Морозное пучение является важным фактором, влияющим на надежность свайных фундаментов, особенно в регионах с суровыми зимами. При замерзании грунта его объем увеличивается, что может приводить к подъему свай и изменению их положения в почве. Это явление может вызвать неравномерные нагрузки и привести к разрушению конструкции.
Для минимизации негативного влияния морозного пучения необходимо учитывать условия промерзания грунта, глубину заложения свай и выбирать подходящие материалы. Правильное проектирование и обслуживание свайного фундамента помогут предотвратить деформации и обеспечить долговечность сооружений.
Воздействие сил морозного пучения на разные типы винтовых свай
В статье мы расскажем, для каких свай расчет на действие сил морозного пучения является обязательным.
Проблемы с эксплуатацией фундамента в районах морозного воздействия на почву возникают после примерзания элементов конструкции к грунту. Общий показатель силы воздействия пучения на фундамент зависит от изменения касательного напряжения при увеличении пятна контакта боковой стороны фундамента с мерзлым грунтом. Данные изменения происходят по-разному, в зависимости от конструкционных особенностей фундамента и глубины его залегания, значений температуры и влажности, типа грунта, его промерзаемости и пучинистости.
По данным СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», прочность любого объекта, строящегося на основании, подверженном промерзанию, можно обеспечить, если выполнить необходимые условия:
- установление фундамента на такую глубину, при которой не будет происходить значительное действие выталкивающих сил при промерзании;
- исследование стойкости фундамента к касательным силам, появляющимся при промерзании грунта и пучении в боковой зоне конструкции фундамента.
Мы попробуем провести сравнение свай двух различных конструкций по такой характеристике,
как стойкость к действию силы пучения грунта и определить,
какой тип свай является наиболее эффективным в таких грунтовых условиях.
Данные для анализа
Грунтовые условия – сильнопучинистый тугопластичный суглинок, имеющий плотность r = 1,95 т/м 3 .
- Модуль общей деформации: E = 2,9 МПа;
- Коэффициент относительной поперечной: m = 0,30;
- Показатель текучести: JL = 0,31;
- Угол внутреннего трения: φ =21;
- Удельное сцепление: C = 32 кПа;
- Расчетная глубина промерзания: d = 1,7 м.
Конструктивные характеристики свай
В данный момент основными типами конструкций винтовых свай можно считать две.
I тип
– лопастная свая, выполненная из металла – изготавливается из трубы с лопастью, приваренной на конце. Диаметр ствола находится в соотношении с диаметром лопасти, не превышающем его треть.
II тип
– коническая свая со множеством витков в виде одной спирали на острие. Состоит из двух частей, пустых внутри, одна из которых имеет форму цилиндра, другая – конуса.
Для расчета были выбраны сваи данных типов со следующими параметрами:
- I тип: длина – 2500 мм, диаметр ствола сваи – 108 мм (0,108 м), диаметр режущей лопасти – 300 мм;
- II тип: длина – 2500 мм (2,5 м), диаметр ствола сваи – 114 мм.
Вычисление действующих сил при грунтовом пучении проводят, исходя из требований СП 50-101, где приведена следующая формула:
- τfh – значение расчетной удельной касательной силы пучения, кПа, τfh должно определяться, как правило, опытным путем. При отсутствии опытных данных допускается принимать значения τfh в зависимости от вида и характеристик грунта.
- Afh – площадь боковой поверхности фундамента, находящейся в пределах расчетной глубины сезонного промерзания, м 2 .
- F – расчетная постоянная нагрузка, кН, при коэффициенте надежности по нагрузке Tf = 0,9.
- Frf – расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания.
- γc – коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,1.
- γn – коэффициент надежности, принимаемый равным 1,1.
В фундаментах, в которых лопасть установлена за глубиной промерзания (I тип), сила Frf, удерживает от пучения и является значением несущей способности винтовой сваи на выдергивание, на которое необходимо умножить коэффициент запаса (γn = 1,4). Показатель силы Frf, МН (кгс), которая ограждает фундамент (если его несущая способность создается путем работы его боковых поверхностей) от воздействия пучения, выявляется благодаря следующей формуле:
- u – периметр сечения поверхности сдвига, м (см), принимаемый равным: для свайных и столбчатых фундаментов без анкерной плиты — периметру сечения фундамента.
- hi – толщина i-го слоя мерзлого или талого грунта, расположенного ниже подошвы слоя сезонного промерзания-оттаивания, м (см).
- fi – расчетное сопротивление i-го слоя талого грунта сдвигу по поверхности фундамента, кПа (кгс/см 2 ).
Расчет по сваям
I тип
Свая диаметром ствола 0,108 м, длиной 2,5 м. Установим несущую способность винтовой сваи на выдергивание по СП 50-102 в соответствии с принятыми грунтовыми условиями: Fd0 = γc[(α1c1 + >α2 γ1 h1)A] = 0,7×[(12,1×32 кПа + 5,5×19,5 кН⁄м 3 ×1,70 ) × 0,07 = 108,31 кН = 10,83 тс Fd/γk = 10,83÷1,4 = 7,7 тс. В данной формуле учтем только одно слагаемое, а именно, сопротивление выдергиванию лопасти, погруженной в непромерзший грунт.
Определим τfh — расчетное значение удельной касательной силы пучения. Так как грунт относится к сильнопучинистым, нормативное значение удельной касательной силы пучения τfhn при глубине до 1,5 м составит 100 кПа. τfh = χ k0 τfhn = 0,8×0,8×130 = 83,2 кПа, где:
- χ – коэффициент, учитывающий геокриологические условия участка: при сезонном промерзании грунтов в условиях отсутствия или глубокого залегания вечномерзлых пород χ = 0,8, при смыкании промерзающего слоя с вечномерзлыми (или скальными) породами χ = 0,6÷0,7.
- k0 – коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности фундамента в пределах слоя промерзающего грунта.
- τfhn – значение удельной нормативной касательной силы пучения, МПа (кгс/см 2 ), определяемое в зависимости от степени морозоопасности грунта.
- Afh – расчетная площадь боковой поверхности фундамента, м 2 , находящейся в пределах расчетной глубины слоя сезонного промерзания — оттаивания грунта.
Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа×0,57 м 2 = 47,84 кН = 4,8 тс — вертикальная выдергивающая сила Fd/γk = 7,7 > 4,8 тс. Условие по устойчивости выполняется.
II тип
Свая конической формы диаметром 0,114 м и длиной 2,5 м. Гео- метрические данные, которые понадобятся в расчетах:
- длина цилиндрической части — 0,55 м;
- диаметр цилиндрической части – 0,114 м;
- периметр цилиндрической части — 0,358 м;
- длина конической части — 1,45 м;
- приведенный диаметр конической части — 0,114⁄2 = 0,057 м;
- расчетный периметр конической части — 0,358⁄2 = 0,1797 м.
Расчетное значение силы Fr, f, МН (кгс), удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его поверхности с непромерзшим грунтом, определяется по формуле (2): Fr = 30 кПа×2 м×0,17 = 10,2 кН = 1,02 тс. Воздействие вертикальных касательных сил морозного пучения в соответствии с формулой (1): 83 кПа×0,45 м 2 = 37,35 кН = 3,74 тс — вертикальная выдергивающая сила. Условие не выполняется.
Результаты расчета
- Лопастная винтовая свая в морозном или пучинистом грунте (I тип) не испытывает силы пучения и влияния промораживания/оттаивания и является устойчивым элементом фундамента.
- Винтовые сваи с многовитковым наконечником (II тип) не являются устойчивыми к воздействию касательных сил при морозном пучении. Для фундаментов с применением свай такого типа необходимо выполнять условие отсутствия остаточного принципа деформации грунта при пучении.
Что такое морозное пучение грунтов?
Морозное пучение грунтов – непредсказуемый и небезопасный фактор воздействия на фундамент. Ухудшает условия и сокращает сроки эксплуатации зданий и строений, вызывая повреждения и деформации.
О сути явления
Причина явления – фазовое превращение воды и кристаллизация льда. Морозное пучение подразумевает способность грунта к изменению в объеме в результате одновременного воздействия:
- воды;
- минусовой температуры.
Морозное пучение грунтов — фактор, оказывающий непосредственное влияние на качественные характеристики и сроки службы фундамента. Сезонные подвижки грунтов при неверных расчетах могут стать критичными для целостности конструкций.
Давление морозного пучения способно поднять фундамент вместе с постройкой, без каких-либо гарантий возвращения здания в исходное состояние весной. Неравномерность процесса вследствие неоднородного состава, плотности, условий промерзания грунтов и ряда иных факторов ведет к перекосам, снижению эксплуатационных характеристик и разрушению конструкции.
Наиболее подвержены морозному пучению глинистые грунты, хорошо удерживающие влагу. Благодаря капиллярному эффекту способны увеличиваться в объеме до 15%, т.е. при метровой глубине промерзания, поверхность поднимается на 15 см. В меньшей степени испытывают воздействие песчаные грунты. Пористые, каменистые и скальные, хорошо пропускающие воду, явлению практически не подвержены.
Факторы, влияющие на пучение грунта
Степень пучинистости зависит от ряда факторов, способствующих расширению грунта, в частности:
- длительности заморозков;
- грунтового типа;
- географических условий местности (количество осадков, влажность и температурный режим);
- глубины промерзания;
- рельефности участка.
При большом перечне определяющих факторов нелегко спрогнозировать глубину промерзания и ущерб от морозного пучения. Интенсивное перемещение грунтовых вод происходит в температурном диапазоне от 0 до -5ºС.
Учет перечисленных факторов позволяет избежать ошибок при возведении различных видов фундамента.
Как защитить строения от морозного пучения
Минимизации сезонных подвижек грунта способствует:
- знание его типа и глубины промерзания;
- замена грунта непучинистым;
- заглубление фундамента ниже отметки промерзания для борьбы с давлением выталкивающей силы вспучивания;
- утепление прилегающих к фундаменту участков во избежание промерзания;
- осушение грунтов (отвод воды с участка, ливневки, дренажные трубы с отведением естественных вод в сторону от фундамента);
Устройство отмостки либо дренажной системы – действенная защита от морозного пучения. Вокруг фундамента прокапывают 40-сантиметровую траншею, укладывают плиты из экструдированного пенополистирола, затем засыпают шпак либо керамзит слоем не менее 25 см, после чего армируют и заливают бетоном.
Наиболее эффективным и доступным способом нивелирования негативного влияния является использование дернового покрова. Вокруг фундамента на расстоянии полутора метров снимают почвенный слой глубиной 200-250 мм, размещают плодородный слой и засевают семенами дернообразующих трав. За весенне-летний период дерновой слой станет достаточным для естественного регулирования влаги и сохранения тепла.
Важно! Дерновой покров применяют сразу после весенней стабилизации почв.
Использование любого из перечисленных методов позволяет снизить промерзание грунта до 50%, в случае с дерновым покровом — до 70%. Комплексный подход усиливает защитный эффект.
Преимущества свайно-винтового фундамента
Начиная строительство, необходимо заранее позаботиться о минимизации возможных деформаций. Решение о формировании фундамента на винтовых сваях позволит избежать негативных последствий природных явлений.
Фундамент на винтовых сваях уменьшает площадь бокового контакта, снижая воздействие морозного пучения. При его возведении сваи вкручиваются ниже уровня промерзания грунта.
Округлая форма и гладкая поверхность винтовых свай позволяет свободно перемещаться мерзлому слою грунта, не оказывая давления на строение. Свайно-винтовой фундамент менее всего подвержен морозному пучению. Винтовые опоры позволяют возведение строений:
- на любых грунтах, в том числе рыхлых;
- в районах с сейсмической активностью.
В числе безусловных преимуществ винтовых свай возможность монтирования зданий на склонах, неровных и подвижных участках, с большой вероятностью оползней.
