Использование пучинистых грунтов
сезонного промерзания в качестве оснований
для малоэтажных зданий и подземных сооружений
в регионах Сибири
И.Н. Любчич,
генеральный директор
ОАО ТПИ "Омскгражданпроект"
Р.Ш. Абжалимов,
начальник АПМ-3
ОАО ТПИ "Омскгражданпроект",
кандидат технических наук,
член РОМГГИФ
На более чем 85% территории России глубина сезонного промерзания грунта превышает 1,4 метра и достигает 4,5 м в районах Забайкалья. Абсолютное большинство грунтов, залегающих в пределах этой глубины, являются пучинистыми.
Более чем вековой отечественный опыт строительства фундаментов в суровых природно-климатических условиях России привел к пониманию со стороны инженеров-строителей и ученых того, что основание под фундаментами нельзя промораживать, ибо последствия для устойчивости зданий и сооружений будут непредсказуемы. Поэтому в действующих нормативно-технических документах регламентируется заложение подошвы фундаментов ниже расчетной глубины сезонного промерзания грунтов, а весь расчет фундаментов сводится к проверке их устойчивости на действия касательных сил морозного пучения.
Однако эти требования существующих норм при строительстве малоэтажных зданий во многих случаях оказываются не эффективными в части обеспечения их устойчивости от касательных сил морозного пучения из-за недостаточного веса зданий и экономически нецелесообразными, так как стоимость устройства фундаментов составляет до 40% от общей стоимости объекта.
Поэтому, начиная с шестидесятых годов прошлого века, научно-техническая мысль многих отечественных ученых и специалистов направлена на разработку научно обоснованных методов расчета малоэтажных зданий и подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях.
В Северной Америке и скандинавских странах используют для исключения промерзания и морозного пучения грунтов эффективный утеплитель из экструдированного пенополистирола, выдерживающего давления 200-700 кПа и сохраняющего свои теплотехнические качества в обводненных грунтах. В настоящее время такой утеплитель в России еще не производится, применение импортного не нашло широкого распространения в фундаментостроении из-за высокой его стоимости с учетом транспортных расходов.
Более чем 25-летний опыт научных исследований в натурных и лабораторных условиях взаимодействия пучинистых грунтов с конструкциями ленточных и столбчатых фундаментов малоэтажных зданий, с конструкциями подземных пешеходных переходов в г. Омске и анализ известных научных исследований взаимодействия пучинистых грунтов с мелкозаглубленными фундаментами [1,2] – М.Ф. Киселев, [3]– Н.А. Перетрухин, [4] – В.Б. Швец, [5] – В.О. Орлов и др., [6] – В.С. Сажин и др. – позволили нам впервые предложить и научно обосновать гипотезу распределения нормальных сил морозного пучения по площади подошвы фундаментов и твердомерзлого слоя грунта под ним для плоской и пространственной задач распределения напряжений в грунте от здания и сооружения при непрерывном перемещении последних от сил морозного пучения.
Наша гипотеза основана на общеизвестных научно доказанных фактах, таких как:
нормальные силы морозного пучения пропорциональны степени пучинистости грунтов;
степень пучинистости грунтов обратно пропорциональна давлению;
степень пучинистости грунтов прямо пропорциональна их влажности;
по закону равновесия суммарное значение нормальных сил морозного пучения по площади подошвы фундамента и твердомерзлого слоя грунта под ним равно суммарному значению напряжений в грунте от внешних нагрузок.
Условия равновесия выразятся для ленточных фундаментов (плоская задача) по формуле:
То же, для прямоугольного столбчатого фундамента (пространственная задача):
где Pzi и Pпi – соответственно, напряжения в грунте под фундаментами и нормальные силы морозного пучения, кПа.
N – нагрузка на уровне подошвы фундамента, кН от здания (сооружения).
Fpzi и Fpпi – соответственно, площади эпюр напряжений и нормальных сил морозного пучения под ленточными фундаментами;
Vpzi и Vpпi – соответственно, объемы эпюр напряжений и нормальных сил морозного пучения под фундаментами.
– определить границы разрушения твердомерзлого слоя грунта под фундаментами, соответственно, распределение напряжений от фундамента на поверхность пластичномерзлого слоя грунта по глубине промерзания;
– определить дополнительные усилия, передаваемые на фундаменты от сил морозного пучения;
– определить послойное морозное пучение грунтов под фундаментами от давления.
Очевидно, формулы (1-4) будут справедливы и для свайных фундаментов с учетом дополнительных удерживающих сил
от анкеровки их сваями в грунт.
Отметим, что динамическая составляющая нормальных сил морозного пучения, характеризующая скорость пучения,
как показано нами [7] – Р.Ш. Абжалимов, ничтожно мала.
Как известно, использование пучинистых грунтов сезонного промерзания в качестве оснований под малоэтажные
здания и подземные сооружения предопределяет совместную работу фундаментов и зданий (и сооружений).
Для установления расчетных схем взаимодействия пучинистых грунтовых оснований с конструкциями подземных
сооружений и малоэтажных зданий нами проведены натурные исследования деформаций 8 подземных пешеходных
переходов в течении 3-5 лет, выполнено около десяти тысяч измерений, в результате этой работы получена
зависимость прогиба отдельных участков от величины пучения при определенной изгибной жесткости
этих участков с различной вероятностью точности, которая выражается по формуле:
где hп – величина морозного пучения участка, мм;
f – прогиб (выгиб) участка, мм;
a, b – экспериментальные коэффициенты, принимаемые необходимой для расчетов вероятностью;
(EJ) – изгибная жесткость проектируемого здания (сооружения), кН*м2
Аналогичные исследования проведены с опорами теплотрассы из 2-х труб диаметром 716 мм и общей протяженностью 4,5 км. [9].
Эти исследования позволили нам предложить расчетную схему для определения усилий в фундаментах и зданиях (сооружениях) при неравномерном морозном пучении оснований, которая представляет из себя полубесконечную неразрезную балку на оседающихся (пучащихся) опорах, где величина пучения (оседания) опор равно прогибу (f) из выражения (5). На основе этого нами запатентованы несколько изобретений и получены свидетельства на полезные модели.
Конструкции подземных сооружений значительно отличаются от конструкций фундаментов малоэтажных зданий: их ширина несколько раз превышает глубину промерзания грунтов, их гибкость на 1-2 порядка больше, чем у малоэтажных зданий, поэтому влияние твердомерзлого слоя грунта под ними на перераспределение напряжений в грунте от подземного сооружения минимальное. Таким образом, считается распределение напряжений в грунте от подземных сооружений и нормальные силы морозного пучения идентичными, за исключением опорной части под наружными стенами.
Как показывают наши многолетние исследований [8], наибольшие усилия в конструкциях подземных сооружений вызывает вес смерзаемого с наружными стенами грунта при непрерывном морозном пучении основания, которые составляют более 70% от постоянных временных нагрузок на сооружение. Нами запатентован способ определения сил смерзания грунта обратной засыпки со стенками подземного сооружения при непрерывном морозном пучении основания, который позволяет выполнить расчеты на прочность и трещиноустойчивость подземных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях.
С использованием наших патентов на изобретения и свидетельств на полезные модели построены в городе Омске десятки подземных переходов, резервуар на 10000 м3 для питьевой воды, деcятки подстанций, хозблоков, гаражей, каркасные здания на свайных фундаментах с монолитным ростверком на пучинистых грунтовых основаниях в городе Омске и Ханты-Мансийске, реализуется проект отстойников очистных сооружений на пучинистых грунтовых основаниях в г. Ханты-Мансийске.
Наши разработки демонстрировались на выставках в г. Тюмени в мае 2002 года и июне в г. Омске, получили высокую оценку со стороны Российской Академии по архитектуре и строительным наукам. Сотрудники института награждены дипломами за победу в конкурсе научно-технических разработок в 1999 году.
Более чем 25-летний накопленный опыт научных исследований, проектирования и строительства объектов на пучинистых грунтовых основаниях сезонного промерзания позволяет нам говорить о необходимости перехода от экспериментального проектирования единичных объектов к широкомасштабному проектированию, с учетом различных климатических и инженерно-геологических условий каждого региона Западной и Восточной Сибири, которое позволит значительно сберечь финансовые средства местных бюджетов, основных инвесторов строительства объектов охраны окружающей среды (различные очистные сооружения), транспортной инфраструктуры, жилищно-гражданского строительства. Снижение затрат по подземным сооружениям достигает 7-30%, малоэтажным зданиям до 15%, а по свайным фундаментам – 1 -1,5%.
Разработка территориальных строительных норм ТСН с использованием пучинистых грунтов сезонного промерзания в качестве оснований позволит избежать "лукавых" рекомендаций действующих строительных норм, соответственно, проектировщиков, по защите оснований в процессе производства от промерзания путем их утепления (без указания материала, толщины и защиты его от увлажнения в процессе строительства), а также исключить всякие антипучинистые обмазки, обработку грунта химическими реагентами, устройство зазора между ростверком свайного фундамента и пучинистым грунтом и т.д.
Кроме того, утверждение ТСН по проектированию малоэтажных зданий и подземных сооружений позволит:
– юридически оформить достигнутый уровень научно-технических разработок и их экономической эффективности в этой области на период утверждения;
– органам вневедомственной экспертизы проектов и контроля качества строительства руководствоваться этими нормативами.
Срок окупаемости ТСН с учетом предлагаемых нами инновационных решений составляет на первом же объекте проектирования для подземных сооружений и свайных фундаментов! А для малоэтажных зданий при общей площади строительства десять тысяч квадратных метров в год на первом же году использования их.
Литература:
1. М.Ф. Киселев. Расчет нормальных сил морозного выпучивания фундаментов. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1963, №5
2. М.Ф. Киселев. Мероприятия против деформации зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов. М., 1971 г.
3. Морозное пучение грунтов и способы защиты сооружений от его воздействия. Под ред. Н.А. Перетрухина, Транспорт, 1967 г.
4. В.Б. Швец. Указания по обеспечению устойчивости фундаментов в условиях морозного пучения оснований на Урале. Изд. Треста Оргтехстрой Главсреднеуралстроя, Свердловск, 1967 г.
5. В.О. Орлов, Б.Б. Ёлгин, И.И. Железняк. Морозное пучения грунтов в расчетах оснований сооружений. Новосибирск. изд-во "Наука", Сибирское отделение, 1987г.
6. В.С. Сажин, В.Я. Шишкин, А.С. Волох. Проектирование и строительство фундаментов сооружений на пучинистых грунтах. Изд-во Саратовского университета, 1988г.
7. Р.Ш. Абжалимов. К расчету малоэтажных зданий на мелкозаглубленных фундаментах в пучинистых грунтах. Транспортное строительство, №3, 2001 г.
8. Р.Ш. Абжалимов. Особенности взаимодействия пучинистых грунтов с конструкциями подземных переходов метод их расчета. Канд. дисс. М. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 1987 г.
9. Р.Ш. Абжалимов. К расчету трубопроводов на мелкозаглубленных фундаментах на пучинистых грунтовых основаниях. Транспортное строительство, №11, 1999 г.
|
