Удельное нормальное давление пучения грунта на подошву фундамента

Обновлено: 14.05.2024

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И РАСЧЕТУ МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТАХ

Настоящие Рекомендации содержат основные положения по проектированию и расчету малозаглубленных фундаментов, возводимых на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах-основаниях с учетом восприятия деформаций морозного пучения. В них изложены методы выбора оптимальных конструктивных схем фундаментов в зависимости от степени пучинистости грунтов, методы расчета деформаций и сил морозного пучения грунтов, воздействующих на фундаменты, а также расчеты эксплуатационной надежности легких зданий с учетом жесткости их конструкций и назначения противопучинных мероприятий.

Рекомендации разработаны в лаборатории оснований и фундаментов на пучинистых грунтах НИИОСП докт. техн. наук В.О.Орловым совместно с канд. техн. наук В.С.Сажиным (ЦНИИЭПсельстрой Минсельстроя СССР) при участии докт. техн. наук М.Ф.Киселева, кандидатов техн. наук В.Г.Буданова, А.В.Садовского, А.Н.Скачко, инж. Р.В.Жабровой и В.Г.Морозова.

Рекомендации одобрены секцией "Фундаментостроение на мерзлых грунтах" научно-технического Совета НИИОСП и рекомендованы к изданию.

Рекомендации предназначены в качестве практического пособия при изысканиях, проектировании и строительстве малоэтажных зданий и сооружений и выпущены взамен "Руководства по проектированию мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах" (ЦНИИЭПсельстрой, М., 1982).

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем в фундаментостроении является дальнейшее обоснование и разработка экономичных проектно-конструкторских решений по устройству оснований и фундаментов на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах.

Решение данной проблемы неразрывно связано с учетом и предупреждением воздействий морозного пучения грунтов основания на фундаменты и конструкции зданий и сооружений. Обоснованная оценка деформаций и сил морозного пучения грунтов, глубина заложения фундаментов, а также разработка противопучинных мероприятий и приспособление конструкций сооружений к работе в пучинистых грунтах - вот тот необходимый перечень основных задач, решение которых обеспечивает устойчивость, эксплуатационную надежность и долговечность сооружений.

Широко распространенным в практике строительства мероприятием, обеспечивающим устойчивость сооружений (зданий) на пучинистых грунтах, до настоящего времени является заложение фундаментов ниже расчетной глубины сезонного промерзания. Если для зданий I и II классов глубина заложения фундаментов, исходя из расчетного давления на основание, назначается, как правило, большей, чем глубина сезонного промерзания грунтов, то для малоэтажных легких зданий III класса глубина заложения фундаментов при расчете основания по двум группам предельных состояний может быть ограничена слоем сезоннопромерзающего грунта.

Настоящие Рекомендации разработаны с целью развития и дополнения к требованиям главы СНиП 2.02.01-83 [1], согласно которой глубину заложения фундаментов допускается назначать независимо от расчетной глубины промерзания, если специальными исследованиями и расчетами установлено, что деформации грунтов основания при их промерзании и оттаивании на данной площадке не нарушают эксплуатационную пригодность здания. При этом они направлены на снижение материалоемкости и стоимости малоэтажных зданий за счет применения так называемых малозаглубленных фундаментов с глубиной заложения в пределах слоя сезоннопромерзающего пучинистого грунта, а также за счет снижения объема работ нулевого цикла.

Предлагаемые расчеты и конструктивные решения предусматривают использование пучинистых грунтов основания по второй группе предельных состояний, т.е. по деформациям от морозного пучения, не превышающим величин, предельно допустимых для нормальной эксплуатации зданий.

Для реализации принципа расчета малозаглубленных фундаментов по деформациям пучения в Рекомендациях приводится методика, основанная на исследовании закономерностей деформаций и сил морозного пучения грунтов и совместной работы фундаментов и оснований.

Согласно этой методике при расчете деформаций морозного пучения учитываются как изменения физических свойств промерзающего грунта и соответственно величины его деформаций в зависимости от передаваемого на основание давления, так и характер изменения сил морозного пучения в результате перемещений фундамента до предельно допустимых величин. Кроме того, методика учитывает тип и размеры фундамента, жесткость конструкций зданий и т.п.

Выбор типа и конструкции фундамента, как и назначение противопучинных мероприятий должны решаться путем сравнения вариантов фундаментов на основе технико-экономического анализа с учетом конкретных условий строительства, включая геологические и гидрогеологические условия, обусловливающие степень пучинистости промерзающих грунтов.

В основу Рекомендаций положены обобщенные результаты многолетних экспериментальных исследований морозного пучения грунтов и его воздействий на сооружения с использованием передового опыта экспериментального строительства зданий на малозаглубленных фундаментах.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Рекомендации разработаны в развитие главы СНиП 2.02.01-83 "Основания зданий и сооружений" и предназначены для расчета, проектирования и устройства малозаглубленных фундаментов под одно- и двухэтажные жилые, общественные и промышленные здания (сооружения), преимущественно сельскохозяйственного назначения, возводимые на пучинистых грунтах-основаниях с нормативной глубиной сезонного промерзания грунтов до 1,7 м.

1.2. Настоящие Рекомендации допускается использовать в качестве практического пособия при нормативной глубине сезонного промерзания пучинистых грунтов более 1,7 м, если малозаглубленные фундаменты проектируются для экспериментального строительства.

1.3. Рекомендации предусматривают расчет и проектирование морозоопасных оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям), согласно которой рассчитываются как осадки основания, так и его деформации от морозного пучения грунта, промерзающего под фундаментом.

Расчет деформаций основания от внешней нагрузки, вызывающей осадки, просадки, горизонтальные перемещения, производится в соответствии с главой СНиП 2.02.01-83.

1.4. Деформации основания, вызванные пучением грунта под подошвой фундамента, не должны превышать предельно допустимые деформации, величина которых зависит от конструктивных особенностей зданий.

Расчет морозоопасного основания по деформациям включает обязательную проверку эксплуатационной надежности здания при действии на фундаменты касательных сил морозного пучения.

1.5. Основным требованием, ограничивающим возможность использования морозоопасных оснований по деформациям морозного пучения, является выбор строительной площадки с грунтами, однородными по составу в плане площадки и по глубине той части сезоннопромерзающего слоя, которая проектируется в качестве основания.

1.6. Проектированию зданий на пучинистых грунтах должны предшествовать обоснованные результаты инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий на участках строительства, способные обеспечить достоверный многолетний прогноз деформаций промерзающих грунтов основания и назначение необходимых противопучинных мероприятий. Материалы изысканий должны также содержать климатологические данные о районе строительства, включая нормативную глубину сезонного промерзания [1].

1.7. При проектировании оснований и фундаментов на пучинистых грунтах необходимо предусмотреть мероприятия, направленные на уменьшение деформаций конструкций зданий. Прочность и долголетняя эксплуатационная надежность зданий на пучинистых грунтах достигается использованием комплекса инженерно-мелиоративных (тепло- и гидромелиорация), строительно-конструктивных и физико-химических мероприятий, при назначении которых следует исходить из требований, приведенных в руководствах 3.

1.8. Настоящие Рекомендации содержат сведения по выявлению и расчету деформаций и сил морозного пучения грунтов.

В условиях возможного проведения в течение ряда лет полевых исследований пучинистых свойств промерзающих грунтов на площадках, близких к участкам застройки, следует учитывать рекомендации, приведенные в Руководстве [4]. При этом деформации морозного пучения грунтов определяются посредством инструментальных наблюдений за положением поверхностных и глубинных реперов (марок), а также пучиномеров согласно инструкциям, разрабатываемым ведомственными НИИ, и детального обследования территории застройки.

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

2.1. Под малозаглубленным фундаментом на морозоопасном основании (естественном, искусственном, уплотненном и т.п.) понимается любой тип фундамента, глубина заложения которого не превышает нормативную глубину промерзания пучинистого грунта основания. При этом предусматривается, что вертикальная нагрузка от сооружения передается только на основание под подошвой фундамента.

2.2. Основания, подвергающиеся сезонному промерзанию-оттаиванию, должны проектироваться с учетом морозного пучения грунтов. Под морозным пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие замерзания в них воды и образования ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.п. При последующем оттаивании в этих грунтах протекает обратный процесс, сопровождающийся их осадкой, разуплотнением и снижением несущей способности. Таким образом, при проектировании зданий на малозаглубленных фундаментах необходимо учитывать сезонные знакопеременные деформации основания, проявляющиеся в виде подъема и оседания его поверхности.

Морозное пучение выражается, как правило, в неравномерном поднятии слоя промерзающего грунта, причем напряжения, возникающие в грунте при пучении, оказывают существенное воздействие на фундаменты и наземные конструкции зданий.

2.3. Характеристиками пучинистых грунтов являются:

величина (деформация) морозного пучения , представляющая собой высоту поднятия промерзшего грунта в данной точке;

интенсивность пучения , характеризующая пучение элементарного слоя промерзающего грунта;

относительное пучение (или коэффициент пучения) , определяемое по формуле

где - мощность слоя промерзающего грунта.

2.4. При назначении глубины заложения фундаментов, исходя из условия влияния морозного пучения на эксплуатационную надежность зданий, следует учитывать, что интенсивность этого процесса зависит от таких факторов, как дисперсность и плотность грунта, его влажность и глубина залегания подземных вод, температурный режим в период его промерзания и нагрузка, передаваемая на фундамент. В зависимости от указанных факторов все грунты подразделяются на пучинистые и непучинистые.

2.5. К пучинистым относятся все глинистые грунты, пески мелкие, пылеватые, а также крупнообломочные грунты, содержащие глинистый заполнитель в определенном количестве (см. п.2.7).

Крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых фракций, считаются непучинистыми грунтами при любом уровне безнапорных подземных вод; при водонасыщении этих грунтов в условиях замкнутого объема они относятся к группе слабопучинистых грунтов.

2.6. По степени пучинистости все глинистые грунты подразделяются на пять групп (табл.1). Принадлежность глинистого грунта к одной из этих групп оценивается параметром , определяемым по формуле

где , , - расчетные значения влажности в слое сезонного промерзания грунта, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести, доли ед.; значение определяется по прил.1;

- критическая влажность, доли ед., ниже значения которой в промерзающем глинистом грунте прекращается перераспределение влаги, вызывающей морозное пучение; определяется по графику рис.1;

- безразмерный коэффициент, численно равный при открытой поверхности промерзающего грунта абсолютному значению средней зимней температуры воздуха, определяемой в соответствии с главой СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика", а при отсутствии в ней данных для конкретного района строительства - по результатам наблюдений ближайшей гидрометеорологической станции.

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действуют СНиП 23-01-99, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

Классификация промерзающих глинистых грунтов по степени пучинистости

А как же быть с давлением морозного пучения при замерзании? (Ведь сваю будет выдергивать). Ростверк заказчик хочет низкий, но я буду настаивать на высоком.

Я везде встречаю надписи, что необходимо конструктивными мероприятиями исключить силы морозного пучения. Но как конкретно это сделать - не представляю.

Есть очень интересные надписи - СП 50-101-2004, СП 50-102-2003, СНиП 2.02.03-85, СНиП 2.02.01-83*. Абсолютно все понятно описано.

касасемо выдергивания сваи силами морозного пучения - вообще-то любой фундамент будет испытывать на себе силы морозного пучения. Вопрос только в том, где располагается подошва фундамента - ниже или вышел глубины промерзания. Тогда или весь фундамент выдавливает наверх либо часть фундамента будет тащить наверх.
Но отчего-то люди забывают, что на сваю действуют вдавливающие нагрузки от здания, причем порядок этих нагрузок выше сил морозного пучения.
В качестве мер борьбы с морозным пучением можно предложить частичную замену грунта вокруг свай на песок (тем самым резко снижаем трение пучящегося грунта о ствол сваи) и применение демпфирующей прокладки (банально пенополистирол) между ростверком и грунтом. Во время пучения прокладка будет обминаться.
Здесь я больше вижу вопрос в проектировании собственно ростверка, на который будет снизу давить грунт при пучении.

проектировщик ж/б, ОиФ

Но отчего-то люди забывают, что на сваю действуют вдавливающие нагрузки от здания, причем порядок этих нагрузок выше сил морозного пучения.

Эээээ. Батенька! Тут вы не правы, силы морозного пучения как раз на порядок больше нагрузок от любого(почти) сооружения, поэтому их так и боятся А пучение снизить можно обмазкой сваи составом снижающим сцепление с грунтом, раньше мазали битумом, сейчас если поискать можно и поинтересней состав найти. Можно и песочком обсыпать, только как его хорошо трамбонуть? Чтобы свая как карандаш в стакане не болталась, особенно при нормальной гор.силе? Смотря какая глубина промерзания, как вариант можно и утеплить. Но опять же, как было сказано выше, надо не за сваи беспокоиться, а за ростверк!

С ростверком проблем нет - я его поднимаю над землей на величину осадки плюс 300мм.
Сваю забиваю ниже глубины промерзания.
А по поводу сил морозногопучения - я предполагал, что есть расчетные формулы, учитывающие дополнительные нагрузки при оттаивании пучинистого грунта (ведь при оттаивании грунт проседает и через боковую поверхность давит на сваю). Для набухающих грунтов я порядок расчета нашел, для пучинистых - нет.

пинайте меня, пинайте.
но буду стоять на своем, ибо есть опыт строительства и собственноручно считал силы морозного пучения по МГСНам.
а ежели силы морозного пучения на порядок выше нагрузок на сваи от веса здания, то в сваях будут возникать растяжение от сил морозного пучения. это уже будет из области фантастики - ибо на протяжении глубины промерзания - порядка 1,5 метров для Москвы и периметре сваи порядка 1,6 м(0,4х0,4) будет развиваться силы трения больше 70-150 тс.
вопрос о частичной замене грунта - не песком обсыпать тело сваи, а после забивки именно заменить частично грунт вокруг свай. уплотнить его в таком случае - не проблема, не сильно отличается процесс от обратной засыпки грунта.

проектировщик ж/б, ОиФ

Это понятно что ниже, если вы конечно не в антарктиде строите

учитывающие дополнительные нагрузки при оттаивании пучинистого грунта (ведь при оттаивании грунт проседает и через боковую поверхность давит на сваю).

А такое решение: бурим сважину на глубину промерзания (в моем случае это 3,2 м) диаметром примерно 500мм, опускаем туда сваю, забиваем на 5м. Пространство вокруг сваи засыпаем песком (или чем-то, что не пучинистое, не набухающее и тюдю). Итого получается: Свая длиной 9м на 5м работает как висячая, а выше работает как колонна. Что скажете?

Отвечал на вопросы экспертизы, в проекте не указаны характеристики грунта для обратной засыпки. Основание сложено пучинистыми грунтами. В результате эксперты написали что расчет здания выполнен неверно, потому как в расчете не учтены силы морозного пучения грунта, оказывающие сильное давление на монолитные стены подвала.

Само здание 14 этажей, свайно-плитный фундамент. Свайное поле 12 метровые сваи с шагом 1,5-1,65 м, объеденены монолитным ростверком (плитой) толщиной 800 мм.

Вопрос с пучением, то решили, но стало интересно, какого порядка силы пучения фактически возникают, и относиться ли подобна нагрузка к длительной (п 1.7 М СНиП 2.01.07-85*) или особой (п 1.9 Г СНиП 2.01.07-85*). В нормтивной документации как количественно оценить эти усилия не нашел почему то. может смотрел невнимательно?

Забавно. В докумекнте приводятся расчеты
1 на действие касательных сил морозного пучения на фундамент (при глубине заложения фундамента ниже глубины промерзания)
2 На совсестное действие касательных и нормальных сил морозного пучения на фундамент (при глубине заложения фундамента ниже глубины промеразния)

Ничего про воздействие нормальных усиилий на стены фундаментов я не вижу. Фактически грунт "выпучивается" наверх и тянет здание за собой.

Стоит ли считать вопрос экспертов бредом? Очень жду ценных мыслей

>Regby
Если нужна отписка от эксперта то СНиП 2.02.01 п.14.3. Нет там такого вида воздействия на фундаменты как горизонтальные силы морозного пучения. Нормальные к подошве есть, касательные вдоль боковой поверхности есть, относительная деформация основания есть. а горизонтальных сил нет. Пусть эксперт обоснует свое требование.

20.21. Ответ на замечание эксперта, что не требуется учитывать в расчетах влияние пучинистости грунтов, не обоснован. Пучинистость оказывает значительное боковое давление на наружные стены подвала, расположенные выше уровня глубины промерзания. Эти силы бокового давления в расчетах не учтены и поэтому стены подвала не отвечают нормативным требованиям по конструкционной безопасности см. п4.1. СНиП 52-01-2003

Прошу высказать свое мнение по сему замечанию. Лично я не очень понимаю как морозные силы пучения могут повлиять на здание высотой 14 этажей со свайным полем 12-ти метровых свай

Действительно странный какой то вопрос у экспертов. Никогда про такие воздействия от пучения не слышал

>Regby
Так и отвечай : Согласно СНиП 2.02.01 п.14.3 такой вид воздействия как "боковое давление" отсутствует. Т.к. в нормативной литературе отсутствует понятие "бокового давления сил морозного пучения", сл-но расчет на него не производился.

shnn, меня больше интересует не ответ эксперту, а вообще существует ли подобное давление и насколько оно интенсивно на конструкцию фактически. И вообще мнение форумчан по этому вопросу. Ибо данный вопрос мне показался несколько бредовым, может я ошибаюсь?

При возникновении сильных сомнений в корректности замечания нужно организовать встречу с экспертом - по закону это допустимо. И очень тонко и тактично пообщаться с ним, чтобы понять, есть ли под его мыслью великая уверенность. Если это чувствуется, нужно попросить его пояснить, НА ЧТО нужно опираться в расчетах.
Недавно один эксперт, при разговоре о расчетных длинах в МК-системах вытащил из ящика стола конспекты (студенческие) и со словами "Есть такой Беленя. " начал обосновывать свои мю.

в том то и дело. Данная экспертиза не государственная, а "как бы является независимой. Но "замечания" вызвали сильные сомнения в компетентности экспертов. Фактически идет драка. Экспертиза выдает заключение о том что запроектированное здание не соответсвтует требованиям безопасности долговечности и норм. Проект не мой, и в нем есть ошибки оформления, но на мой взгляд говорить о том что данное здание упадет невозможно.

Сторона выполнившая проект с пеной у рта доказывает что проект выполнен верно, а экспертиза обратное.

Вот я и решил поделиться сомнениями по поводу данного вопроса - есть ли в нем рациональное зерно.

Думаю существует, но не очень значительное. В руководстве есть примеры расчетов. Там порядок сил на столбчатый ф-т 500х500 десятки тонн. По поводу стены. Силы морозного пучения есть в глинистых грунтах(и некоторых других), но при определенной степени водонасыщения. Непосредственно вблизи здания наверняка есть водоотвод(дренаж, отмостка), поэтому думаю наврядли они появятся.
Никогда не слышал и в литературе горизонтальных сил не видел.

shnn, насколько я понял в приведенной вами литературе расчитываются касательные силы на стенки направленные вертикально вверх. Т.е. "выдергивающие" здание из земли. А не силы действующие нормльно к плоскости стены. Я не прав?

Геотехника. Теория и практика

Regby - ты прав и вот почему.
Силы морозного пучения всегда действуют по направлению градиента температуры, т.е. по вертикали. Соответственно в этом направлении в процессе замерзания грунта происходит миграция влаги, приводящая к увеличению объема грунта. Задачка в данном случае одномерная, но если посмотреть на этот же процесс в горизонтальном направлении, то градиента температуры в любой ее плоскости практически нет - внутренние силы в этом направлении уравновешиваются.
Касательные силы морозного пучения, направленные по стенке вертикально вверх - по градиенту температуры, безусловно будут, но величина их не настолько думаю велика, чтобы повлиять на 14-ти этажное здание .

AMS, Спасибо, за разъяснение. Сомнений в том что касательные силы морозного пучения не могут выдернуть из земли 14ти этажное здание с полем из 12-тим емтровых свай не было даже у экспертизы. Смутило именно это "горизонтальное" воздействие на стены. Сначала мне стало смешно, а потом живо представила картина рушащейся кому нибудь на голову стены подвала (толщиной 300 мм на бетоне B25 с армированием d12 - 200)

В общем делаю вывод о некомпетентности экспертов.
Спасибо.

При прохождении активной зоны промерзания сверху вниз расширение грунта вширь должно быть существенным для поверхностных слоев, но по мере образования окончательно промерзшего верхнего слоя активный слой будет сцепляться с этим прочным и жестким слоем, и в силу своей слабости расширится уже меньше. И так дальше вглубь. В итоге эпюра давлений на стенку подвала будет представлять из себя быстро угасающую кривую.
Думается, такие силы действительно имеют место быть, и скорее не такие уж и незначительные, но они просто плохо изучены и в нормы не вошли. Классическое понятие пучения - подъем поверхности земли, от этого пляшут, какжется, все пученауки.
Расширение все же объемное.
Если взять за модель одновременно промерзающий земной шар целиком , то позже образовавшиеся нижние слои должны разорвать верхние, т.е. будет наблюдаться не давление на стенку, а оттягивание стены в грунт примерзшими верхними слоями .

Теоретически градиет температур существует и в горизонтальном направлении : помещение подвала с температурой +18 -> стена пдвала с температурой > температуры грунта -> температура грунта. Однако в этом случае должен происходить не подсос свободной влаги, а ее ОТСОС от плоскости стены подвала. Т.е. если и будет на нее дополнительная нагрузка, то не направленная внутрь здания, а от него.
Размышления чисто теоретические, т.к. со случаями сколь нибудь существенного горизонтального давления от пучения не сталкивался.
Критика всего вышеизложенного приветствуется :good:

проще внести изменение в проект и написать, что обратная засыпка выполняется непучинистым грунтом, чем бодаться с экспертом, который судя по замечанию мягко сказать некомпетентен или не может правильно написать замечание, вполне возможно что он путает боковое давление с усилием по боковой поверхности стены, а может это и имеет в виду

Сравнение методик расчета фундаментов на морозное пучение

Сравнение различных методик расчетов на пучение

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

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

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

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

Схема воздействия касательных сил морозного пучения на фундамент анкерного типа

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

Схема воздействия лобовых и касательных сил морозного пучения на фундамент

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

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

Схема воздействия лобовых сил морозного пучения

2. Основные методики расчетов на морозное пучение

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

[1] «Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей» НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1980 г
[2] Доклад «Основные результаты исследования влияния антикоррозионных покрытий на несущую способность свайных фундаментов в мерзлых грунтах» ОАО «Фундаментпроект»;
[3]серия 1.411.3-11см.13 Свая металлическая трубчатая «СМОТ» (с покрытием «Reline»).
[4] «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах» 1979г;
[5]ТСН МФ-97 МО «Проектирование, расчет и устройство мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных жилых зданий в Московской области»;
[6] «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ»;
[7] «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»;
[8]СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
[9]СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для фундаментов, имеющих вертикальные грани:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

7. Сравнение результатов расчета на пучение по рассмотренным методикам

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

Таблица 2. Принятые для расчетов типы фундаменов

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

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

Результаты расчетов сведены в таблицу:

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

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

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

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

8. Заключение

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

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

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

Самостоятельно выполнить расчеты Вы можете воспользовавшись расчетным файлом по ссылке.

В расчетном файле красным шрифтом в разделе «Исходные данные» выделены те цифры, которые Вам необходимо заменить на свои. Так же необходимо выбрать тип грунта и другие параметры из выпадающих списков. Всё остальное вычисляется автоматически.

При задании расчетных формул и коэффициентов использованы сведения из следующих источников:

[1] Рекомендации по снижению касательных сил морозного выпучивания фундаментов с применением пластических смазок и кремнийорганических эмалей НИИОСП им. Н.М. Герсеванова 1980 г
[2] Доклад «Основные результаты исследования влияния антикоррозионных покрытий на несущую способность свайных фундаментов в мерзлых грунтах» ОАО «Фундаментпроект»;
[3] серия 1.411.3-11см.13 Свая металлическая трубчатая «СМОТ» (с покрытием «Reline»).
[4] «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г»;
[5] ТСН МФ-97 МО «Проектирование, расчет и устройство мелкозаглубленных фундаментов малоэтажных жилых зданий в Московской области»;
[6] «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ»;
[7] «Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83»;
[8] СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
[9] СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»

Данную литературу можно найти в разделе НОРМАТИВЫ.

Коэффициенты снижения касательных сил морозного пучения за счет покрытия поверхности во всех расчетах примерно одинаковы и собраны из разных источников:

Без обработки — K_af =1;
Окраска кремнийорганической эмалью — K_af =0,7 [1];
КО эмаль+смазка БАМ-4 и ПЭ пленка — K_af =0,45 [1];
Оболочка термоусаживаемая типа «Релайн» — K_af =0,6 [3];
Любое лакокрасочное покрытие с гладкой поверхностью и сроком службы более 20 лет — K_af =0,8 [2];
Засыпка пазух шириной 20 см непучинистым материалом — K_af =0,6 [5];
Засыпка пазух шириной 40 см непучинистым материалом — K_af =0,45 [5];
Засыпка пазух шириной 60 см непучинистым материалом — K_af =0,35 [5];
Засыпка пазух шириной 0,25-0,5 м у подошвы и шириной равной d_fn на уровне поверхности непучинистым грунтом — K_af =0,1 [4]; (* в источнике коэффициент не указан, однако в [6] при ширине пазух, заполненных непучинистым грунтом более 0,2 м для глубины промерзания 1-1,5 м и 0,3 м для глубины промерзания 1,2-2,0 м касательное пучение считается полностью исключенным (расчет на пучение не выполняется), поэтому принят эмперический коэффициент 0,1).
Уклон граней обратный, более 1,5° — K =0,7 кроме варианта фундамента с покрытием КО эмаль+смазка БАМ-4 и ПЭ пленка — для этого варианта K =0,5 [1].

Сравнение и описание методик расчета можно посмотреть в этой статье.

Нормативный вес фундамента в расчетах вычисляется из предположения, что фундамент прямоугольной формы и его подошва имеет только одну ступень, материал фундамента – тяжелый бетон с плотностью 2,5 Т/м3.

Хотя ни в СП 22 ни в СП 25 об этом ничего не сказано, но для анкерных фундаментов дополнительно в расчетах учитывается вес грунта на свесах подошвы фундамента вычисленная как площадь свесов, умноженная на глубину заложения за вычетом толщины плитной части фундамента. Плотность грунта обратной засыпки принята 1,6 т/м3. Указания по учету грунта на свесах можно найти в [6].

Если рассчитывается свая или фундамент без уширения на пучение, то следует задавать толщину плитной части раной 0, а размеры подошвы равными размеру стоечной части фундамента.

В расчетном файле расчет по [4] «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» скорректирован следующим образом — трение боковой поверхности фундамента о талый грунт принято по СП 24.13330.2011.

При создании файла использовалась программа Microsoft Exel 2013. Более ранние версии могут открыть файл некорректно (не проверял).

Читайте также: