Глава 5. Глубина заложения фундаментов

Поверхностный слой грунта в пределах крилитозоны, в котором в течение года протекают процессы промерзания и оттаивания пород принято называть деятельным слоем [40]. Мощность слоя грунтов при оттаивании летом и промерзании зимой вне пределов криолитозоны или без слияния с ее верхней границей является глубиной сезонного их промерзания, при оттаивании летом и промерзании зимой до слияния с ее верхней границей – глубиной сезонного оттаивания грунтов. При проектировании для определения глубин заложения фундаментов необходимо знать нормативные значения сезонного промерзания и сезонного оттаивания грунтов.

5. 1. Температурный разрез криолитозоны

Температура криолитозоны - один из решающих факторов, определяющий принципы использования грунтов оснований зданий и сооружений. По глубине в пределах криолитозоны по температурному фактору выделяется два яруса.

Рис. 5.1. Схематический температурный разрез криолитозоны: 1 – слой сезонного оттаивания; 2 – мощность слоя грунтов с годовыми колебаниями температур; 3 - граница зоны годовых нулевых амплитуд; 4,5 – соответственно огибающие кривые максимальных и минимальных годовых температур; 6 - среднегодовая температура грунтов; 7- нижняя граница криолитозоны

80

Первый характеризуется сезонными колебаниями температур. В расчетах его глубина принимается равной 10 м [36, 39]. В природных условиях для глинистых грунтов эта глубина может не превышать 7-8, а для горных областей криолитозоны с незначительной мощностью четвертичных отложений – достигать 15-20 м. Температура грунтов криолитозоны ниже подошвы колебаний годовых нулевых температур практически постоянна и изменяется в соответствии с величиной геотермического градиента, которая колеблется преимущественно в пределах 0,02-0,035 ºС/м [19, 22, 26].

5.2. Сезонное промерзание и оттаивание грунтов оснований

Мощность деятельного слоя определяется широтной зональностью и высотной поясностью. В высоких широтах и в пределах высокогорий она меняется от 0,2-0,5 м до 4-6 м в пределах южной границы криолитозоны. Кроме того, в одном и том же регионе она может существенно отличаться в различные годы, в связи с изменением интенсивности солнечной радиации и других климатических параметров. Кроме того, на глубину деятельного слоя оказывают значительное влияние экспозиция и крутизна склона, почвенно-растительный покров, затененность местности, гидрологический и гидрогеологический режим, строения и свойства грунтов и др. факторы [8, 9, 18]

Нормативная глубина сезонного оттаивания грунта определяется как наибольшая глубина, наблюдаемая в течение 10 и больше лет на участках без растительного, торфяного и снежного покрова, где слой сезоннопромерзающего-оттаивающего грунта сливается с верхней границей криолитозоны [36].

Нормативная глубина сезонного промерзания грунта определяется по данным наблюдений, где слой сезоннопротаивающего-сезоннопромерзающего грунта не сливается с верхней границей криолитозоны или криолитозона отсутствует [36].

81

При отсутствии данных многолетних наблюдений нормативная глубина сезонного оттаивания грунта определяется

расчетом, используются различные расчетные схемы [34, 36].

Определе­ния нормативной глубины сезонного оттаивания фунта по дан­ным натурных наблюдений, полученных непосредственно в период проведения инженерно-геологических изысканий, вычисляется по формуле:

(5.1)

где d'_th — максимальная глубина сезонного оттаивания грунта (м), полученная непосредственными наблюдениями в год проведения изысканий. Максимальных значений глубина сезонного оттаива­ния грунтов достигает к концу летнего периода. В том случае когда изыскания проводятся в начале или середине лета и глуби­на сезонного оттаивания грунтов еще не достигла максимальных значений, она должна приводиться к максимуму по существую­щим методикам [18]; Т_bf — температура начала замерзания фунта, °С; T_th,n — расчетная температура поверхности грунта в летний период, °С, учитывающая различие температуры воздуха и ого­ленной поверхности грунта, определяется по формуле:

(5.2)

_, — расчетная продолжительность летнего периода, ч, оп­ределяется с учетом увеличения времени прогрева грунта за счет удаления снежного покрова в весенний период по формуле:

(5.3)

T_th,m и — соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период положительных тем-

82

ператур (°С), и продолжительность этого периода (ч). Значения T_th,m и опре­деляются либо по данным ближайшей

метеостанции за период не менее 10 лет, либо по таблицам [37], где приведены среднемноголетние значения среднемесячных и среднегодовых температур воздуха для опорных метеостанций России; T_th и — соответственно средняя температура воздуха (°С) за период положительных температур и продолжительность этого периода (ч) в год проведения изысканий, принимаемые по ближайшей метеостанции.

Таблица 5.1

Значения коэффициентов k_w и k_w,c

Грунты	Значения коэффициентов kw и kw,c при суммарной влажности грунта Wtot
	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Песчаные	1,0	0,92	0,83	0,75	0,70	-
Пылевато-глинистые	-	1,03	0,94	0,88	0,85	0,83

При отсутствии данных натурных наблюдений нормативную глубину сезонного оттаивания грунта d_th,_п (м), согласно[39], допускается вычислять по формуле:

(5. 4)

где q — параметр, определяющий отток тепла в мерзлый грунт, Вт ∙ ч/м²:

(5.5)

q₁, — удельная теплота таяния мерзлого грунта, Вт ∙ ч/м³ вычисляется по формуле:

83

(5.6)

(5.7)

T_th,c и Т_bf – обозначения те же, что в формуле (5.1); t₁– время, принимаемое равным 3600 ч; – время, принимаемое равным 7500 ч; Т₀ – среднегодовая температура многолетнемерзлого грунта на глубине нулевых годовых амплитуд, °С, которая устанавлива­ется на основании прогнозных расчетов температурного режима грунтов на застроенной территории; _th и – коэффициенты теплопроводности соответственно талого и мерзлого грунта, Вт/(м ∙ °С); C_th и C_f – объемная теплоемкость соответственно талого и мерзлого грунта, Вт ∙ ч/(м³ ∙ °С); к_т – коэффициент, для песчаных грунтов по таблице 5.1 рав­ный 1,0, а для пылевато-глинистых – по табл. 5.2 в зависимости от значения теплоемкости C_f и средней температуры грунта , °С, вычисляемой по формуле:

(5.8)

Таблица 5.2

Величина коэффициентов k_m

Температура,	Значение коэффициента km при объемной теплоемкости , Дж/(м3 . ºС)
-1 -2 -4 -6 -8 -10	6.8 5.2 3.7 3.0 2.5 1.8	5.9 4.5 3.2 2.6 2.2 1.6	5.3 4.4 2.8 2.3 1.9 1.9	5.0 3.7 2.5 2.1 1.6 1.2

84

Удельная теплота таяния мерзлого грунта L_v, Вт∙ч/м³ , вычисляется по формуле:

L_v=L₀(W_lol-W_w)p_d, (5.9)

где L₀= 93 Вт∙ч/кг – удельная теплота фазовых пре­вращений вода – лед (затраты тепла на фазовые переходы); W_tot – суммарная влажность мерзлого грунта, д. ед..

При отсутствии данных натурных наблюдений нормативную глубину сезонного промерзания грунтов, согласно [36], допускается определять по формуле:

(5.10)

где и - соответственно средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур (°С) и продолжительность этого периода, ч. Значения и прини­маются либо по данным ближайшей метеостанции за период не менее чем 10 лет, либо по [37]; q₂ — удельные затраты тепла на замерзание талого грунта, (Вт^.ч)/м³ :

q₂=L_v-0,5C_f(T_fm-T_bf), (5.11)

где L_v — удельная теплота замерзания грунта, (Вт^.ч)/м³, определяемая по формуле (5.9); содержание незамерзшей воды в формуле (5.9) определяется при температуре грунта , °С. Остальные обозначения те же, что в формуле (5.4).

Расчетные глубины сезонного оттаивания и промерзания грунта определяются с учетом теплового влияния зданий и соору­жений и используются при решении задач механичес-

85

кого взаи­модействия сооружений с многолетнемерзлыми грунтами, напри­мер при определении несущей способности оснований, расчете оснований и фундаментов по устойчивости на воздействие сил морозного пучения.

Расчетная глубина сезонного оттаивания d_th и расчетная глубина сезонного промерзания грунта d_f определяются по формулам [39]:

(5.12)

(5.13)

где d_{th, п} и d_{f п} — нормативные глубины соответственно сезонного оттаивания и сезонного промерзания грунта; и k_h — коэффи­циенты теплового влияния сооружения. Значения коэффициен­тов k'_h и k_h для зданий и сооружений с холодным подпольем, когда многолетнемерзлые грунты используются по Принципу I, приведены в табл. 5.3, здесь же даны значения коэффициента k_h для отапливаемых зданий и сооружений при использовании многолетнемерзлых грунтов по Принципу II.

Таблица 5.3

Значения коэффициентов и

Сооружения
Здания и сооружения без холодного подполья	-	-
Здания и сооружения с холодным подпольем:	1.2	-
у наружных стен с отмостками, имеющими твердые покрытия;
у наружных стен с отмостками без твердых покрытий;	1.0	-
у внутренних опор	0.8	-

Примечание. Значения, приведенные в таблице, не распространяются на случаи теплоизоляции и др. теплозащитных мероприятий.

86

Управление нормативной глубиной сезонного оттаивания грунтов производится путем расчета теплоизоляционных покрытий по следующей методике:

, (5.14)

где - табулированный коэффициент, определяемый в зависимости от безразмерного комплекса К (табл. 6).

. (5.15)

где -средняя за теплый период температура воздуха, ºС; - температура начала замерзания грунта, ºС; - см. формулу 5.7.

Таблица 5.4

Значения коэффициента

К	0,01	0,015	0,05	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4
	100	65	18	10	4,5	1,8	1,0	0,65	0,4	0,25	0,15

Управление глубиной сезонного промерзания грунтов при наличии на поверхности теплоизоляции производится по формуле

, (5.16)

где , (5.17)

здесь толщина теплоизоляционного слоя, м.

87

Основные теплоизоляционные материалы и их характеристики, применяемые для управления глубиной сезонного оттаивания (промерзания) грунтов приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.7

Теплоизоляционные материалы и их свойства

Теплоизоляционный материал	, кг/м3	, МПа	t, ºC	, КДж/м·ч· ºC	Водопог- лощение	Огнестой- кость
Пенополистерол	30-200	0,15-3,0	+60÷-100	0,13-2,26	15-1	С. затух.
Пенополивинил- хлорид	50-270	0,23-2,5	+60÷-60	0,16-0,22	10-3	Т. восп.
Фенольный пенно- пласт	80-150	0,25-0,7	+130÷-50	0,16-0,22	28-8	Негор.
Мочевиноформаль- дегидный порошок	10-25	0,02-0,04	+110÷-200	0,13-0,17	75-85	Негор.
Поропласт МФП	12-35	0,03-0,05	+100÷-60	0,13-0,17	75-85	Т. восп.
Водовоздушная пена	10-100	0,1	<-10	0,147	-	Т. восп.
Быстротвердеющая пена (БТП)	10-100	0,1	+30÷-60	0,19-0,24	-	Т. восп.
ПС-1	80-200	0,25	+60÷-60	0,159	0,4	Т. восп.
ПС-4	45-80	0,13-0,17	+60÷-60	0,122	0,8	Т. восп.
ПХВ-1, ПХВ-2	100-212	-	+60÷-60	0,176	-	Т. восп.
Пенополиуритан	80-100	0,15	+130÷-180	0,176	8,35	Т. восп.
					2-8	Т. восп.

Примечания: - плотность покрытия, - прочность покрытия на одноосное сжатие, - коэффициент теплопроводности покрытия; С. затух. – самозатухающий, Т. восп. – трудновоспламеняемый, Негор. – негорючий.