Система территориальных нормативных документов в строительстве

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК
МОРОЗООПАСНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

ТМД 50-601-2004 Санкт-Петербург

Правительство Санкт-Петербурга

Санкт-Петербург

2005

Предисловие

1 РАЗРАБОТАНЫ Санкт-Петербургским государственным архитектурно-строительным университетом (научный руководитель д.т.н., профессор Карлов В.Д.)

2 ВНЕСЕНЫ Комитетом по строительству Правительства Санкт-Петербурга

3 ОДОБРЕНЫ И РЕКОМЕНДОВАНЫ к применению в качестве нормативного документа Системы территориальных нормативных документов распоряжением Комитета по строительству Правительства Санкт-Петербурга от 12.10.2004 № 20

ВВОДЯТСЯ ВПЕРВЫЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

В настоящее время актуальной задачей в области фундаментостроения является проблема повышения надежности зданий и сооружений различного назначения, возводимых с использованием в основаниях сезоннопромерзающих грунтов. Такие основания имеют специфические особенности, обусловленные сложными процессами, происходящими в грунтах при их промерзании и оттаивании. Эти процессы (миграция влаги, морозное пучение, образование морозной текстуры, формирование посткриогенной структуры, изменение деформационных и прочностных свойств в период весеннего оттаивания) и определяют морозоопасные свойства грунтов оснований, оценка характеристик которых является сложной задачей, остающейся пока недостаточно разработанной.

Фундаменты и подземные конструкции сооружений в рассматриваемых условиях при промерзании грунтов подвергаются воздействию деформаций и сил морозного пучения, а при последующем оттаивании основания испытывают влияние деформаций обратного знака - осадок оттаивания и существенного снижения прочности оттаивающих грунтов.

Надежность оснований и фундаментов в условиях пучинистых грунтов должна быть обоснована расчетами при проектировании с использованием достоверных значений характеристик морозоопасных свойств грунтов. Определение показателей, характеризующих степень морозоопасности пучинистых грунтов с учетом возможного изменения гидрогеологических условий, по результатам испытаний, как этого требуют СНиП 2.02.01, практически невозможно вследствие малого временного периода для организации и проведения трудоемких, дорогостоящих и сложных исследований, при выполнении которых необходимы специальное оборудование и квалифицированные специалисты-мерзлотоведы. Также исследования не под силу большинству производственных изыскательских и строительных организаций. Это обстоятельство и предопределило необходимость разработки и использования для практических целей научно-обоснованного метода прогноза характеристик морозоопасности грунтов в строительстве. Во многих случаях такой подход - единственно возможный способ определения значений характеристик морозоопасных свойств грунтов. Для оценки значений этих характеристик используются данные обычных стандартных инженерно-геологических изысканий, выполняемых на строительной площадке.

В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия малозаглубленного фундаментов с сезоннопромерзающими грунтами, выполненных в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПбТАСУ) были установлены закономерности развития деформаций и сил морозного пучения грунтов при промерзании и формировании прочности и устойчивости грунтов оснований в процессе последующего оттаивания. Обоснована тесная взаимосвязь между характеристиками физико-механических свойств грунтов в талом, промерзающем и оттаивающем состояниях, обусловленная криогенными процессами (главным образом - миграцией влаги в промерзающий слой грунта). Полученные регрессивные уравнения, отображающие эту взаимосвязь, были положены в основу настоящей работы. Для практического использования Методики составлены таблицы параметров и коэффициентов с целью определения показателей морозоопасности грунтов по величине аналогичных показателей грунтов в талом состоянии с учетом условий промерзания, зимнего влагонакопления и интенсивности морозного пучения. Методика разработана на кафедре «Геотехника» СПбГАСУ доктором технических наук, профессором, Заслуженным работником высшей школы Российской Федерации В.Д. Карловым.

Документ рассмотрен и одобрен на заседании научно-технического совета СПбТАСУ (протокол от 11.12.2003 № 4) и утвержден проректором по инновационному и научно-техническому развитию СПбГАСУ 22.12.2003 г.

1 Общие положения

1.1 Настоящая Методика, составленная в развитии ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург, СНиП 2.02.01, СНиП 3.02.01, других нормативных документов, не отменяет и не входит в противоречие с действующими строительными нормами и правилами.

1.2 Целью Методики является геокриологическое обеспечение проектных, конструктивных и технологических решений по устройству оснований и фундаментов в условиях пучинистых при промерзании грунтов (морозоопасных).

1.3 Геокриологическое обеспечение включает определение расчетными методами следующих характеристик морозоопасных свойств грунтов:

- относительную (e_f) и абсолютную (f_f) величины деформаций морозного пучения грунтов и оснований;

- давление морозного пучения (р_fh), нормального к подошве фундамента или иной конструкции, взаимодействующей с промерзающим грунтом;

- удельного значения (t_fh) касательной силы морозного пучения, действующей вдоль боковой поверхности фундамента или стены, заглубленной в грунт;

- предельного сопротивления сдвигу оттаивающего грунта (t_fh.u);

- угла внутреннего трения оттаивающего грунта (j_th) сезоннопромерзающего слоя;

- удельного сцепления оттаивающего грунта (с_th) сезоннопромерзающего слоя.

1.4 Перечисленные характеристики используются при разработке проекта малозаглубленных и поверхностных фундаментов легких зданий и сооружений, а также при составлении проекта производства работ (ППР) по устройству фундаментов с целью принятия инженерных решений по:

- обеспечению устойчивости откосов котлованов или креплений их стенок в процессе промерзания и последующего оттаивания грунтов;

- установлению несущей способности и темпов нагружения оттаявшего естественным или искусственным путем грунтов основания;

- обеспечению устойчивости и надежности фундаментов и подземных конструкций при возведении их в зимних условиях;

- оценке морозоопасных свойств сезоннопромерзающих или искусственно замораживаемых грунтов при изменении гидрологических условий площадки строительства.

1.5 Инженерно-геокриологическое обоснование условий строительных площадок в связи с необходимостью учета морозоопасных свойств грунтов при проектировании и устройстве оснований и фундаментов в условиях пучинистых при промерзании грунтов отвечает требованиям 14* СНиП 2.02.01, 1.1 СНиП 3.02.01 и направлено на реализацию требований ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург по обеспечению высокого качества работ и повышения надежности строящихся и реконструируемых зданий и сооружений.

1.6 Для оценки значений характеристик морозоопасных свойств грунтов исходными данными являются:

- природная влажность w и плотность r грунта до промерзания;

- угол внутреннего трения j и удельное сцепление с грунта до промерзания;

- расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод z;

- максимальное значение этого расстояния z_max, при котором можно не учитывать влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения грунта;

- величина среднего напряжения s в слое промерзающего грунта, если поверхность слоя испытывает внешнее давление р;

- глубина сезонного промерзания грунта.

1.7 В соответствии со СНиП 2.02.01 расчетные значения характеристик морозоопасных свойств грунтов X определяются по формуле

X = X_n/g_g,                                                                 (1.1)

где Х_n - нормативное значение данной характеристики, определяемой в соответствии с настоящей Методикой;

g_g - коэффициент надежности по грунту, принимаемый со следующими значениями (СНиП 2.02.01) в расчетах оснований по деформациям g_g = 1; в расчетах оснований по несущей способности: для угла внутреннего трения g_g(c) = 1,15, для удельного сцепления g_g(c) = 1,50.

1.8 Нормативная глубина промерзания грунтов d_fh в Санкт-Петербурге принимается для глин и суглинков d_fh = 1,2 м; супесей, песков мелких и пылеватых d_fh = 1,45 м; песков крупных и средней крупности d_fh = 1,55 м; крупнообломочных грунтов d_fh = 1,75 м. Значение d_fh для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенная величина.

2 Нормативные ссылки

В настоящем документе приведены ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 25100-95                Грунты. Классификация

СНиП 2.02.01-83*           Основания зданий и сооружений

СНиП 2.02.04-88             Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах

СНиП 3.02.01-87             Земляные сооружения, основания и фундаменты

ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург  Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге

3 Определение характеристик деформаций и сил морозного пучения грунтов и промерзающих оснований

3.1 Величина относительной деформации морозного пучения (коэффициент морозного пучения) промерзающего слоя глинистого грунта при ненагруженной его поверхности в естественных условиях для случая отсутствия подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле

e_f = [aw(r_d/r_w) - b]g_т,                                                      (3.1)

где e_f - коэффициент морозного пучения грунта, доли единицы;

w - природная влажность грунта перед его промерзанием, доли единицы;

r_d = r/(1 + w) - плотность скелета грунта при его естественной (природной) плотности r, кг/м³;

r_w - плотность воды, находящейся в порах грунта, r_w = 1000 кг/м³;

g_т - коэффициент, учитывающий влияние скорости и продолжительности промерзания грунта в районе строительства, для Санкт-Петербурга;

a и b - параметры пучинистых свойств грунтов, определяемые по таблице 3.1 в зависимости от вида глинистого грунта, величины числа пластичности I_p и значения влажности грунта на границе текучести w_L.

3.2 Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта основания, воспринимающего внешнее давление от сооружения e_f.p при отсутствии подземных вод или их глубокого расположения определяется по формуле

e_f.p = [aw×(r_d/r_w) - b - ψs]g_т,                                              (3.2)

Здесь помимо величин, указанных в 3.1, s - среднее дополнительное вертикальное напряжение в промерзающем слое грунта, МПа;

ψ - параметр, учитывающий влияние внешнего давления на интенсивность морозного пучения грунта, МПа^-1, определяется по таблице 3.1.

3.3 Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта при отсутствии на его поверхности нагрузки в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания определяется по формуле

e_f = [aw(r_d/r_w) - b]g_тχ.                                                 (3.3)

Здесь помимо величин, указанных в 3.1, χ - коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность процесса миграции влаги и морозного пучения, определяемый по формуле:

χ = (z_max + d_ws)/(z + d_ws),                                                 (3.4)

где z - расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод, м;

z_max - тоже, когда влияние подземных вод можно не учитывать (z ³ z_max), устанавливается в зависимости от вида грунта по таблице 3.2;

d_ws - глубина зоны всасывания, в пределах которой происходит миграция влаги к границе промерзания, равная 0,30 м.

3.4 Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта основания, воспринимающего внешнее давление от сооружения e_f.p в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания, определяется по формуле

e_f.p = [aw(r_d/r_w) - b - ψs]g_тχ,                                                (3.5)

В формулу (3.5) входят величины, обозначение которых приведено выше.

3.5 Коэффициент морозного пучения слоя песка крупного или средней крупности при невозможности отжатия влаги от границы промерзания определяется по формуле

e_f = 0,09S_rе(r_d/r_s),                                                        (3.6)

где r_s - плотность минеральных частиц, величина которой может быть принята равной 2650 кг/м³;

S_r = wr_s/еr_w - степень влажности песка перед промерзанием, доли единицы;

е = (r_s - r_d)/r_d - коэффициент пористости песка, доли единицы;

обозначение остальных величин указано выше.

В условиях промерзания крупных и средней крупности песков с отжатием воды от фронта промерзания коэффициент морозного пучения может быть менее 0,01 (таблица Б.27 ГОСТ 25100).

3.6 Коэффициент морозного пучения слоя пылеватого и мелкого песка определяется по формуле

e_f = 0,09S_re(r_d/r_s)χ,                                                     (3.7)

Здесь, помимо величин, входящих в формулу (3.6), χ - коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения песков в следствие миграции влаги к границе промерзания, определяемый из выражения (3.4). Глубина зоны всасывания d_ws принимается равной 0,4 м, а z_max - по таблице 3.2 в зависимости от разновидности песков.

3.7 Величина абсолютной деформации морозного пучения f_f (величина пучения) слоя грунта при отсутствии на его поверхность внешней нагрузки определяется из выражения

f_f = e_fd_f,                                                                  (3.8)

где e_f - коэффициент морозного пучения слоя грунта при ненагруженной поверхности, величина которого определяется по формулам (3.1) или (3.3) в зависимости от положения уровня подземных вод, доли единицы;

d_f - глубина промерзания грунта, м.

3.8 Величина абсолютной деформации морозного пучения f_f.p грунта основания в пределах сжимаемой толщи (при местной нагрузке на основание) определяется по формуле

f_f.p = e_f.ph_f,                                                                  (3.9)

где e_f.p - средневзвешенное значение коэффициента морозного пучения грунта, определяемое по формуле (3.2) с учетом средней величины дополнительного напряжения в промерзшем слое грунта толщиной h_f.

3.9 Величина максимального значения нормального давления морозного пучения глинистого грунта по подошве фундамента или к поверхности иной конструкции, определяется по формуле

p_f.p,max = [aw(p_d/p_w) - b]/ψ,                                             (3.10)

где p_f.p,max - максимальное значение удельного нормального давления морозного пучения грунта, МПа; остальные значения указаны выше.

Величина удельного нормального давления морозного пучения песка пылеватого и мелкого может быть вычислена по формуле

r_f.p,max = [0,09S_re(r_d/r_s)]/ψ,                                            (3.11)

где помимо величин, входящих в формулу (3.6), ψ - коэффициент, величина которого принимается для песка пылеватого 0,042, а для мелкого песка - 0,049.

Величина удельного давления морозного пучения р_fh зависит от степени ограничения деформации морозного пучения промерзающего слоя грунта. При свободном перемещении ненагруженной поверхности промерзающего грунта f_f.o значение р_fh можно принять равным нулю. В условиях полного исключения деформации морозного пучения (f_f.p = 0) величина р_fh будет максимальной (р_fh.max). В случае частичного ограничения деформации пучения (f_f.o - s_k) за счет податливости системы «основание - сооружение» удельное нормальное давление морозного пучения р_fh будет определяться пропорционально степени стеснения (ограничения) возможного деформирования промерзания слоя грунта (рисунок 3.1).

3.10 Величина удельной касательной силы морозного пучения определяется в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.04 и рекомендациями проф. Далматова Б.И. для условий Санкт-Петербурга - таблица 3.3.

Таблица 3.1 - Значения параметров пучинистых свойств глинистых грунтов a, b и ψ

Таблица 3.2 - Значение z_max

Рисунок 3.1 К определению величины удельного давления морозного пучения p_fh путем расчета по формуле (2.8) с учетом допустимого (возможного) перемещения фундамента на величину f_f.p

Таблица 3.3 - Значение удельной касательной силы морозного пучения грунтов

Приведенные в таблице 3.3 значения t_th относятся к бетонному фундаменту с гладкой поверхностью. При шероховатой поверхности бетона: с выступами до 5 мм и с выступами до 20 мм значения t_fh следует умножить на коэффициент g_af, соответственно g_af = 1,15 и g_af = 1,30. Для фундаментов из других материалов t_th следует умножить на коэффициенты g_af: для деревянных поверхностей, необработанных масляными антисептиками g_af = 1,0; для деревянных поверхностей обработанных масляными антисептиками g_af = 0,9; для металлических поверхностей из прокатной стали g_af = 0,7.

4 Определение характеристик прочности оттаивающих грунтов и устойчивости оснований

4.1 Предельное сопротивление оттаивающих глинистых грунтов сдвигу (t_th.u) после их промерзания существенно снижается по сравнению с предельным сопротивлением сдвигу тех же грунтов до промерзания (t_u). Между этими величинами существует закономерная связь, которую можно представить в виде выражения

t_th.u = t_u(a - bw_v),                                                       (4.1)

где а и b - параметры, зависящие от вида, состава грунта и условий его промерзания;

w_v - объемная влажность оттаивающего грунта.

На основании зависимости (4.1) разработана методика определения величины угла внутреннего трения j_th и удельного сцепления с_th оттаивающего грунта путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания (j и с) за счет следующих коэффициентов:

j_th = j/g_g(j)thg_m.f и c_th = c/g_g(c)thg_m.f                                          (4.2)

где g_g(j)th - коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для угла внутреннего трения, определяется по таблице 4.1;

g_g(c)th - коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для удельного сцепления, определяется по таблице 4.2;

g_m.f - коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влаги и морозного пучения грунта на формирование посткриогенной структуры оттаивающего грунта и его прочностные свойства, определяется по таблице 4.3.

4.2 Показатели прочностных свойств оттаивающих водонасыщенных песчаных грунтов в порядке первого приближения можно определить по формулам

j_th = j/h и c_th = с/(g¢_g(c)thg¢_m.f)                                             (4.3)

где h - коэффициент надежности по грунту, учитывающий снижение угла внутреннего трения обусловленное формированием посткриогенной структуры песков, определяемый по таблице 4.4;

g¢_g(c)th и g¢_m.f - понижающие коэффициенты принимаемые как для супесей по таблице 4.2 и 4.3.

4.3 Величина предельного сопротивления оттаивающего грунта сдвигу по всем поверхностям скольжения определяется из выражения

t_th.u = p_thtgj_th + c_th,                                                      (4.4)

где р_th - нормальное напряжение по поверхности скольжения, кПа;

j_th и c_th - вычисляются по формулам (4.2).

Таблица 4.1 - Значения коэффициентов g_g(j)th

Таблица 4.2 - Значения коэффициентов g_g(c)th

Таблица 4.3 - Значения коэффициентов g_m.f в зависимости от их пучинистости (e_f)

4.4 Расчетное сопротивление оттаивающего грунта основания определяется по формуле 7 СНиП 2.02.01 с использованием значений j_th и с_th.

4.5 Несущая способность оттаивающих оснований также определяется на основании этих же значений характеристик прочностных свойств по 2.57 - 2.66 СНиП 2.02.01.

4.6 Устойчивость оттаивающих откосов, давление оттаивающего грунта на ограждения рассчитывается известными методами с использованием значений характеристик прочностных свойств грунтов при их оттаивании, установленным по изложенной выше методике.

5 Числовой пример определения характеристик морозоопасных свойств глинистого грунта

Грунт - суглинок, плотность которого r = 2000 кг/м³, естественная влажность w = 0,25; влажность на границе текучести и раскатывания w_L = 0,30 и w_p = 0,15; показатель текучести I_L = 0,67; число пластичности I_p = 0,15; плотность скелета (сухого грунта) r_d = 1600 кг/м³; угол внутреннего трения j = 19° и удельное сцепление с = 25,0 кПа. Глубина промерзания суглинка d_f = 1,2 м.

Таблица 4.4 - Значение коэффициента h

Рассматриваются два условия промерзания:

I условие - при отсутствии подземных вод (или расположении их уровня ниже границы промерзания на z ³ z_max).

Для рассматриваемых условий g_т = 1,2; χ = 1,0. Параметры пучинистых свойств грунтов определяются по таблице 3.1: a = 0,242; b = 0,054; ψ = 0,052.

1. Коэффициент морозного пучения суглинка определяется по формуле (3.1):

e_f = [aw(r_d/r_w) - b]g_т = [0,242×0,25(1600/1000) - 0,054]×1,2 = 0,051.

2. Величина морозного пучения суглинка при глубине промерзания d_f = 1,2 м определяется по формуле (3.6):

f_f = e_f×d_f = 0,051×1,2 = 0,061 м = 6,1 см.

3. При среднем напряжении в промерзающем слое 0,15 МПа (150 кПа), вызванном внешней нагрузкой, коэффициент морозного пучения суглинка составит (формула 3.2)

e_f.p = [aw(r_d/r_w) - b - ψs]g_т = [0,242×0,25(1600/1000) - 0,054 - 0,052×0,15]×1,2 = 0,042.

4. Максимальная величина удельного нормального давления морозного пучения вычисляется по формуле (3.8)

p_f.p,max = [aw(r_d/r_w) - b]/ψ = [0,242×0,25(1600/1000) - 0,054]/0,052 = 0,94 МПа = 940 кПа = 9,4 кгс/см².

5. Величина удельной касательной силы морозного пучения суглинка при показателе текучести I_L = 0,67 и коэффициенте морозного пучения e_f = 0,051 согласно таблице 3.3 равна t_th = 120 кПа, как максимальное значение по одному из двух признаков.

6. Величина угла внутреннего трения при оттаивании промерзшего суглинка вычисляется по формуле (4.2) и в соответствии с данными таблицы 4.1 и таблицы 4.3

j_th = j/g_g(j)thg_m.f = 19/1,25×1,3 = 12°.

7. Величина удельного сцепления при оттаивании промерзшего суглинка вычисляется по формуле (4.2) и согласно данным таблицы 4.2 и таблицы 4.3

c_th = c/g_g(c)th = 25/1,5×1,3 = 13 кПа.

II условие - при расположении уровня подземных вод на глубине z = 1,0 м ниже границы промерзания.

Согласно данным таблицы 3.2 z_max = 2,0 м. Величина коэффициента

χ = (z_max + d_ws)/(z + d_ws) = (2 + 0,3)/(1 + 0,3) = 1,77.

8. Коэффициент морозного пучения суглинка определяется по формуле (3.3)

e_f = [aw(r_d/r_w) - b]g_тχ = [0,242×0,25(1600/1000) - 0,054]×1,2×1,77 = 0,09.

9. Величина морозного пучения суглинка при глубине промерзания d_f = 1,2 м определяется по формуле (3.6)

f_f = e_fd_f = 0,09×1,2 = 0,108 м = 10,8 см.

10. При среднем напряжении 0,15 МПа в промерзшем слое коэффициент морозного пучения суглинка составляет (формула 3.5)

e_f.p = [aw(r_d/r_w) - b - ψs]g_тχ = [2,42×0,25(1600/1000) - 0,054 - 0,052×0,15]×1,2×1,77 = 0,07.

11. Величина угла внутреннего трения при оттаивании промерзшего суглинка для рассматриваемых условий (e_f = 0,09) составит (таблица 4.1 и таблица 4.3)

j_th = j/g_g(j)thg_m.f = 19/1,25×1,5 = 10°.

12. Величина удельного сцепления при оттаивании промерзшего суглинка для рассматриваемых условий (e_f = 0,09) составит (таблица 4.2 и таблица 4.3)

с_th = с/g_g(c)thg_m.f = 25/1,5×1.5 = 11 кПа.

Библиография

[1] Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов (общая и прикладная). М.: Высшая школа, 1973

[2] Долматов Б.И., Бронин В.Н., Карлов В.Д., Мангушев Р.А., Сахаров И.М., Сотников С.Н., Улицкий В.М., Фадеев К.Б. Основания и фундаменты. Ч. 2. Основы геотехники. М.; СПб.: Изд-во АСВ, 2002

[3] Карлов В.Д. Основания и фундаменты в районах распространения вечномерзлых грунтов. М.; СПб.: Изд-во АСВ, 1997

[4] Карлов В.Д. Новые методы оценки влияния промерзания и оттаивания на изменение механических свойств сезоннопромерзающих грунтов оснований сооружений. Сб. «Инженерно-геологические изыскания и исследования в криолитозоне - теория, методология, практика» (ИГК-2000). СПб, 2000

[5] Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах. М.: Стройиздат, 1979

[6] Невзоров А.А. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: Изд-во АСВ, 2000

[7] Карлов В.Д. Геокриологическое обеспечение технологических решений при устройстве оснований, фундаментов и реконструкции сооружений в зимних условиях. «Реконструкция городов и геотехническое строительство», № 2/2000. (Internet: www.georec.spb.ru)