Температура грунта под фундаментом

Обновлено: 28.04.2024

Разработаны: Центральным научно-исследовательским, экспериментальным и проектным институтом по сельскому строительству (ЦНИИЭПсельстроем) Министерства сельского строительства СССР.

Директор Л.Н. Ануфриев

Заведующий сектором оснований

и фундаментов в сложных

грунтовых условиях В.С. Сажин

Старшие научные сотрудники А.Г. Бейрих

Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений Госстроя СССР (НИИОСПом)

Директор Б.С. Федоров

оснований и фундаментов

на пучинистых грунтах В.О. Орлов

Проектным институтом Саратовоблколхозпроект Росколхозстрой- объединения

Директор Б.Н. Лысункин

Главный специалист В.Н. Краюшкин

Внесены: ЦНИИЭПсельстроем Минсельстроя СССР, НИИОСПом Госстроя СССР

Подготовлены к утверждению: Главным техническим управлением Минсельстроя СССР

Начальник В.Я. Макарук

Согласованы: Госстроем СССР

Заместитель председателя С.Л. Дворников

Заместитель министра И.П. Быстрюков

Утверждены и введены в действие: приказом Министерства сельского строительства СССР №44 от 14 февраля 1985 г.

ВВЕДЕНИЕ

На территории СССР широко распространены пучинистые грунты. К ним относятся глины, суглинки, супеси , пески пылеватые и мелкие. При определенной влажности эти грунты, замерзая в зимний период, увеличиваются в объеме, что приводит к подъему слоев грунта в пределах глубины его промерзания. Находящиеся в таких грунтах фундаменты также подвергаются подъему, если действующие на них нагрузки не уравновешивают силы пучения. Поскольку деформации пучения грунта, как правило, неравномерны, происходит неравномерный подъем фундаментов, который со временем накапливается. В результате этого надфундаментные конструкции зданий и сооружений претерпевают недопустимые деформации и разрушаются. Деформациям, от пучения грунта особенно подвержены легкие сооружения, к числу которых откосится большинство малоэтажных сельских зданий.

В соответствии с нормами по проектировании оснований зданий и сооружений глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах должна приниматься не менее расчетной глубины промерзания. В этом случае подошва фундамента освобождается от воздействия нормальных сил пучения. Однако глубоко заложенные фундаменты имеют развитую боковую поверхность, по которой действуют касательные силы пучения. Эти силы превосходят нагрузки, передаваемые легкими зданиями на фундаменты, в результате чего фундаменты выпучиваются.

Таким образом, материалоемкие и дорогостоящие фундаменты, заложенные ниже глубины промерзания грунта, не обеспечивают надежную эксплуатацию малоэтажных зданий, построенных на пучинистых грунтах.

Одним из путей решения проблемы строительства на пучинистых грунтах малоэтажных зданий является использование мелкозаглубленных фундаментов. Такие фундаменты закладываются на глубине 0,2-0,5 м от поверхности грунта или непосредственно на поверхности (незаглубленные фундаменты). К таким образом, на мелкозаглубленные фундаменты действует незначительные касательные силы пучения, а при незаглубленных фундаментах они равны нулю.

Как правило, под фундаментами устраиваются подушки толщиной 20-30 см из непучинистых материалов (песок гравелистый, крупный или средней крупности, мелкий щебень, котельный шлак и др.). Применением подушки достигается не только частичная замена пучинистого грунта на непучинистый, но и уменьшение неравномерных деформаций основания. Толщина подушек и глубина заложения фундаментов определяется расчетом.

Основной принцип конструирования мелкозаглубленных фундаментов зданий с несущими стенами на пучинистых грунтах заключается в том, что ленточные фундаменты всех стен здания объединяются в единую систему и образуют достаточно жесткую горизонтальную раму, перераспределяющую неравномерные деформации основания. При мелкозаглубленных столбчатых фундаментах рама формируется из фундаментных балок, которые жестко соединяются между собой на опорах.

Для обеспечения совместной работы фундаментных элементов последние жестко соединяются между собой.

Указанные конструктивные мероприятия выполняются при строительстве на среднепучинистых (при интенсивности пучения, большей 0,05) сильно - и чрезмернопучинистых грунтах. В остальных случаях, фундаментные элементы укладываются свободно, не соединяются между собой. Количественным показателем пучинистости грунта является интенсивность пучения, характеризующая пучение элементарного слоя грунта. Применение мелкозаглубленных фундаментов базируется на принципиально новом подходе к их проектированию, в основу которого заложен расчет оснований по деформациям пучения. При этом допускаются деформации основания (подъем, в том числе неравномерный), однако они должны быть меньше предельных, которые зависят от конструктивных особенностей зданий.

При расчете оснований по деформациям пучения учитываются пучинистые свойства грунта, передаваемое на него давление, жесткость фундамента и надфундаментных конструкций на изгиб. Надфундаментные конструкции рассматриваются не только как источник нагрузок на фундаменты, но и как активный элемент, участвующий в совместной работе фундамента с основанием. Чем больше жесткость конструкций на изгиб, тем меньше относительные деформации основания.

Передаваемое на грунт давление значительно (иногда в несколько раз) снижает подъем основания при пучении грунта. При подъеме мелкозаглубленных фундаментов действующие по их подошвам нормальные силы пучения резко уменьшаются.

Все конструкций мелкозаглубленных фундаментов и положения по их расчету, приведенные в настоящем документе, прошли проверку при проектировании и строительстве малоэтажных зданий различного назначения - домов усадебного типа, хозяйственных построек, производственных сельскохозяйственных зданий вспомогательного назначения, трансформаторных подстанций и др.

В настоящее время во многих областях Европейской части РСФСР, в районах с глубиной промерзания до 1,7 и, на мелкозаглубленных и незаглубленных фундаментах построено свыше 1500 одно- и двухэтажных зданий из разных материалов - кирпича, блоков, панелей, деревянных щитов. Систематические инструментальные наблюдения за зданиям в течение 3-6 лет свидетельствуют о надежной работе мелкозаглубленных фундаментов. Применение таких фундаментов вместо традиционных, закладываемых ниже глубины промерзания грунтов позволило сократить: расход бетона на 50-80%, трудозатраты - на 40-70%.

В настоящих нормах содержатся требования по конструированию, проектированию и устройству мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах. Не случайно поэтому область применения таких фундаментов определена именно для пучинистых грунтов. Мелкозаглубленные фундаменты на пучинистых грунтах рекомендуется применять в массовом порядке при глубине промерзания до 1,7 м. При большей глубине промерзания пучинистых грунтов мелкозаглубленные фундаменты рекомендуется только для экспериментального строительства. Накопление опыта строительства объектов с мелкозаглубленными фундаментами в районах с большой глубиной промерзания позволит в дальнейшей расширить область применения их на пучинистых грунтах.

Хотя область применения мелкозаглубленных фундаментов в иных грунтовых условиях формально выходит за рамки настоящих норм, представляется целесообразным дать некоторые рекомендации по использованию таких фундаментов при строительстве малоэтажных зданий на наиболее распространенных на территории нашей страны грунтах.

В соответствии с главой СНиП 2.02.01-83 глубина заложения фундаментов на непучинистых грунтах не зависит от глубины их промерзания. Поэтому при строительстве малоэтажных зданий на непучинистых грунтах мелкозаглубленные фундаменты рекомендуются к массовому применению.

На основаниях, сложенных вечномерзлыми грунтами, мелкозаглубленные фундаменты могут быть использованы для экспериментального строительства. При этом должны быть предусмотрены мероприятия, направленные на предотвращение недопустимых деформаций оснований, вызванных оттаиванием вечномерзлых грунтов.

Применение мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании в грунтовых условиях I типа по просадочности рекомендуется лишь в том случае, если передаваемое на грунт давление меньше начального просадочного давления. В остальных случаях применения таких фундаментов возможно лишь для экспериментального строительства при условии, что суммарные деформации оснований, вызванные просадкой и осадкой грунта, не превосходят предельных деформаций.

В грунтовых условиях П типа по просадочности применение мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании не допускается.

Необходимо подчеркнуть, что поскольку основной причиной пучения грунтов является наличие в них воды, способной при промерзании переходить в лед, следует строго соблюдать требование о недопустимости водонасыщения грунта в основании мелкозаглубленных фундаментов в процессе строительства и при эксплуатации зданий. Следует предусматривать надежный отвод с площадки строительства атмосферных и производственных вод путем вертикальной планировки застраиваемой территории, устройства водоотводов и дренажа. При рытье траншей для фундаментов и инженерных коммуникаций земляные работы следует производить с минимальным объемом нарушения грунтов природного сложения. Не допускается скопление воды от повреждения временного трубопровода на площадке строительства. Вокруг зданий следует устраивать водонепроницаемые отмостки шириной не менее 1 м и уклоном не менее 0,03. Следует избегать устройства вводов трубопроводов канализации и водоснабжения с нагорной стороны здания. При эксплуатации зданий не допускается изменять условия, применительно к которым запроектированы мелкозаглубленные фундаменты.

В настоящее время большое распространение под легкие каркасные дома из SIP панелей и одноэтажные дома из газобетона получил фундамент типа УФФ (утепленная финская плита). Данный фундамент широко применяется в Московской и Ленинградской областях. В связи с недавними ситуациями связанных с подъемом, перекосом и в некоторых случаях разрушения фундамента, встает необходимость анализа данной конструкции с точки зрения промерзания грунта под подошвой.

Ключевые слова: фундамент МЗЛФ, утепление фундамента, морозное пучение, промерзание.

Currently, a large spread for light frame houses made of SIP panels and single-storey houses made of aerated concrete has a Foundation type UFF (insulated Finnish stove). This Foundation is widely used in the Moscow and Leningrad regions. In connection with recent situations related to the rise, skew and in some cases the destruction of the Foundation, there is a need to analyze this design in terms of freezing the soil under the sole.

Keywords: Strip foundation, insulation of Foundation, frost heave, frost penetration.

Расчет выполнен в программе Elcut 2017. Характеристики принятых материалов приведены в табл. 1.

Теплопроводность строительных материалов

Наименование

Теплопроводность

λ,

KNAUF THERM PANEL 25

ЭППС (XPS Технониколь CARBON ECO)

Газобетонные блоки D500

Согласно СТО НААГ 3.1–2013

Расчётная зимняя температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки -28С согласно СП 131.13330.2012.

Температура грунта на глубине 1,6м равна 3,2 град. Для Москвы и Московской области.

Рассмотрим несколько возможных ситуаций промерзания грунта под подошвой фундамента.

Вид фундамента представлен на рисунке 1

Рис. 1. Фундамент типа УФФ (Утепленный финский фундамент)

1 ситуация: Грунт под подошвой фундамента уплотненный, для расчета, температура наружного воздуха равна -15 °С. Температура внутреннего воздуха в доме равна 20 °С. Температура грунта под домом равна +5°С.

Рис. 2. Распределение тепловых полей в узле фундамента при уплотненных грунта.

Из термограммы видно, что присутствует промерзание в крайней части фундаментной ленты, при таком варианте необходимо дополнительное утепление фундамента.

2 ситуация. С дополнительным утепление подошвы фундамента слоем ЭППС, толщиной 50 мм ширина утепления равна ширине подошвы (рис. 3) и с увеличенной шириной утепления под подошвой и увеличением толщины утеплителя отмостки до 100 мм (рис. 4).

$C:\Users\karlo\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\Скриншот 05-05-2018 143926.jpg$

Рис. 3. Распределение тепловых полей в узле фундамента при утеплении подошвы фундамента.

Рис. 4. Распределение тепловых полей в узле фундамента при утеплении подошвы фундамента ЭППС толщиной 100мм и шириной 1200 мм.

Из термограммы (рис. 3.) видно, что полностью исключить промерзание не удается, необходимо увеличить ширину ЭППС до 1200 мм.

Из термограмм (рис.4) можно сделать вывод что толщина отмостки в 100мм практически не влияет на температуру под подошвой фундамента, так как промерзание идет через керамзитобетонные блоки и монолитную ленту в обход утеплителя, но увеличение ширины утеплителя под подошвой заметно снижает промерзание у краев фундамента.

Из всего выше изложенного можно сделать вывод, что наиболее эффективным методом является утепление отмостки ЭППС толщиной 50 мм и шириной 1м и утепление подошвы фундамента, шириной равной размерам ленты и толщиной 50 мм. Т. к. при данном варианте промерзание хоть и не значительное, но присутствует, следовательно, обязательно применение дренажа и непучинистого грунта в виде песка средней крупности или ПГС (песчано-гравийной слой) толщиной не менее 250–300 мм.

Рассмотрим вариант (рис. 3) при температуре наиболее холодной пятидневки, которая равна -28°С. При этом будем учитывать толщину снегового покрова в 0,3м

Рис. 5. Распределение тепловых полей в узле фундамента в наиболее холодную пятидневку с учетом снегового покрова.

Из термограммы видно, что сильного промерзания грунта под подошвой не происходит снег выполняет функцию дополнительного утепления и защищает грунт от сильного промерзания.

Вывод: Данный тип фундаментов рекомендуется использовать на непучинистых или слабопучинистых грунтах с, а при использовании на пучинистых грунтах необходимо производить замену грунта под подошвой фундамента ниже глубины промерзания устройством, рядом с фундаментом необходимо выполнять дренаж, который должен находится в зоне положительных температур.

Основные термины (генерируются автоматически): SIP, подошва фундамента, распределение тепловых полей, узел фундамента, утепление подошвы фундамента, холодная пятидневка, CARBON, ECO, наружный воздух, снеговой покров.

Cмысл этих понятий стоит понимать любому человеку, решившему строить фундамент для дома.

Морозное пучение

Морозное пучение — процесс превращения в лед воды, которая содержится в грунте. Всем известно, что вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме. Поскольку поздней осенью вода в грунте содержится в большом объёме из-за дождей и периодически выпадающего и оттаивающего снега, то, промерзая, верхний слой земли увеличивается в объеме (профессионально говорится "вспучивается"). Так как вспучивающемуся грунту необходимо куда то деваться, то он расширяется вверх.

В результате зимой поверхность земли приподнимается в среднем на 5–10 см, максимум может достигать в Московской области 15 см.

Первая неприятность состоит в том, что если фундамент расположен на поверхности грунта, то есть не заглублен, грунт приподнимает фундамент, а вместе с ним все строение целиком. Главная проблема этой ситуации – неравномерность пучения под домом, то есть один угол фундамента может поднять на 5 см, а другой на 10 см. Почему? Здесь много факторов:
- сам по себе состав грунта под строением может существенно разниться

- один угол получает много солнечного света и тепла, а противоположный наоборот пребывает дольше в тени

- грунт под одним углом дома сильнее увлажняется, чем под другими углами в результате стока воды от дождей или из-за рельефа участка

Вслед за фундаментом деформируется всё строение.

В стенах из кладки образуются трещины (особенно заметно, если нет армопояса, а в доме из бруса не открываются или не закрываются двери и окна, начинаются течи или сквозняки). Весной, когда промерзший грунт оттаивает и лёд снова превращается в воду, поверхность грунта садится обратно, разумеется вместе с фундаментом и строением.

Вторая неприятность заключается в том, что весной, когда грунт оттает и сядет, поверхность земли не будет в точности копировать геометрию прошлого лета. А это означает, что фундамент и строение не займут уже никогда исходную форму и будут всегда существовать с некоторым искривлением, от года к году претерпевая новые деформации. Разумеется, этот процесс изнашивает постройку, существенно сокращая долговечность дома, доставляет неудобства при эксплуатации и проживании. Негативный результат от промерзания может появиться сразу первой зимой, но воздействие промерзания особенно заметно с течением длительного времени.

Но, есть немало примеров, когда лёгкие дома на незаглубленных фундаментах в Московской области не испытывают подобных проблем или испытывают их в приемлемой степени, и это не редкость. Дело в том, что степень пучения может быть разной и зависит от многих факторов, и да же может меняться от год от года. Поэтому, пучинистость грунта делится на 5 степеней:

непучинистый,
слабопучинистый,
среднепучинистый,
сильнопучинистый,
чрезмернопучинистый.

Примерную степень пучения на участке может определить любой человек. К слабопучинистым относятся места на возвышенностях, с низким уровень грунтовых вод, и там где залегают песчаные (быстрофильтрующие воду) грунты. У чрезмернопучинистых всё наоборот – это места в низинах, там где есть обводненные, болотистые, водовмещающие глинистые грунты, когда вода стоит на штыке–двух лопаты круглый год. В завершение стоит сказать, что каждый участок может перемещаться в соседнюю категорию по пучинистости в зависимости от погодных условий конкретного года. Чем меньше осадков было осенью, чем меньшее количество раз таял снег за осень и зиму – тем менее вспученным будет грунт. В таблице ниже вы сможете найти общие рекомендации по заглублению фундаментов в зависимости от типа грунта:

Ниже в таблице вы найдёте процент расширения грунта в зависимости от его типа (песчаные грунты в таблице не представлены, поскольку в большинстве случаев не являются пучинистыми)

Глубина промерзания грунта

Глубина промерзания грунта — это та глубина, на которую может промерзнуть грунт зимой. Эта глубина определяет границу, ниже которой рекомендуется располагать подошву фундамента (Подошва фундамента - это низ монолитной части без подбетонки) или "анкерные" элементы фундаментов (уширение свай ТИСЭ, лопасти винтовых свай и т.д.). Есть нормативная глубина промерзания, представленная на карте.

Но, фактическая глубина промерзания может быть значительно меньше или больше указанной на карте. Рассмотрим причины:
1. В первую очередь важна разновидность грунта, залегающего на участке. Ниже приведена таблица с глубиной промерзания различных типов грунтов, в частности для городов Московской области.

Появляется логичный вопрос – почему, принимается 140 см для Московской области, когда в таблице присутствуют куда большие значения? Дело в том, что глубоко промерзают именно песчаные грунты, которые пучинистыми не являются и не представляют для конструкции фундамента опасности. Песчаным грунтам свойственно быстро фильтровать воду, при том чем крупнее размер частиц (фракция), тем, как правило, быстрее происходит фильтрация. Поскольку из песчаных грунтов влага удаляется быстро, то и степень проявления пучения в них несущественна, а само промерзание проходит глубоко в результате открытых пор. Неприятной ситуацией может быть наличие водоупора под песком на глубине одного-двух метров, поскольку это может приводить к застаиванию влаги в верхней толще и к её вспучиванию; это ситуации-исключения.

В глинистых грунтах наоборот. Фильтрация воды очень медленная и в результате заполненных пор глубокого промерзания не происходит. В результате, к заморозкам поры глинистого грунта не успевают освободиться от воды, что приводит к значительному вспучиванию, которое может повредить фундамент постройку. Именно исходя из этих соображений принимается величина 140 см. Из глинистых грунтов стоит отдельно выделить грунты с консистенцией “Твёрдый”. Это водоупоры, грунты с очень плотной структурой, и они не насыщаются водой. Этим грунтам присуща низкая степень пучения и малое промерзание. К сожалению, в Московской области твёрдые глинистые грунты или крупные пески в верхней толще земли встречаются редко.
2. Помимо типа грунта на глубину промерзания так же влияют погодные условия конкретного года (температура зимой, толщина снежного покрова, количество выпавших осенью и зимой осадков).
3. Локация конкретного участка. Очевидно, что участкам в низинах, вблизи болот свойственно быть более влажными, чем участкам на холмах и вдали от водоёмов.

4. Профилактические мероприятия по снижению увлажнения и промерзания (о них будем говорить ниже).

Виды "противопучинистых" фундаментов и мероприятий.

Степень проявления морозного пучения необходимо учитывать при выборе типа фундамента. "Противопучинистыми" вариантами являются фундаменты по технологии ТИСЭ, винтовые сваи, заглубленные ленты с монолитной широкой подушкой (именно с подушкой, т.к. без неё лёгкие дома на ленте так же подвержены вспучиванию), монолитная плита расположенная ниже границы промерзания грунта.

Разумеется, уширения свай ТИСЭ, лопасти винтовых свай и монолитную полушку заглубленной ленты необходимо расположить ниже границы промерзания для придания им функции "якоря". К противопучинистым типам фундаментов не относятся столбчатые фундаменты без уширения, мелкозаглубленные ленты, плавающие плиты, а так же прямые заглубленные ленточные фундаменты без широкой монолитной подушки (на практике наша компания знает много случаев, когда стенки заглубленной ленты вспучившимся грунтом обжимаются настолько сильно, что грунт вслед за собой тащит вверх фундамент вместе с домом).

Способы защиты от морозного пучения.

Есть немало современных способов, позволяющих почти полностью, либо частично устранить воздействие морозного пучения.
1. Круглогодичное отопление строения. Не стоит путать с ситуацией, когда хозяева приезжают в дом пару раз за зиму. Речь идет о доме, в котором температура круглый год не падает ниже +15 градусов. В этом случае уместно рассмотреть плавающую плиту или мелкозаглубленную ленту. Суть метода в том, чтобы сперва возвести закрытый по периметру непродуваемый цоколь (фундамент без "щели"), а затем важно правильно утеплить его. Стоит утеплить два места:
- фундамент утепляется по наружному периметру, вертикально. В качестве материала чаще всего используется ЭППС (экструдированный пенополистирол), он бывает уже встроен в некоторые отделочные фундаментные панели. Толщину ЭППС следует принимать не менее 50 мм, а лучше 80 или 100 мм для Московского региона.

- необходимо утеплить отмостку. Для этого нужно в толще отмостки проложить ЭППС той же толщины, что и при утеплении фундамента. Ширина утепления в отмостке должна составлять не менее 1,2 метра (в идеале не менее глубины промерзания). Если данные рекомендации выполнены правильно, то пучение грунта под домом будет устранено как минимум на 80-90%, что является вполне достаточным.
Полученная система будет работать следующим образом: зимой часть тепла будет выходить из дома через нижнее перекрытие. Если цокольное пространство является замкнутым и потеря тепла через стены фундамента минимальна, то будет прогреваться земля под домом. Этого прогрева будет вполне достаточно, чтобы остановить промерзание и вспучивание. Утепление отмостки необходимо для того, чтобы избежать потерь тепла через промерзший грунт с наружной стороны фундамента (т.е., чтобы не отапливать грунт снаружи дома). Это не очень дорогой, но действенный метод. Главный его минус – зависимость от беспрерывного зимнего отопления.

2. Дренаж — это отдельная тема для статьи, но дренажи направленные на осушение участка и отведение воды от дома, являются одним из способов по снижению сил морозного пучения.

k_w,c и k_w – коэффициенты, принимаемые по табл. 1 в зависимости от суммарной влажности грунта w_tot, устанавливаемой согласно указаниям п. 5 на период эксплуатации сооружения, и влажности грунта в период наблюдений;

T_bf – температура начала замерзания грунта, ° С, определяемая по прил. 1;

T_th,c – расчетная температура поверхности грунта в летний период, ° С, определяемая по формуле

t_th,c – расчетная продолжительность летнего периода, ч, определяемая по формуле

здесь T_th,m и t_th,m – соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных температур, ° C, и продолжительность этого периода, ч, принимаемые по СНиП 2.01.01-82, причем для климатических подрайонов IБ и IГ значения T_th,m и t_th,m следует принимать с коэффициентом 0,9;

T_th и t_th – соответственно средняя температура воздуха, ° C, за период положительных температур и продолжительность этого периода, ч, в год проведения наблюдений, принимаемые по метеоданным.

Коэффициенты k_w и k_w,c

Значения коэффициентов k_w и k_w,c при влажности грунта w_tot

2. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_f,n, м, определяется по формуле

где d’_f – наибольшая глубина сезонного промерзания грунта в годовом периоде, м, устанавливаемая по данным натурных наблюдений в соответствии с ГОСТ 24847 – 81;

T_f,m t_f,m – соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур, ° С и продолжительность этого периода, ч, принимаемые по СНиП 2.01.01-82;

T_f и t_f – соответственно средняя температура воздуха, ° С, за период отрицательных температур и продолжительность этого периода, ч, в год проведения наблюдений, принимаемые по метеоданным;

k_w, k_w,c – значения те же, что и в формуле (1).

3. При отсутствии данных натурных наблюдений нормативную глубину сезонного оттаивания грунта d_th,n, м, допускается определять по формуле

T_th,c и T_bf – обозначения те же, что в формулах (1) – (3);

t₁ – время, принимаемое равным 1,3 × 10 7 С (3600 ч);

t₂ – время, принимаемое равным 2,7 × 10 7 С (7500 ч);

T_o – расчетная среднегодовая температура вечномерзлого грунта, ° С, определяемая по указаниям п. 8;

l _th и l _f – теплопроводность соответственно талого и мерзлого грунта, Вт/(м × ° С) ;

C_th и C_f – объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта, Дж/(м 3 × ° С) ;

k_m – коэффициент, принимаемый для песчаных грунтов равным 1,0, а для пылевато-глинистых – по табл. 2 в зависимости от значения теплоемкости C_f и средней температуры грунта , ° С, определяемой по формуле

L _n – теплота таяния (замерзания) грунта, Дж/м 3 (ккал/м 3 ), определяемая по обязательному приложению 1 при температуре грунта, равной 0,5 , ° С.

Коэффициент k_m

Значения коэффициента k_m при объемной теплоемкости C_f, Дж/(м 3 × ° С) [ккал/(м 3 × ° С)]

4. Нормативная глубина сезонного промерзания грунта d_f,n, м, определяется по формуле

здесь L n – теплота замерзания грунта, Дж/м 3 (ккал/м 3 ), определяемая по обязательному приложению 1 при температуре грунта = 0,5(T_f,m – T_bf), ° С.

Остальные обозначения те же, что в формуле (4).

5. В случаях, когда предусматриваются вертикальная планировка территории подсыпкой, регулирование поверхностного стока и другие мероприятия, приводящие к понижению уровня подземных вод, значения теплофизических характеристик при расчете нормативных глубин сезонного оттаивания и промерзания грунтов по формулам (5) и (10), а также значения коэффициента k_w,c в формулах (1) и (4) следует принимать при влажности грунта, равной:

для крупнообломочных грунтов 0,04

для песков (кроме пылеватых) 0,07

для песков пылеватых 0,10

для пылевато-глинистых грунтов w_p + 0,5I_p

для биогенных грунтов 1,1w_p.

где I_p и w_p – соответственно число пластичности и влажности грунта на границе пластичности.

6. Расчетная глубина сезонного оттаивания d_th и расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f определяются по формулам:

где d_th и d_f,n – нормативные глубины соответственно сезонного оттаивания и сезонного промерзания грунта;

k’_h и k_h – коэффициенты теплового влияния сооружения, принимаемые по табл. 3.

Коэффициенты и k_h

Здания и сооружения без холодного подполья

В соответствии с требованиями СНиП 2.02.01 – 83

Здания и сооружения с холодным подпольем:

у наружных стен с отмостками, имеющими асфальтовое и тому подобное покрытия

у наружных стен с отмостками без асфальтовых покрытий

у внутренних опор

промежуточные массивные опоры с фундаментами мелкого заложения или фундаментами из свай и свай-столбов с плитой (ростверком), заглубленной в грунт при ширине опор по фасаду:

промежуточные столбчатые и свайные опоры, рамностоечные опоры с фундаментами мелкого заложения

Примечания: 1. Данные таблицы не распространяются на случаи применения теплоизоляции и других специальных теплозащитных мероприятий (вентилируемые и теплоизолирующие подсыпки, охлаждающие устройства и т. д.).

2. Для устоев мостов, обсыпанных песчаным грунтом, значения и k_h следует принимать по данным теплотехнического расчета, но не менее 1,2.

7. Нормативное значение среднегодовой температуры вечномерзлого грунта T_o,n определяется по данным полевых измерений температуры грунтов в соответствии с ГОСТ 25358 – 82 на опытных площадках с естественными условиями. Допускается значение T_o,n принимать равным температуре грунта на глубине 10 м от поверхности.

8. Расчетная среднегодовая температура вечномерзлого грунта T_o, ° С, устанавливается на основании прогнозных расчетов изменения температурного режима грунтов на застраиваемой территории.

Допускается определять значение T_o, ° С, по формуле

где t_y – продолжительность года, принимаемая равной 3,15 × 10 7 С (8760 ч);

T_f,m и t_f,m – соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха в период отрицательных температур, ° С, и продолжительность этого периода, с(ч), принимаемые по СНиП 2.01.01-82;

L _n – теплота таяния (замерзания) грунта, Дж/м 3 (ккал/м 3 ), определяемая по обязательному приложению 1;

R_s – термическое сопротивление снегового покрова, м 2 × ° С/Вт (м 2 × ч × ° С/ккал), определяемое по формуле

здесь m_L = 1,0 т × ° С/(м 2 × Вт) [1,16 т × ч × ° С/(м 2 × ккал)] – коэффициент учета размерностей;

d_s – средняя высота снегового покрова, м, принимаемая по метеоданным;

r _s – средняя плотность снегового покрова, т/м 3 , принимаемая по метеоданным.

Примечания: 1. В районах со средней скоростью ветра в зимний период свыше 5 м/с рассчитанное по формуле (15) значение R_s следует увеличивать в 1,3 раза.

2. Если при расчете по формуле (14) T_o > T_bf, то следует принимать Т_о = Т_о,n.

Обязательное

Расчет температурного режима

1. Температурный режим вентилируемого подполья характеризуется среднегодовой температурой воздуха в подполье Т_с,а, устанавливаемой расчетом в зависимости от предусмотренного проектом значения среднегодовой температуры вечномерзлого грунта на его верхней поверхности Т’_о (п. 4.13), теплового режима сооружения и режима вентилирования подполья.

2. Среднегодовая температура воздуха в вентилируемом подполье Т_с,а, ° С, обеспечивающая предусмотренную в проекте среднегодовую температуру вечномерзлого грунта на его верхней поверхности Т’_о, ° С, вычисляется по формуле

где k_o – коэффициент, принимаемый по табл. 1 в зависимости от значений t_f,n и l _f / l _th;

здесь t_f,n – продолжительность периода с отрицательной среднесуточной температурой воздуха, сут, принимаемая по СНиП 2.01.01-82;

l _f и l _th – теплопроводность соответственно мерзлого и талого грунта.

Коэффициент k₀

Значения коэффициента k₀ при t_f,n, сут

3. Среднегодовая температура вечномерзлого грунта на его верхней поверхности Т’_о, ° С, определяется расчетом по условию обеспечения требуемых значений расчетной температуры грунтов в основании сооружения (п. 4.12) с учетом мерзлотно-грунтовых и климатических условий участка строительства. Допускается принимать значение Т’_о по табл. 2 в зависимости от среднегодовой температуры грунта Т_о, ширины сооружения В и глубины заложения фундаментов z с учетом температуры начала замерзания грунта T_bf.

Значение температур

Значения ° С, для фундаментов

столбчатых при глубине

свайных при глубине заложения z, м

Примечания: 1. Глубина заложения фундаментов z отсчитывается от уровня верхней поверхности вечномерзлого грунта.

2. При среднегодовой температуре наружного воздуха T_out выше табличных значений в расчетах следует принимать .

4. Установленная расчетом по указаниям п. 2 среднегодовая температура воздуха в подполье Т_с,а при естественном вентилировании подполья за счет ветрового напора обеспечивается подбором модуля его вентилирования М, определяемого соотношением

M = A _n /A_b, (2)

где A _n – для подполий с продухами – общая площадь продухов; для открытых подполий – площадь, равная произведению периметра здания на расстояние от поверхности грунта или отмостки до низа ростверка свайного фундамента или фундаментных балок, м 2 ;

A_b – площадь здания в плане по наружному контуру, м 3 .

Примечание. При отношении высоты подполья h_c к ширине здания В менее 0,02 следует применять вентиляцию с механическим побуждением.

5. Модуль вентилирования М, необходимый для обеспечения расчетной температуры воздуха в подполье Т_с,а при его естественном вентилировании, вычисляется по формуле

где k_c – коэффициент, принимаемый в зависимости от расстояния между зданиями а и их высоты h равным:

1,0 при а ³ 5h

1,2 при а = 4h

1,5 при а £ 3h

T_in – расчетная температура воздуха в помещении, ° С;

T_out – среднегодовая температура наружного воздуха, ° С;

R_o – сопротивление теплоотдаче перекрытия над подпольем, м 2 × ° С/Вт, (м 2 × ч × ° С/ккал);

C _n – объемная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 1300 Дж/(м 3 × ° С)[0,31 ккал(м 3 × ° С)];

k_a – обобщенный аэродинамический коэффициент, учитывающий давление ветра и гидравлические сопротивления, принимаемый равным: для сооружений прямоугольной формы – k_a = 0,37; П-образной формы – k_a = 0,3; Т-образной формы – k_a = 0,33 и L-образной формы – k_a = 0,29;

V_a – средняя годовая скорость ветра, м/с, (м/ч);

Ã – безмерный параметр: для открытых подполий принимается равным 0; для подполий с продухами определяется по формуле

здесь A_z – площадь цоколя для подполий с продухами, м 2 ;

R_z – сопротивление теплопередаче цоколя, м 2 × ° С/Вт, (м 2 × ч × ° С/ккал);

x – параметр, учитывающий влияние расположенных в подполье коммуникаций на его тепловой режим, ° С, определяемый по формуле

здесь n – число трубопроводов;

l_pj – длина j-го трубопровода, м;

T_pj – температура теплоносителя в j-ом трубопроводе, ° С;

t_pj – время работы j-го трубопровода в течение года, сут;

t_y – продолжительность года, равная 365 сут;

R_pj – сопротивление теплопередаче теплоизоляции j-го трубопровода м × ° С/Вт, (м × ч × ° С/ккал);

– коэффициент потери напора на отдельных участках подполья, принимаемый по табл. 3.

Коэффициент

Поворот потока на 90 °

Обязательное

Расчет оснований при строительстве по способу стабилизации верхней поверхности вечномерзлых грунтов

1. При строительстве по способу стабилизации верхней поверхности вечномерзлого грунта (п. 3.27) глубина заложения фундаментов d, м, должна удовлетворять условию

h_th – 2 ³ d ³ d_f,n + 1, (1)

где h_th – глубина залегания верхней поверхности вечномерзлого грунта, м, на начало эксплуатации сооружения;

d_f,n – нормативная глубина сезонного промерзания грунта, м.

2. Расчет оснований фундаментов по несущей способности и деформациям следует производить в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83, СНиП 2.02.03-85 и настоящих норм.

Проверку фундаментов на устойчивость и прочность на воздействие сил морозного пучения грунтов необходимо производить согласно указаниям пп. 4.40 – 4.44, принимая расчетную глубину сезонного промерзания грунта d_f = d_f,n +1, м.

3. Требуемый температурный режим грунтов оснований обеспечивается холодным подпольем, модуль вентилирования которого М определяется по формуле (3) обязательного приложения 4, принимая среднегодовую температуру воздуха в подполье T_c,a, ° С, равной

где b _f – коэффициент, определяемый по графикам черт. 1 в зависимости от значений параметров x _f и y _f определяемых по формулам:

где t_u – расчетный срок эксплуатации сооружения, с (ч).

Остальные обозначения те же, что в формулах обязательного приложения 4.

4. Положение верхней поверхности вечномерзлого грунта под сооружением при принятой п. 3 расчетной температуре воздуха в подполье Т_с,а должно быть проверено расчетом по глубине оттаивания грунта под сооружением Н, определяемой в соответствии с указаниями п. 5 рекомендуемого приложения 8, принимая в формуле (15) этого приложения значение T_in = Т_с,а + 1,1 ° С и коэффициент a _R = 0.

В случае, если при полученной расчетом глубине оттаивания грунта Н (считая от поверхности вечномерзлого грунта), осадка основания превысит предельно допустимое для данного сооружения значение, следует предусматривать дополнительные мероприятия по регулированию глубины оттаивания основания.

Рекомендуемое

Расчет свайных фундаментов на действие горизонтальных сил и изгибающих моментов

1. При расчете свайных фундаментов на действие горизонтальных сил и изгибающих моментов следует рассматривать следующие расчетные схемы:

схема 1 – свая погружена в твердомерзлый грунт, глубина сезонного оттаивания которого d_th £ 5b, где b – размер поперечного сечения сваи в направлении действия горизонтальной силы; свая принимается жестко заделанной в вечномерзлый грунт в сечении на глубине 1,5b от его верхней поверхности, сопротивление вышерасположенных слоев грунта не учитывается, расчетная длина сваи l принимается равной d_th + 1,5b;

схема 2 – свая погружена в твердомерзлый грунт, глубина сезонного оттаивания которого d_th > 5b, условия заделки сваи в вечномерзлый грунт те же, что и в схеме 1, а вышерасположенные грунты рассматриваются, как линейно-деформируемая среда с коэффициентом постели, возрастающим пропорционально глубине; схему 2 допускается также принимать при d_th £ 5b, если сезоннооттаивающий слой сложен маловлажными крупнообломочными и песчаными грунтами, а также пылевато-глинистыми грунтами с показателем текучести в талом состоянии I_L ³ 0,75;

схема 3 – свая погружена в пластичномерзлый грунт, а также в случаях использования вечномерзлых грунтов в качестве основания по принципу II; окружающие сваю грунты рассматриваются как линейно-деформируемая среда с коэффициентом постели, возрастающим пропорционально глубине от поверхности грунта.

Расчет свай по указанным схемам следует выполнять в соответствии с указаниями СНиП 2.02.03-85 исходя из приведенной глубины погружения свай d’, определяемой по формуле

d’ = d a _e , (1)

где d – расчетная глубина сваи, равная d_th + 1,5b при расчетах по схеме 2 и равная фактической глубине погружения сваи при расчетах по схеме 3, отсчитываемая от поверхности грунта при высоком ростверке и от подошвы ростверка – при низком ростверке;

a _e – коэффициент деформации системы "свая – грунт", 1/м, определяемый:

в соответствии с требованиями СНиП 2.02.03-85 при расчетах по схемам 1 и 2, а также по схеме 3 в случаях, когда вечномерзлые грунты используются в качестве основания по принципу II;

по результатам полевых испытаний свай при расчете свайных фундаментов в пластичномерзлых грунтах по схеме 3; значение a _e в этом случае допускается определять по формуле (44) при условной стабилизации горизонтальных перемещений u_o испытываемой сваи.

Примечание. Расчет фундаментов опор мостов на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок следует производить в соответствии с требованиями СНиП 2.05.03-84 с учетом указаний п. 9.17.

Расчет свайных фундаментов на горизонтальные смещения, вызванные температурными деформациями ростверков, следует производить по схеме 2, принимая расчетную глубину погружения свай (считая от поверхности грунта до уровня жесткой заделки) по формуле

d = d_thn _a + b(1,5 + n _a ), (2)

где n _a – коэффициент влияния окружающего грунта, доли единицы, принимаемый по таблице в зависимости от значения a _e .

Глубина и скорость промерзания грунта и их влияние на процессы пучения

Связь пучения со скоростью, глубиной промерзания

1. Введение

Одними из наиболее значимых факторов, определяющих величину поднятия дневной поверхности (степень пучинистости) при промерзании грунтов являются глубина и скорость их промерзания.

Дневная поверхность грунта – жаргонный термин в строительной геологии, обозначающий поверхность современного рельефа. Можно заменить терминами: поверхность земли, уровень земли. В случае если на рассматриваемом участке выполнялась или будет выполняться планировка (насыпь или выемка грунта), то поверхность следует называть «уровень планировки»

Глубина и скорость промерзания грунтов зависит от большого числа факторов: значений отрицательной температуры наружного воздуха в зимний период, от продолжительности зимнего периода, от толщины и плотности снегового покрова и динамики изменения этих показателей в течении зимы, теплопроводности грунта, наличия теплоизолирующих покрытий (бывают как естественные, например, моховый или торфовый слой, так и искусственные), интенсивности воздействия солнечной радиации на конкретный участок поверхности, от смен холодной погоды на оттепели и от положения уровня грунтовых вод.

2. Скорость промерзания грунта

Увеличение объема грунта и величина подъема поверхности земли зависят от скорости промерзания, а скорость, в свою очередь, зависит от значений отрицательной температуры наружного воздуха и теплотехнических свойств грунта.

Экспериментально установлено, что чем меньше скорость промерзания, тем больше величина пучения и, наоборот, при больших скоростях промерзания грунт меньше увеличивается в объеме.

На величину вспучивания оказывает влияние и коэффициент фильтрации глинистого грунта, которой обусловливает подток капиллярной влаги к фронту промерзания. В образцах, замерзающих при большой скорости промерзания, визуально не наблюдается образования ледяных включений в виде прослоек и линз, следовательно, грунт незначительно ухудшает свои физические свойства при оттаивании.

При быстром промерзании в грунте не успевает накопиться влага, поступающая по капиллярам, поэтому он меньше проявляет пучение

При малой скорости промерзания грунта происходит формирование льдистой текстуры за счет постоянного притока влаги по капиллярам из нижележащих слоев талого грунта, сопровождающееся повышенным накоплением ледяных включений в нем. Такие грунты при оттаивании резко ухудшают свои физические свойства. Иногда грунты, имеющие твердую или пластичную консистенцию до промерзания, превращаются в текучее состояние после промерзания и оттаивания.

Наибольшее количество льда в грунтах природного сложения скапливается при промерзании грунта на глубину до 1-1,2 м так как на этих глубинах больше сказывается колебание отрицательной температуры наружного воздуха, например, при смене холодной погоды на оттепели, что позволяет накопить в структуре грунта больше влаги в виде льда

3. Глубина промерзания грунта

Значение глубины промерзания грунтов оказывает большое влияние на вспучивание дневной поверхности грунта. Например, в Забайкалье подъем поверхности грунта достигает 40 см при глубине промерзания суглинистого грунта 2,6-2,8 м, а сильнопучинистый суглинок в Московской области вспучивается на 15 см при глубине промерзания на 1,5 м.

Глубина промерзания грунта может в зависимости от региона РФ и локальных условий меняться в широких пределах: от 0 до 6 м. Максимальные значения глубины промерзания грунтов наблюдаются в Забайкалье, ближе к границе Монголии, преимущественно на песчаных и крупнообломочных грунтах и большей частью на северных склонах.

Наблюдениями за глубиной промерзания грунтов установлено, что влажные глины и суглинки промерзают заметно меньше, чем супеси, пески мелкие и пылеватые, а пески крупные и крупнообломочные грунты промерзают еще больше, чем супеси и пылеватые пески.

Чем более крупные частицы слагают грунт, тем больше будет глубина его промерзания при прочих равных условиях, однако крупнодисперсные грунты не подвержены пучению

Так как глубина промерзания зависит от действительно большого числа факторов, для начала разберемся что на этот счет говорится в нормативной литературе.

В нормативной документации на проектирование фундаментов рассматривается только глубина промерзания грунта. Эта величина рассчитывается по формулам в зависимости от среднемесячных температур в холодный период года и типа грунта без учета всех остальных факторов (не учитывается снеговой покров, солнечная радиация, свойства и влажность грунта и пр.).

Действующий на данный момент норматив в области проектирования фундаментов — СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений гласит:

СП 22.13330.2016 п. 5.5.1 Глубину заложения фундаментов следует принимать с учетом: …- глубины сезонного промерзания грунтов. Выбор оптимальной глубины заложения фундаментов в зависимости от указанных условий необходимо выполнять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов.

5.5.2 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, принимают равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов (по данным наблюдений за период не менее 10 лет) на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов.

При использовании результатов наблюдений за фактической глубиной промерзания следует учитывать, что ее следует определять в соответствии с ГОСТ 24847.

5.5.3 Нормативную глубину сезонного промерзания грунта d_fn, м, при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания не превышает 2,5 м, ее нормативное значение следует вычислять по формуле

, (5.3)

где d₀ — величина, принимаемая равной:

для суглинков и глин 0,23 м;
супесей, песков мелких и пылеватых — 0,28 м;
песков гравелистых, крупных и средней крупности — 0,30 м;
крупнообломочных грунтов — 0,34 м;

Мt — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за год в данном районе, принимаемых по СП 131.13330, а при отсутствии в нем данных для конкретного пункта или района строительства — по результатам наблюдений гидрометеорологической станции, находящейся в аналогичных условиях с районом строительства.

Значение d₀ для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. (прим. если промерзает несколько разных слоев то необходимо определять осредненное значение коэффициента d₀)

Нормативную глубину промерзания грунта d_fn в районах, где >2,5 м, а также в горных районах (где резко изменяются рельеф местности, инженерно-геологические и климатические условия), следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330.

5.5.4 Расчетную глубину сезонного промерзания грунта d_f, м, вычисляют по формуле

, (5.4)

где K_h — коэффициент, учитывающий влияние теплового режима сооружения, принимаемый для наружных фундаментов отапливаемых сооружений — по таблице 5.2; для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений K_h=1,1, кроме районов с отрицательной среднегодовой температурой;

d_fn — нормативная глубина промерзания, м, определяемая по 5.5.2 и 5.5.3.

В районах с отрицательной среднегодовой температурой расчетную глубину промерзания грунта для неотапливаемых сооружений следует определять теплотехническим расчетом в соответствии с требованиями СП 25.13330. Расчетную глубину промерзания следует определять теплотехническим расчетом и в случае применения постоянной теплозащиты основания, а также, если тепловой режим проектируемого сооружения может существенно влиять на температуру грунтов (холодильники, котельные и т.п.).
Для зданий с нерегулярным отоплением при определении K_h за расчетную температуру воздуха принимают ее среднесуточное значение с учетом длительности отапливаемого и неотапливаемого периодов в течение суток.

d_fn — нормативная глубина промерзания, определяемая по СП 22.13330.2016 не учитывает множественные факторы т.к. нормативы нацелены на получение наиболее надежного результата. Эта величина показывает насколько промерзает грунт на свободной от снега поверхности, не прогреваемой солнцем в течении всей зимы (под навесом). Реальная глубина промерзания будет меньше или такой же в зависимости от количества снега и солнечной радиации на поверхности

Для того, чтобы определить реальную глубину промерзания с учетом множества факторов, включая снеговой покров, солнечную радиацию и тепловой режим сооружения необходимо выполнить теплотехнический расчет. Теплотехнические расчеты сложны и трудоемки, а так же требуют большого количества исходных данных. Для отдельных случаев существуют упрощенные расчеты, некоторые из которых приведены в СП 25.13330. Вопросы теплотехники грунтов затрагиваются в этой статье.

4. Заключение

Для правильного учета сил морозного пучения и выбора мер по защите от его воздействия необходимо и достаточно верно определить глубину промерзания грунта. Для этого следует пользоваться расчетами, приведенными в нормативной литературе.

Учет скорости промерзания в расчетах невозможен из-за сложности определения этого показателя и его изменчивости.

Учитывать снеговой покров в надежде что он снизит глубину промерзания не следует, так как после возведения сооружения снег скорее всего будет переноситься ветром от одной части сооружения к другой и с наветренной стороны поверхность грунта будет оголена. Если же сооружение поднято над землей, то под ним будет оголенная поверхность без снега и с температурой наружного воздуха, что так же увеличит глубину промерзания.

Если глубина промерзания грунта больше 2,5 м и если среднегодовая температура в регионе отрицательная, то для определения нормативной глубины промерзания необходимо выполнять теплотехнический расчет.

Так же теплотехнический расчет следует выполнять если, например, применяется утепление грунта.

Для принятия решений по фундаментам используется расчетное значение глубины промерзания, которое в 1,1 больше нормативного для неотапливаемых сооружений и ниже нормативного для отапливаемых сооружений.

Читайте также: