Сила морозного пучения

Сравнение различных методик расчетов на пучение

1. Два типа воздействия – касательные и лобовые силы морозного пучения
2. Основные методики расчетов на морозное пучение
3. Расчет на пучение по методике СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
4. Расчет на пучение по методике СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах»
5. Расчет на пучение по «Пособию по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений к СНиП 2.02.01-83».
6. Расчет на пучение по методике «Руководство по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г»
7. Сравнение результатов расчета на пучение по рассмотренным методикам
8. Заключение
9. Связанные статьи

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

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:

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

n1Nн>nFфh1σн

Где:

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

Таблица 1. Значение нормального давления морозного пучения

Наименование грунта по степени морозной пучинистости	σн в кгс/см3, при площади подошвы фундамента, см2
	50х50	70х70	100х100	>100х100
Сильнопучинистые	0.06	0.04	0.03	0.02
Среднепучинистые	0.05	0.03	0.02	0.01
Слабопучинистые	0.04	0.02	0.01	—

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 . Расчеты деформаций пучения по 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 , а так же в соответствии с указаниями п. 6.8.11 СП 22.13330.2016 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.

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

Данный нормативный документ можно скачать в разделе НОРМАТИВЫ или напрямую . 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):

Здесь:

• — коэффициент условия работы, принимаемый равным 1,0;
• — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1;
• τfh — удельная касательная сила пучения («сила смерзания» грунта на поверхности контакта грунт-фундамент). Принимаемая по опытным данным или по таблице 6.12;
• Afh — площадь сдвига по мерзлым грунтам (площадь поверхности смерзания грунт-фундамент);
• F — расчетная постоянная нагрузка, действующая на фундамент;
• Frf – 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:

• Af — площадь сдвига талых грунтов (площадь поверхности контакта талый грунт-фундамент ниже расчетной глубины промерзания);
• Rf – 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.

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 .

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:

• Frf — 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);
• τfh — 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» полностью аналогичен расчетам по методике СП 25.13330.2012, включая значения касательных сил пучения.

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 . 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» 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).

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 .

Расчеты на воздействие касательных сил морозного пучения выполняются по пунктам 4.18-4.21 данного Руководства.

Расчет по методике «Руководства по проектированию оснований и фундаментов на пучинистых грунтах 1979г» очень похож на расчет по «Руководство по проектированию опор и фундаментов линий электропередачи и распределительных устройств подстанций напряжением выше 1 кВ» , однако в τfh — удельная касательная сила пучения умножается на коэффициенты, в зависимости от глубины промерзания, а в 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

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:

Таблица 3. Результаты сравнения методик расчета

(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» .

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» – 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.

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 .

Связанные статьи

• Выбор глубины заложения фундаментов
• Меры борьбы с морозным пучением
• Раздел Нормативы
• Расчет фундамента на воздействие морозного пучения (расчетный файл)

Природа сил пучения

Морозное пучение – это увеличение объема грунта при отрицательных температурах, то есть зимой. Происходит это из-за того, что влага, содержащаяся в грунте, при замерзании увеличивается в объеме.

Плотность воды составляет 1000 кг/м3, плотность льда 916 кг/м3, это значит, что при одинаковой массе лед будет занимать больший объем, нежели вода примерно на 9%. Зимой вода, содержащаяся в грунте, превращается в лед, увеличиваясь в объеме, и тем самым создает давление на грунт. Под действием этого давления грунт начинает двигаться. Это давление не может продавить глубоко залегающие нижние плотные слои грунта, поэтому выдавливает грунт вверх, а вместе с ним и фундамент дома.

Больше всего морозному пучению подвержены глинистые грунты (объем грунта может увеличиваться на 10-15%, то есть при глубине промерзания 1,5 м – на 15-20 см). Песчаные грунты подвержены пучению гораздо меньше; каменистые и скальные – практически не подвержены. Разница в том, что глина не пропускает сквозь себя воду, поэтому грунты, содержащие глину накапливают в себе влагу. А между частицами песка или гравия вода просачивается и уходит в нижележащие слои, а та влага, которая и содержится в песчаном грунте распределяется в нем равномерно, поэтому пучение такого грунта происходит равномерно, что уже не так опасно для фундамента дома.

Зимой сила пучения достаточно велика, чтобы поднять фундамент вместе с домом, при этом нет никакой гарантии, что приподнятый дом весной вернется в исходное положение. Это было бы не так страшно, если бы дом поднимался и опускался равномерно, но это не так. В результате в доме возникают перекосы стен, дверных проемов и окон. В наибольшей степени это относится к каркасным или щитовым домам, в меньшей степени к домам сложенным из бруса, так как они сами по себе представляют жесткую конструкцию. Стены кирпичного дома при пучении могут потрескаться из-за того, что фундамент поднимается неравномерно — с одной стороны больше, с другой меньше. Например, под отапливаемым домом земля не промерзает, и часть фундамента под внутренними стенами дома не испытывает действия пучения, в то время как вокруг дома за внешними стенами фундамента промерзание есть. Осенью с северной стороны дома земля начинает промерзать быстрее, чем с южной: с одной стороны дома есть пучение, с другой — нет.

Воздействие сил морозного пучения на фундамент

Силы морозного пучения действуют не только на основание фундамента, но и на его боковые стенки, ведь грунт увеличивается в объеме не только под основанием фундамента, но и вокруг него. Грунт, находящийся вокруг фундамента, зимой примерзает к его стенкам и при движении тянет его за собой. Таким образом, всю силу пучения можно разложить на две составляющие: одна действует на основание (нормальная составляющая), вторая на стенки (касательная составляющая). Чем глубже закладывается фундамент, тем меньше сила пучения, которая действует на основание фундамента. Но вместе с тем, боковая поверхность увеличивается и с ней увеличивается суммарная касательная сила, действующая на стенки фундамента. Воздействие касательного пучения может быть очень значительным – до 5-7 тонн на квадратный метр. Этого хватит, чтобы выдавить из грунта глубоко заглубленный фундамент, на котором возведен легкий каркасный дом, вес которого не способен уравновесить действие пучения. Поэтому заглубление фундамента на глубину ниже глубины промерзания совсем не гарантирует его устойчивость к пучению. Например, столбчатый фундамент деревянного каркасного дома, заглубленный на два метра, будет выталкиваться вверх касательными силами морозного пучения, основания столбиков фундамента будут отрываться от слоя грунта, на который они опирались, грунт будет сыпаться в образовавшийся зазор и заполнит его. Весной, когда земля оттает, столбику некуда будет опускаться, он так и останется в «приподнятом» состоянии, а на следующий год история повторится.

Существует две крайности:
• Глубоко заглубленный фундамент: на его основание не действуют силы пучения, зато на его боковую стенку их воздействие максимально. Заглубленные фундаменты применяются для строительства кирпичных, каменных и бетонных домов, вес которых должен уравновесить действие касательных сил пучения.
• Мелко заглубленный фундамент: на его основание силы пучения действуют в полной мере, но зато минимально их касательное воздействие на боковые стенки. Такие фундаменты применяются для строительства каркасных, щитовых и деревянных домов.

Как бороться с силами пучения

Для защиты от морозного пучения существует несколько способов: замена грунта на непучинистый, удаление влаги из грунта, утепление грунта. Замена грунта на непучинистый (т.е. на песчаный) возможна при заложении фундамента. Под его основание укладывают подушку из утрамбованного песка высотой около 30 см и шириной на 20 см больше, чем ширина фундамента. Смысл этой подушки в том, чтобы, во-первых, равномернее распределить нагрузку от фундамента, во-вторых, уменьшить действие нормальной составляющей сил пучения на мелкозаглубленный фундамент. Здесь надо понимать, что песчаная подушка снижает действие пучения не за счет того, что песок непучинистый грунт, а за счет уменьшения слоя пучинистого грунта. Если при глубине промерзания 1,5 м укладывать фундамент на глубину 1 м, то слой пучинистого грунта составит 50 см а его возможное увеличение до 5 см. Если под тот же фундамент делать песчаную подушку 30 см, то слой пучинистого грунта составит уже не 50 см а 30 см, и его возможное увеличение будет не больше 3 см. Непучинистый грунт также рекомендуется использовать для обратной засыпки после того, как фундамент залит и опалубка с него снята. Так, в непосредственном контакте с фундаментом будет находиться непучинистый грунт, не содержащий влаги, который не будет примерзать к его стенкам. Со временем (через несколько лет) песок в обратной засыпке и в подушке может заилиться: частички глины из окружающего грунта будут попадать в него, и он потеряет свои непучинистые свойства. Для защиты от заиливания песчаную подушку и обратную засыпку нужно отделить от остального грунта пленкой или фильтрующей тканью.

Другая мера по борьбе против пучения — это удаление влаги, в свою очередь эту меру можно разделить на две составляющих — защита от попадания влаги с атмосферными осадками и удаление уже имеющейся влаги. Чтобы оградить грунт вокруг фундамента от осадков в виде дождя и тающего снега по всему периметру дома нужно делать отмостку. Ее ширина должна быть больше ширины обратной засыпки, чтобы вода отводилась подальше от фундамента.

Утепление грунта вокруг дома позволяет уменьшить или вообще исключить промерзание земли. Благодаря утеплению грунта становится возможно строительство мелкозаглубленных фундаментов за счет искусственного уменьшения глубины промерзания. Однако, это возможно только в областях, где среднегодовая температура положительная. Ширина полосы утеплителя должна соответствовать глубине промерзания: если земля промерзает на 1,5 м, то утеплять надо вокруг дома полосу шириной 1,5 м. Толщина утеплителя зависит от его теплоизоляционных свойств и от климатических условий.

Еще одна мера по защите фундамента от морозного пучения, применяемая при строительстве любых видов фундаментов — это сделать его поверхность более гладкой. Сам по себе бетон — пористый материал, и с его поверхностью грунт хорошо смерзается, и при пучении сильно воздействует на него. Самый простой способ устранить это — прокладывать рубероид между поверхностью фундамента и грунтом. Рубероид более гладкий материал, и движущийся грунт будет по нему скользить, и касательная составляющая силы пучения значительно снижается.

Читайте так же:

• Глубина промерзания грунта
  Промерзание грунта приводит к его пучению и негативному воздействию на фундамент здания. Глубина промерзания зависит от типа грунта и климатических условий.

• Уровень грунтовых вод
  Грунтовые воды – это первый от поверхности земли подземный водоносный слой, который залегает выше первого водоупорного слоя. Они оказывают негативное воздействие на свойства грунта и фундаменты домов, уровень грунтовых вод необходимо знать и учитывать при заложении фундамента.

• Пучинистый грунт
  Пучинистый грунт – это такой грунт, который подвержен морозному пучению, при промерзании он значительно увеличивается в объеме. Силы пучения достаточно велики и способны поднимать целые здания, поэтому закладывать фундамент на пучинистом грунте без принятия мер против пучения нельзя.

• Расчет фундамента для дома: нагрузка на фундамент и грунт
  На этапе проектирования будущего дома в числе прочих расчетов необходимо выполнить расчет фундамента. Цель этого расчета – определить, какая нагрузка будет действовать на фундамент и грунт, и какой должна быть опорная площадь фундамента. Для того, чтобы определить суммарную нагрузку на фундамент, необходимо посчитать вес будущего дома со всеми эксплуатационным нагрузками (проживающими там людьми, мебелью, инженерным оборудованием и т.п.)

• Несущая способность грунтов Несущая способность грунтов – это его основанная характеристика, которую необходимо знать при строительстве дома, она показывает какую нагрузку может выдержать единица площади грунта. Несущая способность определяет, какой должна быть опорная площадь фундамента дома: чем хуже способность грунта выдерживать нагрузку, тем больше должна быть площадь фундамента.

ГОСТ 27217-87

Группа Ж39

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ГРУНТЫ

Метод полевого определения удельных

касательных сил морозного пучения

Soils. Field method for determining

frost-heave specific tangential forces

ОКСТУ 0011

Дата введения 1987-07-01

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР

ИСПОЛНИТЕЛИ

В.О.Орлов, д-р техн. наук (руководитель темы); И.В.Шейкин, канд. техн. наук; В.Д.Филиппов; О.Н.Сильницкая

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного строительного комитета СССР от 29.01.87 № 18

3. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

	Обозначение НТД, на который дана ссылка	Номер приложения

ГОСТ 3722-81 СТ СЭВ 468-77

Приложение 3 Приложение 3

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 1988 г.

Настоящий стандарт распространяется на грунты без жестких структурных связей, обладающие пучинистыми свойствами, и устанавливает метод полевого определения удельных касательных сил морозного пучения, действующих вдоль боковой поверхности фундамента, при исследованиях грунтов для строительства.

Термины, применяемые в настоящем стандарте, и их пояснения приведены в справочном приложении 1.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Удельную касательную силу морозного пучения определяют как отношение измеренной при испытаниях на специальных установках максимальной касательной силы морозного пучения, действующей на образец фундамента, к его боковой поверхности, находящейся в промерзающем грунте.

Удельную касательную силу морозного пучения определяют в целях:

назначения глубины заложения и выбора типа фундаментов зданий и сооружений;

разработки мероприятий, уменьшающих силы и деформации морозного пучения и исключающих возможность появления недопустимых деформаций оснований и фундаментов.

1.2. Максимальные касательные силы морозного пучения определяют не менее чем для двух одинаковых образцов фундамента на испытательных установках, расположенных на площадках, очищенных в течение всего периода испытаний от растительного покрова и снега на расстоянии (в радиусе) не менее 2 м от боковой поверхности образца фундамента.

1.3. За максимальную касательную силу морозного пучения принимают наибольшее значение, полученное в результате испытаний образцов фундамента.

1.4. Места расположения испытательных установок назначают в программе исследований на основе инженерно-геологической съемки в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических (в районах распространения вечномерзлых грунтов) условий с учетом факторов, влияющих на процессы морозного пучения грунта (положение уровня подземных вод, наличие обводненных участков и т.д.), и размещения существующих и проектируемых зданий и сооружений.

1.5. Результаты полевых определений удельных касательных сил морозного пучения должны сопровождаться данными о месте проведения испытаний, описанием грунтов и их физико-механическими xapaктеристиками, а также данными о глубине сезонного промерзания-оттаивания.

2. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. В состав установки для определения удельных значений касательных сил морозного пучения должны входить:

образец фундамента:

анкерное устройство (с центральным анкером, с анкерными сваями);

силоизмерительное устройство (шариковый индикатор, тензометрический динамометр с записывающим устройством и др.);

приборы для измерения размеров отпечатков на верхней пластине шарикового индикатора (отсчетный микроскоп МПБ-2, лупа Польди и др.).

Принципиальные схемы установок приведены в рекомендуемом приложении 2. конструкция шарикового индикатора — в рекомендуемом приложении 3.

Примечание. Допускается использовать пружинные динамометры при жесткости пружины динамоментра не менее 0,05 MН/мм (5,0 тс/мм).

2.2. Конструкция установки должна обеспечивать:

неподвижность анкерной тяги или системы упорных балок в течение периода испытаний;

центрированную передачу усилия (касательной силы морозного пучения) на силоизмерительное устройство.

2.3. Приборы для измерения размеров отпечатков должны обеспечивать измерение глубины отпечатка с погрешностью не более 0,01 мм, а диаметра отпечатка — не более 0,1 мм.

2.4. 0бразец фундамента изготавливают в виде железобетонной стойки квадратного сечения 20Х20 и 30Х30 см. Размеры поперечного сечения и длину образца определяют в зависимости от вида грунта слоя сезонного промерзания-оттаивания и глубины его промерзания.

Примечания:

1. В специальных случаях, определенных программой испытаний, допускается изготовлять образцы фундамента из других материалов (дерево, металл и др.) и другой формы.

2. При применении анкерного устройства с центральной тягой образец должен иметь сквозное осевое отверстие диаметром, превышающим на 10 мм диаметр анкерной тяги.

3. Допускается применение в качестве образцов фундамента жeлезобетонных свай.

2.5. Все конструкции установки должны быть рассчитаны на нагрузку, превышающую на 50% предполагаемую касательную силу морозного пучения, определяемую по указаниям рекомендуемого приложения 4.

2.6. Измерительные приборы должны быть защищены от непосредственного воздействия солнечных лучей, сильного ветра, атмосферных осадков и снежных заносов.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ

3.1. После монтажа анкерного устройства в котлован (скважину, шурф) погружают вертикально образец фундамента на глубину, равную нормативной глубине сезонного промерзания-оттаивания. Верх образца должен выступать над поверхностью грунта не менее чем на 0,5 м. Обратную засыпку котлована следует выполнять с послойным трамбованием грунта слоями высотой не более 0,1 м.

Примечание. В районах распространения вечномерзлых грунтов сроки монтажа установки должны быть назначены из условия обеспечения смерзания нижних концов анкерных свай с вечномерзлым грунтом основания до начала сезонного промерзания грунта.

3.2. Верх образца фундамента необходимо выровнять жестким цементным раствором. В случае применения анкерного устройства с центральной тягой зазор между тягой и центральным отверстием в образце следует заполнять смазкой (например, солидолом, техническим вазелином). Не допускается попадание в зазор цементного раствора.

3.3. Установку силоизмерительных приборов следует производить не ранее чем через 10 дней после погружения образца фундамента. При этом должно быть обеспечено плотное примыкание прибора к образцу и анкерному устройству.

3.4. После монтажа установки производят нивелирование отметки верха образца фундамента (относительно ближайшего репера), а также отметок верха анкерных свай — в случае применения двуханкерного устройства.

3.5. Все работы по монтажу установки должны быть выполнены до начала промерзания грунта (в период положительных температур воздуха).

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Снятие показаний динамометров с записывающим устройством или измерение глубины отпечатков на верхней пластине шарикового индикатора производят после промерзания грунта на всю глубину сезонного промерзания-оттаивания.

Примечания:

1. При отсутствии записывающего устройства показания динамометров следует снимать не реже раза в 7 дней с начала промерзания грунта.

2. При демонтаже шарикового индикатора гайка и контргайка должны быть отвернуты при помощи двух гаечных ключей (с приложением встречных моментов вращения) для исключения сдвига пластины индикатора относительно шариков.

3. Допускается измерять диаметры отпечатков на верхней пластине шарикового индикатора. При эллипсовидной форме отпечатка измеряют меньший его диаметр.

4.2. Перед снятием показаний силоизмерительных устройств должно быть произведено нивелирование отметок верха образца фундамента и верха анкерных свай. Допустимые расхождения с отметкой, определенной после монтажа установки, составляют: ±10 мм — при талых грунтах основания и ±6 мм — при вечно-мерзлых грунтах основания.

4.3. Результаты измерений размеров отпечатков и показания динамометров заносят в журнал, форма которого приведена в рекомендуемом приложении 5.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Удельную касательную силу морозного пучения , МПа (кгс/см), вычисляют по формуле

, (1)

где — максимальная касательная сила морозного пучения, зарегистрированная показаниями приборов, МН (кгс);

— периметр поперечного сечения образца фундамента, м (см);

— глубина сезонного промерзания (оттаивания) грунта, м (см);

— вес образца фундамента, МН (кгс).

Примечание. В случае применения шарикового индикатора силу , МН (кгс), вычисляют по формуле

, (2)

где (=1, 2, 3) — силы, МН (кгс), рассчитанные по размерам каждого из трех отпечатков по формулам:

при определении по глубине отпечатка

; (3)

при определении по диаметру отпечатка

, (4)

где — твердость металла верхней пластины индикатора, МН/мм (кгс/мм);

— диаметр шарика, мм;

— глубина отпечатка i-го шарика, мм;

— диаметр отпечатка i-го шарика, мм.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

ПОЯСНЕНИЯ ТЕРМИНОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ

В НАСТОЯЩЕМ СТАНДАРТЕ

Морозное пучение грунта — увеличение объема влажного грунта при замерзании в нем воды, приводящее к подъему слоя промерзающего грунта.

Касательная сила морозного пучения — сила, действующая в процессе подъема промерзающего грунта вдоль боковой поверхности фундамента, обусловленная сопротивлением смерзания и трения его с промерзающим грунтом.

Удельное значение касательной силы морозного пучения — касательная сила пучения, отнесенная к площади боковой поверхности фундамента, контактирующей с промерзающим грунтом.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

Схемы установок для определения удельных

касательных сил морозного пучения

Установка с центральным анкером

а) с анкерной плитой

б) с лопастями

Установка с анкерными сваями

1 — образец фундамента; 2 — силоизмерительное устройство; 3 — анкерная тяга; 4 — анкерная свая; 5 — анкерная плита; 6 — система упорных балок; 7 — подошва слоя сезонного промерзания-оттаивания грунта; 8 — анкерная тяга с лопастями (для районов распространения вечномерзлых грунтов)

Черт. 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

Рекомендации по изготовлению шарикового индикатора

Шариковый индикатор (см. черт. 2) состоит из двух стальных пластин, между которыми в сепараторе расположены три шарика из высокопрочной стали (шарики подшипников — по ГОСТ 3722-81).

Схема шарикового индикатора

Черт. 2

Для фиксации положения шариков в нижней пластине устраивают три лунки, расположенные в вершинах равностороннего треугольника, центр которого должен совпадать с центром пластины. При этом расстояние от центра лунки до края пластины должно быть не менее 2 ( — диаметр шарика).

Верхняя пластина со стороны, обращенной к шарикам, должна быть отшлифована.

Для измерительной установки с одним анкером пластины должны иметь центральное отверстие для пропуска анкерной тяги.

Размеры пластин и шариков в зависимости от значения предполагаемой касательной силы морозного пучения, действующей на образец фундамента, приведены в табл.1.

Значение твердости стали верхней пластины устанавливают испытанием по методике СТ СЭВ 468-77 с использованием шарика диаметром, равным диаметру шариков, применяемых в индикаторе, и наносят на пластину. Полученное значение должно находиться в пределах 1,0-2,5 кН/мм (100-250 кгс/мм).

При сборке и установке шарикового индикатора все его детали должны быть покрыты консервационной смазкой.

Таблица 1

Предполагаемая касательная сила морозного пучения, МН (тс)	Размеры шарикового индикатора
	Размеры пластин в плане, см	Толщина пластин, мм	Глубина лунки в нижней пластине, мм	Диаметр шариков, мм
0,1 (10)	16х16
0,1 (10)0,2 (20)	16х16		4,5
0,2 (20)0,4 (40)	20х20
Примечание. Диаметры шариков могут отличаться от указанных в таблице на ± 10%, но в каждом индикаторе должны быть равными между собой.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Рекомендуемое

Определение предполагаемых касательных сил

морозного пучения грунта

Значение предполагаемой касательной силы морозного пучения грунта , МН (кгс), вычисляют по формуле

, (5)

где — удельная касательная сила морозного пучения, МПа (кгс/см), принимаемая по табл. 2;

— нормативная глубина сезонного промерзания-оттаивания грунта, м (см);

— периметр поперечного сечения образца фундамента, м (см);

— коэффициент, принимаемый в зависимости от материала образца фундамента, равный:

для бетона — 1,0;

для дерева — 0,9;

для металла — 0,8.

Таблица 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Рекомендуемое

(Первая страница журнала)

Организация ______________________________________________________

Журнал №

полевого определения удельных касательных сил морозного пучения

Пункт _______________________________

Объект ______________________________

Испытательная установка № ____________

Дата монтажа установки ________________

Дата окончания испытаний ______________

Образец фундамента № _________________

Материал образца ______________________

Размеры образца _______________________

Вес образца ____________________________

Глубина погружения образца _____________

Нормативная глубина сезонного

промерзания-оттаивания _________________

Описание грунтовых условий ______________

Абсолютные отметки:

верха образца ________________________ м

верха анкеров ________________________ м

Приборы (тип и номер) для измерения касательных сил морозного пучения (для шарикового индикатора — твердость стали верхней пластины , диаметр шариков).

Схема размещения установки для испытаний

(Последующие страницы журнала)

Объект _______________________ Испытание № ___________ Стр. ___________

Ответственный исполнитель ________________________________________

(должность, подпись, инициалы, фамилия)

Наблюдатели: 1. ___________________________________________________

(должность, подпись, инициалы, фамилия)

2. ___________________________________________________

Текст документа сверен по:

официальное издание

Госстрой СССР —

М.: Издательство стандартов, 1988