Расчет оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах

 
 
 
 
 
А. Б. Лолаев 
 
 
 
 
РАСЧЕТ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ 
НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

 
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 
2 
 

®¯¤£§°ª-¡§¤
 
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 эффектив- 
ности 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 карта распространения 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 
 

- ¸§¤°¡¤£¤¬§¾-«¤±-£Ÿ´¯Ÿ°¶¤±Ÿ
-°¬-¡Ÿ¬§¨§³²¬£Ÿ«¤¬±-¡
 
 -ÐÌÍÁÌÚÄÎÍÌÞÑÇÞÇÍÎÏÄÃÄÊÄÌÇÞ
 
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 55–60ƒ) [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]. 
 
Таблица 1 
Показатели категорий мерзлых грунтов [3] 
Наименование 
видов грунтов, 
в которых, 
Категории 
Внешний 
как правило, 
грунтов 
Температура 
Физическое 
состояние 
вид 
встречается данная 
категория мерзлых 
грунтов 
Видимые 
ледяные 
Все виды 
Отрицательная, 
Твердо- 
кристаллы 
круглообломочных, 
нулевая или 
Твердосмерзшиеся, 
и прослойки; 
песчаных, 
при наличии 
мерзлые 
сцементированные 
при оттаивании 
глинистых 
ледяных 
льдом 
грунты изменяют 
и заторфованных 
включений 
цвет на более 
грунтов 
темный 
Льда в порах 
не видно; иногда 
Все виды глинистых 
(при рассмотрении 
Пластичногрунтов, 
в лупу) лед 
мерзлые 
То же 
Полусмерзшиеся, 
пластичные 
пески мелкие 
наблюдается 
и пылеватые 
в виде мелких 
кристаллов 
Несмерзшиеся 
сыпучие, 
Все виды 
Иногда видны 
не изменяются 
крупнообломочных 
редкие блестки 
при переходе 
грунтов и пески 
Сыпучемерзлые 
То же 
кристаллов 
от отрицательных 
крупные и средней 
воды 
температур 
крупности 
к положительным 
 
7 
 

По сжимаемости грунта под нагрузкой, в соответствии со 
СП 25.133330.2020 [1], к твердомерзлым грунтам следует относить прак- 
тически 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 ƒС; 
для песков крупных и средней крупности.........–0,1 ƒС; 
для песков мелких и пылеватых..........................–0,3 ƒС; 
для супесей............................................................–0,6 ƒС; 
для суглинков........................................................–1,0 ƒС; 
для глин..................................................................–1,5 ƒС. 

³ÇÆÇÉÍËÄÔ¿ÌÇÖÄÐÉÇÄÐÁÍÈÐÑÁ¿ËÄÏÆÊÚÔÂÏÒÌÑÍÁ

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. 
 
ܹ
௧௢௧= ܹ
௜+ ܹ
௜௖+ ܹ
௪= ܹ
௜+ ܹ
௠, 
    
                      (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 содер- 
жащейся 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: 
 
ܹ
௪= ݇௪ή ܹ
௣, 
 
 
                        (2) 
 
где kw – коэффициент, принимаемый по табл. 2 [1, табл. Б3, 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.
 
 
ఘ೔ή(ଵାௐ
೟೚೟) ,  
 
 
       (3) 
݅௧௢௧= ݅௜+ ݅௜௖=
ఘ೒ή(ௐ
೟೚೟ିௐ
ೢ)
 
где ii – льдистость грунта за счет ледяных включений в долях единицы, 
определяемая по формуле: 
 
ఘ೔  ା ఘೞ ή( ௐ
೟೚೟  ି଴,ଵ ήௐ
ೢ), 
 
 
 
    (4) 
݅௜=
ఘೞ ήௐ೔ 
 
где iic – льдистость грунта за счет порового льда в долях единицы; Ug – плотность мерзлого грунта, кН/м3; Us – плотность частиц грунта, кН/м3; Ui – плотность льда, равная 9 кН/м3. 
 
 
 
9 
 

Таблица 2 
Значение коэффициента kw 
Температура грунта Т, °С 
 
Грунты 
–0,3 –0,5 
–1 
–2 
–3 
–4 
–6 
–8 
–10 
–15 
Число 
пластичности 
грунтов Ip, 
доли ед. 
Пески 
(кроме 
пылеватых) 
– 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
Пески 
пылеватые 
– 
0,5 
0,35 0,30 
0,25 
0,23 
0,22 
0,21 
0,20 
0,19 
0,18 
Супеси 
Ip ” 0,02 
0,5 
0,35 0,30 
0,25 
0,23 
0,22 
0,21 
0,20 
0,19 
0,18 
0,02  Ip ” 
” 0,07 
0,6 
0,5 
0,4 
0,35 
0,33 
0,3 
0,28 
0,26 
0,25 
0,23 
0,07  Ip ” 
” 0,13 
0,7 
0,65 0,58 
0,5 
0,46 
0,44 
0,42 
0,41 
0,4 
0,38 
Суглинки 
0,13  Ip ” 
” 0,17 
0,85 0,75 0,65 
0,55 
0,53 
0,5 
0,48 
0,46 
0,45 
0,43 
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 вклю- 
чения 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 
 
௘ήఘೢ
, 
 
 
 
         (5) 
ܵ௥=
(ଵ.ଵήௐ೔೎ାௐ
ೢ)ఘ
 
где e – коэффициент пористости мерзлого грунта в естественном состоянии; Uw – плотность воды, равная 10 кН/м3. 
10