ТМД 50-601-2004 Санкт-Петербург

ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК МОРОЗООПАСНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Предисловие

    
    1 РАЗРАБОТАНЫ Санкт-Петербургским государственным архитектурно-строительным университетом (научный руководитель д.т.н., профессор Карлов В.Д.)
    
    2 ВНЕСЕНЫ Комитетом по строительству Правительства Санкт-Петербурга
    
    3 ОДОБРЕНЫ И РЕКОМЕНДОВАНЫ к применению в качестве нормативного документа Системы территориальных нормативных документов распоряжением Комитета по строительству Правительства Санкт-Петербурга от 12.10.2004 N 20
    
    ВВОДЯТСЯ ВПЕРВЫЕ
    
    

Введение

    
    В настоящее время актуальной задачей в области фундаментостроения является проблема повышения надежности зданий и сооружений различного назначения, возводимых с использованием в основаниях сезоннопромерзающих грунтов. Такие основания имеют специфические особенности, обусловленные сложными процессами, происходящими в грунтах при их промерзании и оттаивании. Эти процессы (миграция влаги, морозное пучение, образование морозной текстуры, формирование посткриогенной структуры, изменение деформационных и прочностных свойств в период весеннего оттаивания) и определяют морозоопасные свойства грунтов оснований, оценка характеристик которых является сложной задачей, остающейся пока недостаточно разработанной.
    
    Фундаменты и подземные конструкции сооружений в рассматриваемых условиях при промерзании грунтов подвергаются воздействию деформаций и сил морозного пучения, а при последующем оттаивании основания испытывают влияние деформаций обратного знака - осадок оттаивания и существенного снижения прочности оттаивающих грунтов.
    
    Надежность оснований и фундаментов в условиях пучинистых грунтов должна быть обоснована расчетами при проектировании с использованием достоверных значений характеристик морозоопасных свойств грунтов. Определение показателей, характеризующих степень морозоопасности пучинистых грунтов с учетом возможного изменения гидрогеологических условий, по результатам испытаний, как этого требуют СНиП 2.02.01, практически невозможно вследствие малого временного периода для организации и проведения трудоемких, дорогостоящих и сложных исследований, при выполнении которых необходимы специальное оборудование и квалифицированные специалисты-мерзлотоведы. Также исследования не под силу большинству производственных изыскательских и строительных организаций. Это обстоятельство и предопределило необходимость разработки и использования для практических целей научно-обоснованного метода прогноза характеристик морозоопасности грунтов в строительстве. Во многих случаях такой подход - единственно возможный способ определения значений характеристик морозоопасных свойств грунтов. Для оценки значений этих характеристик используются данные обычных стандартных инженерно-геологических изысканий, выполняемых на строительной площадке.
    
    В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия малозаглубленных фундаментов с сезоннопромерзающими грунтами, выполненных в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПбГАСУ) были установлены закономерности развития деформаций и сил морозного пучения грунтов при промерзании и формировании прочности и устойчивости грунтов оснований в процессе последующего оттаивания. Обоснована тесная взаимосвязь между характеристиками физико-механических свойств грунтов в талом, промерзающем и оттаивающем состояниях, обусловленная криогенными процессами (главным образом - миграцией влаги в промерзающий слой грунта). Полученные регрессивные уравнения, отображающие эту взаимосвязь, были положены в основу настоящей работы. Для практического использования Методики составлены таблицы параметров и коэффициентов с целью определения показателей морозоопасности грунтов по величине аналогичных показателей грунтов в талом состоянии с учетом условий промерзания, зимнего влагонакопления и интенсивности морозного пучения. Методика разработана на кафедре "Геотехника" СПбГАСУ доктором технических наук, профессором, Заслуженным работником высшей школы Российской Федерации В.Д.Карловым.
    

    Документ рассмотрен и одобрен на заседании научно-технического совета СПбГАСУ (протокол от 11.12.2003 N 4) и утвержден проректором по инновационному и научно-техническому развитию СПбГАСУ 22.12.2003 г.
    
    

    1 Общие положения

    
    1.1 Настоящая Методика, составленная в развитии ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург, СНиП 2.02.01, СНиП 3.02.01, других нормативных документов, не отменяет и не входит в противоречие с действующими строительными нормами и правилами.
    
    1.2 Целью Методики является геокриологическое обеспечение проектных, конструктивных и технологических решений по устройству оснований и фундаментов в условиях пучинистых при промерзании грунтов (морозоопасных).
    
    1.3 Геокриологическое обеспечение включает определение расчетными методами следующих характеристик морозоопасных свойств грунтов:
    
    - относительную () и абсолютную () величины деформаций морозного пучения грунтов и оснований;
    
    - давление морозного пучения (), нормального к подошве фундамента или иной конструкции, взаимодействующей с промерзающим грунтом;
    
    - удельного значения () касательной силы морозного пучения, действующей вдоль боковой поверхности фундамента или стены, заглубленной в грунт;
    
    - предельного сопротивления сдвигу оттаивающего грунта ();
    
    - угла внутреннего трения оттаивающего грунта () сезоннопромерзающего слоя;
    
    - удельного сцепления оттаивающего грунта () сезоннопромерзающего слоя.
    
    1.4 Перечисленные характеристики используются при разработке проекта малозаглубленных и поверхностных фундаментов легких зданий и сооружений, а также при составлении проекта производства работ (ППР) по устройству фундаментов с целью принятия инженерных решений по:
    
    - обеспечению устойчивости откосов котлованов или креплений их стенок в процессе промерзания и последующего оттаивания грунтов;
    
    - установлению несущей способности и темпов нагружения оттаявшего естественным или искусственным путем грунтов основания;
    
    - обеспечению устойчивости и надежности фундаментов и подземных конструкций при возведении их в зимних условиях;
    
    - оценке морозоопасных свойств сезоннопромерзающих или искусственно замораживаемых грунтов при изменении гидрологических условий площадки строительства.
    
    1.5 Инженерно-геокриологическое обоснование условий строительных площадок в связи с необходимостью учета морозоопасных свойств грунтов при проектировании и устройстве оснований и фундаментов в условиях пучинистых при промерзании грунтов отвечает требованиям 14* СНиП 2.02.01, 1.1 СНиП 3.02.01 и направлено на реализацию требований ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург по обеспечению высокого качества работ и повышения надежности строящихся и реконструируемых зданий и сооружений.
    
    1.6 Для оценки значений характеристик морозоопасных свойств грунтов исходными данными являются:
    
    - природная влажность и плотность грунта до промерзания;
    
    - угол внутреннего трения и удельное сцепление грунта до промерзания;
    
    - расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод ;
    
    - максимальное значение этого расстояния , при котором можно не учитывать влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения грунта;
    
    - величина среднего напряжения в слое промерзающего грунта, если поверхность слоя испытывает внешнее давление ;
    
    - глубина сезонного промерзания грунта.
    
    1.7 В соответствии со СНиП 2.02.01 расчетные значения характеристик морозоопасных свойств грунтов определяются по формуле
    

,                                                  (1.1)

    
где - нормативное значение данной характеристики, определяемой в соответствии с настоящей Методикой;
    
     - коэффициент надежности по грунту, принимаемый со следующими значениями (СНиП 2.02.01) в расчетах оснований по деформациям =1; в расчетах оснований по несущей способности: для угла внутреннего трения =1,15, для удельного сцепления =1,50.
    
    1.8 Нормативная глубина промерзания грунтов в Санкт-Петербурге принимается для глин и суглинков =1,2 м; супесей, песков мелких и пылеватых =1,45 м; песков крупных и средней крупности =1,55 м; крупнообломочных грунтов =1,75 м. Значение для грунтов неоднородного сложения определяется как средневзвешенная величина.
    
    

    2 Нормативные ссылки

    
    В настоящем документе приведены ссылки на следующие нормативные документы:
    

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

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

,                                            (3.1)

    
где - коэффициент морозного пучения грунта, доли единицы;
    
     - природная влажность грунта перед его промерзанием, доли единицы;
    
     - плотность скелета грунта при его естественной (природной) плотности , кг/м;
     - плотность воды, находящейся в порах грунта, =1000 кг/м;
    
     - коэффициент, учитывающий влияние скорости и продолжительности промерзания грунта в районе строительства, для Санкт-Петербурга;
    
     и - параметры пучинистых свойств грунтов, определяемые по таблице 3.1 в зависимости от вида глинистого грунта, величины числа пластичности и значения влажности грунта на границе текучести .


Таблица 3.1 - Значения параметров пучинистых свойств глинистых грунтов , и
    

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

,                                           (3.2)

    
    Здесь помимо величин, указанных в 3.1, - среднее дополнительное вертикальное напряжение в промерзающем слое грунта, МПа;
    
     - параметр, учитывающий влияние внешнего давления на интенсивность морозного пучения грунта, МПа, определяется по таблице 3.1.
    
    3.3 Коэффициент морозного пучения слоя глинистого грунта при отсутствии на его поверхности нагрузки в условиях близкого расположения уровня подземных вод у границы промерзания определяется по формуле
    

.                                                   (3.3)

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

,                                           (3.4)

    
где - расстояние от границы сезонного промерзания до уровня подземных вод, м;
    
     - тоже, когда влияние подземных вод можно не учитывать (), устанавливается в зависимости от вида грунта по таблице 3.2;
    
     - глубина зоны всасывания, в пределах которой происходит миграция влаги к границе промерзания, равная 0,30 м.


Таблица 3.2 - Значение

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

.                                          (3.5)

    
    В формулу (3.5) входят величины, обозначение которых приведено выше.
    
    3.5 Коэффициент морозного пучения слоя песка крупного или средней крупности при невозможности отжатия влаги от границы промерзания определяется по формуле
    

,                                   (3.6)

    
где - плотность минеральных частиц, величина которой может быть принята равной 2650 кг/м;
    
     - степень влажности песка перед промерзанием, доли единицы;
    
     - коэффициент пористости песка, доли единицы;
    
    обозначение остальных величин указано выше.
    
    В условиях промерзания крупных и средней крупности песков с отжатием воды от фронта промерзания коэффициент морозного пучения может быть менее 0,01 (таблица Б.27 ГОСТ 25100).
    
    3.6 Коэффициент морозного пучения слоя пылеватого и мелкого песка определяется по формуле
    

.                                       (3.7)

    
    Здесь, помимо величин, входящих в формулу (3.6), - коэффициент, учитывающий влияние подземных вод на интенсивность морозного пучения песков в следствие миграции влаги к границе промерзания, определяемый из выражения (3.4). Глубина зоны всасывания принимается равной 0,4 м, a - по таблице 3.2 в зависимости от разновидности песков.
    
    3.7 Величина абсолютной деформации морозного пучения (величина пучения) слоя грунта при отсутствии на его поверхность внешней нагрузки определяется из выражения
    

,                                                            (3.8)

    
где - коэффициент морозного пучения слоя грунта при ненагруженной поверхности, величина которого определяется по формулам (3.1) или (3.3) в зависимости от положения уровня подземных вод, доли единицы;
    
     - глубина промерзания грунта, м.
    
    3.8 Величина абсолютной деформации морозного пучения грунта основания в пределах сжимаемой толщи (при местной нагрузке на основание) определяется по формуле
    

,                                                       (3.9)

    
где - средневзвешенное значение коэффициента морозного пучения грунта, определяемое по формуле (3.2) с учетом средней величины дополнительного напряжения в промерзшем слое грунта толщиной .
    
    3.9 Величина максимального значения нормального давления морозного пучения глинистого грунта по подошве фундамента или к поверхности иной конструкции, определяется по формуле
    

,                                     (3.10)

    
где - максимальное значение удельного нормального давления морозного пучения грунта, МПа; остальные значения указаны выше.
    
    Величина удельного нормального давления морозного пучения песка пылеватого и мелкого может быть вычислена по формуле
    

,                                     (3.11)

    
где помимо величин, входящих в формулу (3.6), - коэффициент, величина которого принимается для песка пылеватого 0,042, а для мелкого песка - 0,049.
    
    Величина удельного давления морозного пучения зависит от степени ограничения деформации морозного пучения промерзающего слоя грунта. При свободном перемещении ненагруженной поверхности промерзающего грунта значение можно принять равным нулю. В условиях полного исключения деформации морозного пучения (=0) величина будет максимальной (). В случае частичного ограничения деформации пучения () за счет податливости системы "основание - сооружение" удельное нормальное давление морозного пучения будет определяться пропорционально степени стеснения (ограничения) возможного деформирования промерзания слоя грунта (рисунок 3.1).
    
    

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

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


Таблица 3.3 - Значение удельной касательной силы морозного пучения грунтов

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

    4 Определение характеристик прочности оттаивающих грунтов и устойчивости оснований

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

,                                                  (4.1)

    
где и - параметры, зависящие от вида, состава грунта и условий его промерзания;
    
     - объемная влажность оттаивающего грунта.
    
    На основании зависимости (4.1) разработана методика определения величины угла внутреннего трения и удельного сцепления оттаивающего грунта путем уменьшения аналогичных характеристик грунтов до промерзания ( и ) за счет следующих коэффициентов:
    

и ,                               (4.2)

    
где - коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для угла внутреннего трения, определяется по таблице 4.1;
    
     - коэффициент надежности по грунту при его оттаивании для удельного сцепления, определяется по таблице 4.2;
    
     - коэффициент, учитывающий влияние интенсивности миграции влаги и морозного пучения грунта на формирование посткриогенной структуры оттаивающего грунта и его прочностные свойства, определяется по таблице 4.3.


Таблица 4.1 - Значения коэффициентов
    

    

Таблица 4.2 - Значения коэффициентов
    

    
    
Таблица 4.3 - Значения коэффициентов в зависимости от их пучинистости ()
    

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

и ,                                    (4.3)

    
где - коэффициент надежности по грунту, учитывающий снижение угла внутреннего трения, обусловленное формированием посткриогенной структуры песков, определяемый по таблице 4.4;
    
     и - понижающие коэффициенты, принимаемые как для супесей по таблице 4.2 и 4.3.


Таблица 4.4 - Значение коэффициента

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

,                                               (4.4)

    
где - нормальное напряжение по поверхности скольжения, кПа;
    
    и - вычисляются по формулам (4.2).
    
    4.4 Расчетное сопротивление оттаивающего грунта основания определяется по формуле 7 СНиП 2.02.01 с использованием значений и .
    
    4.5 Несущая способность оттаивающих оснований также определяется на основании этих же значений характеристик прочностных свойств по 2.57-2.66 СниП 2.02.01.
    
    4.6 Устойчивость оттаивающих откосов, давление оттаивающего грунта на ограждения рассчитывается известными методами с использованием значений характеристик прочностных свойств грунтов при их оттаивании, установленным по изложенной выше методике.
    
    

    5 Числовой пример определения характеристик морозоопасных свойств глинистого грунта

    
    Грунт - суглинок, плотность которого =2000 кг/м, естественная влажность =0,25; влажность на границе текучести и раскатывания =0,30 и =0,15; показатель текучести =0,67; число пластичности =0,15; плотность скелета (сухого грунта) =1600 кг/м; угол внутреннего трения =19° и удельное сцепление =25,0 кПа. Глубина промерзания суглинка =1,2 м.
    
    Рассматриваются два условия промерзания:
    
    I условие - при отсутствии подземных вод (или расположении их уровня ниже границы промерзания на ).
    
    Для рассматриваемых условий =1,2; =1,0. Параметры пучинистых свойств грунтов определяются по таблице 3.1: = 0,242; =0,054; =0,052.
    
    1. Коэффициент морозного пучения суглинка определяется по формуле (3.1):
    
    .
    
    2. Величина морозного пучения суглинка при глубине промерзания =1,2 м определяется по формуле (3.6):
    
    м =6,1  см.
    
    3. При среднем напряжении в промерзающем слое 0,15 МПа (150 кПа), вызванном внешней нагрузкой, коэффициент морозного пучения суглинка составит (формула 3.2)
    
    
    
    4. Максимальная величина удельного нормального давления морозного пучения вычисляется по формуле (3.8)
    
     МПа=940 кПа =9,4 кгс/см.
    
    5. Величина удельной касательной силы морозного пучения суглинка при показателе текучести =0,67 и коэффициенте морозного пучения =0,051 согласно таблицы 3.3 равна =120 кПа, как максимальное значение по одному из двух признаков.
    
    6. Величина угла внутреннего трения при оттаивании промерзшего суглинка вычисляется по формуле (4.2) и в соответствии с данными таблицы 4.1 и таблицы 4.3
    

.

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

кПа.

    
    II условие - при расположении уровня подземных вод на глубине =1,0 м ниже границы промерзания.
    
    Согласно данным таблицы 3.2 =2,0 м.
    
    Величина коэффициента
    

.

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

.

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

м =10,8 см.

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

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

.

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

кПа.

Библиография

Текст документа сверен по:
официальное издание
СПб: Правительство Санкт-Петербурга, 2005