Под морозным (криогенным) пучением понимается внутриобъемное деформирование промерзающих влажных почв, нескальных горных пород и грунтов, приводящее к увеличению их объема вследствие кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральной составляющей при образовании ледяных включений в виде прослойков, линз, поликристаллов и т.д.
Различают следующие виды восприятия силового эффекта морозного пучения:
- касательные силы пучения;
- нормальные силы пучения.
Замерзая около фундамента, грунт примерзает к его боковой поверхности. Развивающиеся в зоне промерзания собственно силы пучения стремятся переместить вместе с вышележащим слоем мерзлого грунта фундамент вверх, чему противодействуют его защемление в нижележащих слоях грунта и нагрузка от сооружения. При этом возникает нарушение статических связей смерзания (прочности смерзания) грунта с фундаментом, в результате чего возникает смещение - сдвиг мерзлого пласта относительно фундамента. Сопротивление смещению слоя мерзлого грунта относительно боковой поверхности фундамента обусловливает касательные силы пучения. Величина этих сил возрастает по мере увеличения площади контактных связей мерзлого грунта с фундаментом
Собственно силы пучения, действующие перпендикулярно поверхности фундамента или заложенного в грунт сооружения (трубопровод, стенки канала и пр.) ниже глубины промерзания грунта определяют нормальные силы пучения
Нормальные силы морозного пучения, очевидно, более неблагоприятны, опасны, поскольку действуют на подошву непосредственно снизу и имеют большие значения усилий. Этим обстоятельством обусловлено требование по минимальной глубине заложения подошвы фундаментов сооружений, продиктованное разд. 5.5 СП 22.13330.2016. Однако, например, при большой глубине слоя промерзающего/оттаивающего грунта (3 и более метров) выполнить указанное требование либо не представляется возможным, либо технически или экономически не оправдано. Такое решение допускается, согласно п. 6.2.3 СП 25.13330.2012
Не вдаваясь глубоко в тему, касательные силы морозного пучения вычислить достаточно просто. Значения указанных усилий приведены, в частности, в табл. Ж.1 СП 24.13330.2011. Данная таблица приведена ниже.
Табл. 1 - Значение касательных сил морозного пучения
Соответственно, для определения выталкивающих усилий от касательных сил пучения следует значение τ, приведенное в таблице 1 выше, умножить на площадь боковых поверхностей сооружения, попадающих в зону сезонного промерзания грунтов.
Отдельными случаями будет являться устройство сооружений с наклонными с тенами или обмазка боковых стен сооружения пластичными смазками, уменьшающими касательные силы морозного пучения. В данном разделе указанные обстоятельства не рассматриваем.
Если с касательными силами пучения сложностей обычно не возникает, то методика вычисления нормальных сил морозного пучения иногда вызывает вопросы. Промерзание морозоопасного грунта под подошвой фундамента вызывает развитие нормальных сил пучения, среднеинтегральное значение которых зависит от мощности слоя грунта, промерзающего под фундаментом, его температуры, скорости пучения, а также площади подошвы фундамента. Значение возрастает пропорционально понижению температуры, увеличению мощности слоя и скорости пучения промерзающего грунта, а также уменьшению площади подошвы фундамента. Т.е. очень важным для оценки нормальных сил морозного пучения является размер подошвы фундамента.
Оценить эти усилия, не вдаваясь в расчеты, весьма проблематично. Например, исходя из данных Руководства по проектированию фундаментов на пучинистых грунтах, приведенных ниже в таблице 2, при площади подошвы фундамента более 1 м² для слабопучинистых грунтов значение нормальных усилий не вычисляется (в таблице стоит прочерк).
Табл. 2 - Значение нормального давления морозного пучения, кг/см², создаваемого слоем промерзшего грунта толщиной 1 см
Однако, имея дело с грунтами, как сложной системой, имеющей очень непредсказуемое поведение, лучше перестраховаться и попытаться определить нормальные силы пучения, исходя хотя бы из каких-то данных по температурному режиму, глубине промерзания и по другим параметрам. В этом смысле можно применить методику, изложенную в Рекомендациях по проектированию и расчету мелкозаглубленных фундаментов на пучинистых грунтах и частично продублированную в Рекомендациях по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов.
В данной статье приведем удобный алгоритм расчета нормальных сил морозного пучения.
Рис. 1 - Рассматриваемое сооружение
Размеры сооружения приведены на рис. 1. Глубина сезонного промерзания df превышает глубину заложения подошвы d. Также можно учесть толщину подушки под подошвой hП из заранее известного непучинистого материала.
1. Находим скорость пучения Vf по табл. 3. Также скорость пучения можно вычислить из формулы, приведенной в методике статьи На сколько поднимется фундамент при пучении грунта.
Табл. 3 - Значения скорости морозного пучения, мм/час
2. Находим среднюю температуру наиболее холодного месяца Tmin для данного региона по СП 131.13330.2018
3. Находим продолжительность периода, сут., с температурами ниже нуля t0 для данного региона по СП 131.13330.2018
4. Находим продолжительность периода промерзания грунта td по формуле:
5. Находим расчетную температуру грунта у поверхности планировки в период его промерзания TП по формуле:
6. Находим расчетную температуру грунта под фундаментом Td по формуле:
7. По табл. 4 находим значение сопротивления сдвигу мерзлого грунта σS, кПа
Табл. 4 - Значение сопротивления сдвигу мерзлого грунта, кПа
8. По графику рис. 2 находим коэффициент Ка
Рис. 2 - Коэффициент Ка
9. Давление Р, кПа, нормальных сил морозного пучения на подошву фундамента, действующих снизу вверх, находим из формулы:
,где а и b - стороны подошвы фундамента. Для круглой подошвы диаметром D принимается a = b = D
Окончательное значение нормальных сил морозного пучения рекомендуется принимать большим из двух значений - найденного по формуле выше и приведенного в табл. 2.
Закрыть