублен на небольшую глубину и выполнена замена грунта обратной засыпки на непучинистый, то на него будут действовать только лобовые силы пучения:

2. Основные методики расчетов на морозное пучение

Формулы и указания для расчетов на морозное приводятся во многих источниках – нормативных документах, СНиП, СП, пособиях и руководствах. В данной статье приводятся ссылки на некоторые из них:

Расчеты на воздействие лобовых сил морозного пучения выполняются в большинстве источников по формуле (формула из п. 6.2 [4]):

• n₁ – коэффициент перегрузки, равный 0,9;
• n – коэффициент перегрузки, равный 1,1;
• N н – нормативная нагрузка на основание в уровне подошвы фундамента;
• F_ф – площадь подошвы фундамента, см2;
• h₁ – глубина промерзания грунта, считая от подошвы фундамента, см.;
• σ н – нормативное значение нормального давления морозного пучения, создаваемое одним сантиметром промороженного слоя грунта кгс/см3 (по таблице 2 [4]).

Таблица 1. Значение нормального давления морозного пучения

Наименование грунта по степени морозной пучинистости	σ н в кгс/см 3 , при площади подошвы фундамента, см 2
50х50	70х70	100х100	>100х100
Сильнопучинистые	0.06	0.04	0.03	0.02
Среднепучинистые	0.05	0.03	0.02	0.01
Слабопучинистые	0.04	0.02	0.01	—

Как видно из формулы и таблицы, для уравновешивания лобовых сил пучения необходимо на каждый 1 кв. метр площади подошвы фундамента приложить вдавливающую нагрузку от 1 до 6 Тонн при 10 см толщины промерзающего слоя под подошвой. Так же очевидно, что лобовое пучение резко возрастает с увеличением толщины слоя промерзающего грунта под подошвой фундамента и уменьшением габаритов подошвы фундамента. Например если толща промерзающего грунта под подошвой фундамента будет иметь мощность 1,5 м то усилие лобового пучения по расчету составит от 15 до 90 Тонн на каждый кв. метр подошвы фундамента.

Например, при глубине промерзания 1,0 м под подошвой фундамента, и размерах подошвы 1,0х1,0 метра в среднепучинистых грунтах для уравновешивания лобовых сил морозного пучения на фундамент должна приходиться сжимающая нагрузка 22 Тонны (включая массу фундамента), а в сильнопучинистых грунтах – 33 Тонны.

Как правило в частном строительстве, если фундаменты не закладывались ниже глубины промерзания, то это малозаглубленные фундаменты с малыми нагрузками, и они будут испытывать деформации пучения (подъем, перекос). В этом случае необходимо выполнить расчеты на подъем и относительную деформацию пучения (перекос) основания под фундаментом по методике [5]. Расчеты деформаций пучения по [5] достаточно сложны, т.к. они учитывают скорость промерзания грунта, его расчетную темпертатуру и др. Максимальные расчетные значения деформаций не должны превышать предельных допустимых значений, приведенных в Табл. 3.1 [5], а так же в соответствии с указаниями п. 6.8.11 СП 22.13330.2016 [8] по таблице Приложения Г (и прим. 6 к таблице) по аналогии с набухающими грунтами (средний допустимый подъем в размере 25% и относительную разность осадок в размере 50% соответствующих предельных деформаций).

Для расчетов на морозное пучение в первую очередь необходимо определить расчетную глубину промерзания грунта.

Глубина промерзания грунта определяется в соответствии с требованиями действующих на сегодняшний день в РФ нормативных документов на основании климатических данных холодного периода года (информацию следует брать из инженерных изысканий, запрашивать на ближайших метеостанциях или принимать по таблицам СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»). Формулы и указания для определения нормативной и расчетной глубины промерзания грунта рассмотрены в этой статье.

Расчеты на морозное пучение встречаются в большом количестве нормативных документов, учебниках, пособиях и др. литературе. В данной статье будет рассмотрено 4 основных расчета из разных источников:

• по методике СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»;
• по методике СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» — применительно к талым грнутам;
• по методике «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» (аналогичны, за исключением нескольких отличий, расчету из «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ»);
• По методике «Пособия по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»;

Первые 2 документа – действующие нормативы, включенные в перечень обязательных нормативных документов в области строительства.

Так же существуют и другие источники которые здесь не рассмотрены, например: «Рекомендации по совершенствованию конструкций и норм проектирования искусственных сооружений, возводимых на пучинистых грунтах с учетом природных условий БАМа», Москва 1981 г.

В заключении будет приведена сравнительная таблица расчетов на пучение, выполненных для одних и тех же фундаментов, но по разным методикам. Фундаменты рассмотрены 2х типов – столбы с прямыми боковыми гранями, и столбчатые фундаменты с уширением в нижней части – с развитой подошвой (анкерные фундаменты), всего 4 типоразмера фундаментов.

3. Расчет на пучение по методике СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»

Данный нормативный документ можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке. Это основной норматив в области проектирования фундаментов (кроме районов распространения многолетней мерзлоты), действующий в данный момент (март 2019 г.).

Расчеты на пучение приведены в разделе 6.8 СП 22.13330.2016, основная формула расчета на касательные силы пучения (ф. 6.35):

• — коэффициент условия работы, принимаемый равным 1,0;
• — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1;
• τ_fh — удельная касательная сила пучения («сила смерзания» грунта на поверхности контакта грунт-фундамент). Принимаемая по опытным данным или по таблице 6.12;
• A_fh — площадь сдвига по мерзлым грунтам (площадь поверхности смерзания грунт-фундамент);
• F — расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент;
• F_rf – расчетное значение силы, удерживающей фундамент от выпучивания в следстиве трения его боковой поверхностью о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания.

Для фундаментов, имеющих вертикальные грани:

• A_f — площадь сдвига талых грунтов (площадь поверхности контакта талый грунт-фундамент ниже расчетной глубины промерзания);
• R_f – расчетное сопротивление талых грунтов сдвигу по боковой поверхности фундамента.

К сожалению, в данном СП умолчали как вычисляется удерживающая сила для фундаментов, имеющих не вертикальные грани, или имеющих развитую подошву. Эти сведения приходится черпать из других источников.

4. Расчет на пучение по методике СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»

Данный документ можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке.

Расчеты на пучение приведены в разделе 7.4 СП 25.13330.2012. Основная расчетная формула точно такая же как и в СП 22. Однако в определении составляющих этой формулы есть существенные отличия:

• F_rf — для фундаментов с анкерной плитой вычисляется не по фактической поверхности контакта грунт-фундамент, а по условной поверхности по периметру анкерной плиты (площадь сдвига равна периметру анкерной плиты, умноженному на толщину слоя талого грунта в пределах фундамента);
• τ_fh — удельная касательная сила пучения, принимаемая по таблице 7.8 и существенно больше чем аналогичный показатель в СП 22.13330.

Расчет по «Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей» [1] полностью аналогичен расчетам по методике СП 25.13330.2012, включая значения касательных сил пучения.

5. Расчет на пучение по «Пособию по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»

Данное пособие можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке. Расчеты выполняются по п. 2.148…2.154 Пособия.

Расчет по «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83» [7] в части фундаментов без анкерной плиты полностью аналогичен расчету по СП 22.13330.2016 (включая коэффициенты по шероховатости поверхности). А вот для фундаментов с анкерной плитой принципиально отличается от всех других методик расчетов:

— вводится сложный понижающий коэффициент к удельной касательной силе пучения (п. 2.154 Пособия к СНиП 2.02.01-83), в зависимости от параметров анкерной плиты. Коэффициент принимается по таблицам и явно имеет какое-то эмпирическое происхождение;

— трение по боковой поверхности для анкерных фундаментов принимается на площадь по периметру анкерной плиты, а не на фактическую площадь боковой поверхности (по аналогии с СП 25.13330.2012).

6. Расчет на пучение по методике «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г»

Данное руководство можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую по этой ссылке.

Расчеты на воздействие касательных сил морозного пучения выполняются по пунктам 4.18-4.21 данного Руководства.

Расчет по методике «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» [4] очень похож на расчет по «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ» [6], однако в [6] τ_fh — удельная касательная сила пучения умножается на коэффициенты, в зависимости от глубины промерзания, а в [4] в расчет принимается фиксированное значение этого параметра. Этот расчет принципиально отличается других тем что:

— нагрузка, вдавливающая фундамент так же уменьшается на 0,9 как и удерживающее усилие, а выпучивающая сила увеличена на коэффициент перегрузки 1,1;

— удельные касательные силы пучения принимаются 100, 80 и 60 Тс/м2 для сильно-, средне-, и слабопучинистых грунтов соответственно;

— глубина, в пределах которой учитывается смерзание фундамента с грунтом ограничена 2,0 м;

— для анкерных фундаментов (с уширением в нижней части) вместо трения по боковой поверхности, удерживающая сила вычисляется как удвоенная масса грунта над свесами подошвы.

7. Сравнение результатов расчета на пучение по рассмотренным методикам

Для сравнения расчетных методик были выполнены расчеты четырех разных фундаментов двух типов в разных грунтовых условиях. Типы фундаментов:

Таблица 2. Принятые для расчетов типы фундаменов

Номер типа фундамента	I	II	III	IV
Тип фундамента	Анкерный	Анкерный	Прямой столб	Прямой столб
Размер сечения колонной части, м	0,8х0,8	0,8х0,8	0,8х0,8	0,8х0,8
Размер подошвы (плитной части) в плане, м	2,4х2,4	2,4х2,4	—	—
Толщина подошвы (плитной части), м	0.5	0.5	—	—
Глубина заложения фундамента, м	3	3.3	4	5
Глубина промерзания нормативная	2	2.2	1.5	1.5

Во всех расчетах приняты неотапливаемые здания (сооружения), противопучинное покрытие и уклон боковых граней фундамента отсутствует, поверхность бетона гладкая, грунты основания – глинистые с показателем текучести 0,3 (или пески мелкие). Расчетная постоянная нагрузка на фундамент принята 8 Тонн-сил во всех расчетах одинаковой.

Результаты расчетов сведены в таблицу:

Таблица 3. Результаты сравнения методик расчета

Номер типа фундамента	I	II	III	IV
Удерживающая сила по методике [8] , Тс	51.42	54.76	33.47	48.51
Выпучивающая сила по методике [8] , Тс	53.5	55.45	45.94	45.94
Удерживающая сила по методике [9] , Тс	56.66	61.4	33.47	48.51
Выпучивающая сила по методике [9] , Тс	60.54	63.19	49.37	49.37
Удерживающая сила по методике [4] , Тс	54.14	59	33.26	48.17
Выпучивающая сила по методике [4] , Тс	56.32	56.32	46.46	46.46
Удерживающая сила по методике [7] , Тс	58.75	63.7	35.52	45.94
Выпучивающая сила по методике [7] , Тс	39.36	48.35	45.94	51.92

(Если удерживающая сила больше выпучивающей то устойчивость фундамента на воздействие морозного пучения обеспечена, и наоборот)

Из таблицы видно, что наиболее жесткие расчетные требования к фундаментам предъявляет расчет по методике СП 25.13330.2016 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [9].

При этом расчеты для прямых столбов без анкерной плиты дают очень похожие результаты, а для фундаментов с анкерной плитой (подошвой) – результаты расчета существенно отличаются. Особенно выделяется расчет по «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83» [7] – он показывает для анкерных фундаментов наименьшую силу выпучивания и наибольшую удерживающую силу.

Так же очевидно что для столба без анкерной плиты даже большая глубина погружения с трудом обеспечивает устойчивость на действие касательных сил пучения.

8. Заключение

Методика расчета по «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» дает вполне адекватные результаты, несмотря на странное ограничение глубины смерзания 2,0 метра.

А вот методика «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83», как и многие расчеты из этого источника вызывают сомнения, т.к. при некоторых соотношениях расчетных параметров она выдает отрицательные силы морозного пучения для анкерных фундаментов (пучение вдавливает его), что теоретически возможно, но выглядит очень странно и не логично.

При ответственных расчетах на морозное пучение рекомендую придерживаться методики СП 22.13330.2016, или СП 25.13330.2012 если необходимо получить наиболее надежный результат. Данные документы – действующие нормативы и результаты расчетов по ним признают все проверяющие органы, в том числе Гос. Экспертизы РФ.

Самостоятельно выполнить расчеты Вы можете воспользовавшись расчетным файлом по ссылке.

Источник