Расчет оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Основания и фундаменты. Механика грунтов
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Лолаев Алан Батразович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 144
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1471-5
Артикул: 815384.01.99
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Специалитет
- 08.05.01: Строительство уникальных зданий и сооружений
- 08.05.02: Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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