Рекомендации по расчету осадок свай в пластичномерзлых грунтах

НИИОСП

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ имени Н.М. ГЕРСЕВАНОВА ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ
ОСАДОК СВАЙ
В ПЛАСТИЧНОМЕРЗЛЫХ
ГРУНТАХ

МОСКВА - 1983

1. Общие положения

1.1. Настоящие Рекомендации составлены к главе СНиП II-18-76 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» и предназначены для проектных и строительных организаций, осуществляющих проектирование и устройство свайных фундаментов на пластичномерзлых грунтах.

1.2. Метод расчета осадок свай, изложенный в настоящих Рекомендациях, позволяет учитывать большинство факторов, определяющих взаимодействие сваи и мерзлого грунта.

2. Расчет осадок свай в пластично-мерзлых грунтах

2.1. Осадка S, м, одиночной сваи в пластичномерзлых грунтах определяется по следующей формуле:

где l - длина сваи, м, отсчитываемая от верхней поверхности вечномерзлых грунтов;

T - средняя продолжительность месяца, равная 730 ч;

n - число месяцев за расчетный период

N_i,  - соответственно расчетная вертикальная нагрузка, Н, на сваю от здания (сооружения) и средневзвешенное по длине сваи значение, Па, расчетного сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности сваи (п. 2.3) в середине i-го месяца с начала загружения сваи;

m; a; a₀, r^ma - осредненные значения реологических характеристик деформируемости мерзлого грунта (раздел 3 настоящих Рекомендаций), представляющих собой параметры степенного уравнения ползучести;

æ - коэффициент, определяемый по номограмме рис. 1 в зависимости от значения m и отношения длины сваи l к ее приведенному диаметру d, м (п. 2.4).

2.2. Расчет осадок свай по формуле (1) осуществляется вручную или на ЭВМ согласно блок-схеме, приводимой в прил. 1.

2.3. Значения  рассчитываются по формуле:

Рис. 1. Номограмма для определения параметра æ

где М - число однородных слоев грунта вдоль рабочей длины сваи;

l_j - мощность j-го слоя;

 - расчетное сопротивление мерзлого грунта j-го слоя сдвигу по боковой поверхности сваи, определяемое по табл. 3 прил. 6 главы СНиП II-18-76 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» при средней по длине сваи температуре грунта t_i в середине i-го месяца с начала загружения сваи (п. 2.5).

2.4. Приведенный диаметр d сваи рассчитывается по формуле

где u - периметр поперечного сечения сваи, м.

2.5. Средняя по длине сваи температура грунта t_i (п. 2.3) определяется на основании теплотехнического расчета по аналитическим формулам [1] или более точно на ЭВМ [2].

Для зданий с холодным подпольем допускается определять температуру t_i по приближенной формуле:

где t₁ - среднее по длине сваи максимальное значение температуры грунта в естественных условиях;

t₂ - среднее по длине сваи максимальное значение температуры грунта при установившемся стационарно-периодическом режиме;

i_у - число месяцев с начала эксплуатации подполья до установления стационарно-периодического режима.

2.6. Значения t₁ и t₂ (п. 2.5) определяются с использованием формул (14) и (15) главы СНиП II-18-76. При этом значение t₁ рассчитывается без учета влияния подполья при t¢₀ = t₀,

где t_о - температура вечномерзлого грунта, °С, на глубине 10 м (см. п. 4.10 главы СНиП II-18-76);

t¢_о - среднегодовая температура вечномерзлого грунта, °С, на его верхней поверхности, устанавливающаяся при эксплуатации зданий и сооружений (см. п. 4.11 главы СНиП II-18-76).

3. Определение расчетных характеристик

3.1. Реологические характеристики деформируемости мерзлого грунта m, a, a_о следует определять на основании данных полевых испытаний свай статическими осевыми ступенчато-возрастающими вдавливающими нагрузками [3] по методике, изложенной в Рекомендациях (пп. 3.2 - 3.10).

Примечания: 1. Размеры опытной сваи могут отличаться от размеров проектируемых свай. В частности, могут быть использованы инвентарные сваи малого сечения. 2. Если основание неоднородно по глубине, то глубины погружения опытной и проектируемой свай должны быть одинаковы.

3.2. Выбираются ступени затухающего деформирования (рис. 2), нагрузка N на которых не превышает нормативного значения предельно длительного сопротивления Р^н основания сваи статической нагрузке [3].

3.3. На каждой ступени затухающего деформирования рассчитывается осадка ползучести S^c (рис. 3) по формуле:

где S_о - мгновенная осадка сваи, возникающая в момент приложения внешней нагрузки.

Рис. 2. Результаты полевого испытания сваи вдавливающими ступенчато-возрастающими нагрузками, равными:

1 - 3´10⁵ H; 2 - 4´10⁵ H; 3 - 5´10⁵ H; 4 - 6´10⁵ H; 5 - 7´10⁵ H

Рис. 3. Развитие осадки ползучести сваи во времени. Обозначения те же, что и на рис. 2.

3.4. Рассчитывается скорость изменения осадки ползучести в процессе испытания сваи:

где S_k-1, S_k - значения осадок сваи по результатам испытаний в моменты времени t_k-1, t_k.

3.5. На каждой ступени затухающего деформирования строится график в координатах lgv_s - lgS^c (рис. 4) и методом наименьших квадратов определяется коэффициент b уравнения линейной регрессии

где X = lgS^c, Y = lgv_s. Графически b представляет собой тангенс угла наклона опытной прямой к оси абсцисс.

3.6. Определяется среднее значение b:

Рис. 4. Зависимость скорости осадки от осадки ползучести сваи в логарифмическом масштабе. Обозначения те же, что и на рис. 2

где L - число ступеней затухающего деформирования;

b_j - значение коэффициента b на j-й ступени.

3.7. Рассчитывается значение параметра a:

3.8. Все опытные точки на ступенях затухающего деформирования наносятся на график в координатах lgN - lg(v_sS^c(1-a)/a) (рис. 5) и методом наименьших квадратов определяются параметры g и w уравнения линейной регрессии

-lg(v_sS^c(1-a)/a)

Рис. 5. Результаты испытания сваи в обобщенных логарифмических координатах

где Х = lg(v_sS^c(1-a)/a), Y = lgN. Графически g представляет собой тангенс угла наклона опытной прямой к оси абсцисс, a w - ординату точки пересечения прямой с осью ординат.

3.9. Рассчитывается значение параметра m:

3.10. Рассчитывается значение параметра a₀:

где æ - определяется по номограмме рис. 1 в зависимости от значения т и отношения l_оп/d_оп, где l_оп - длина части опытной сваи, м, находящейся в мерзлом грунте во время испытания; d_оп - приведенный диаметр опытной сваи, м (п. 2.4);

 - средневзвешенное по длине опытной сваи значение расчетного сопротивления мерзлых грунтов сдвигу по боковой поверхности сваи, определяемое по формуле (2) при температуре t_оп - средней по длине сваи температуре основания в процессе испытания опытной сваи.

3.11. Для предварительных расчетов при наличии однородных оснований характеристики m, a, a₀ допускается определять по данным опытов на ползучесть мерзлого грунта в лабораторных условиях (сдвиг, одноосное сжатие, трехосное сжатие и т.д.; п.п. 3.12 - 3.15) или по таблице.

Значение параметров a₀, т, a

3.12. При определении характеристик т, a, a₀ по результатам лабораторных опытов проводится серия испытаний образцов-близнецов мерзлого грунта на ползучесть при постоянных в течение каждого опыта напряжениях и температуре.

3.13. Результаты опытов оформляются в виде серии кривых ползучести g_и - t (рис. 6), где g_и - интенсивность деформаций сдвига, t - время, ч. Каждая кривая ползучести соответствует своему значению интенсивности касательных напряжений t_и, Па. Выражения для g_и и t_и приведены в прил. 2.

3.14. Обработка результатов опытов осуществляется по методике, аналогично изложенной в [4], с использованием кривых затухающего деформирования, для которых значение t_и не превышает предела длительной прочности [4]. В процессе обработки определяются параметры m; a; a, Па×ч^ma, степенного уравнения ползучести

Рис. 6. Зависимость интенсивности деформаций сдвига от времени при различных значениях интенсивности касательных напряжений, равных, Па:

1 - 0,25´10⁶; 2 - 0,5´10⁶; 3 - 0,75´10⁶; 4 - 10´10⁶; 5 - 1,25´10⁶

3.15. Параметр a₀ рассчитывается по формуле:

где R_см - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности сваи, определяемое по табл. 3 прил. 6 главы СНиП II-18-76 при температуре испытания.

4. Технико-экономическая эффективность использования Рекомендаций

Использование метода расчета осадок свай в пластичномерзлых грунтах, изложенного в настоящих Рекомендациях, позволяет повысить расчетные нагрузки на сваи по сравнению с определенными по главе СНиП II-18-76 и тем самым сократить число свай на 10 ¸ 20 %. В пересчете на 1 сваю экономия в среднем составляет около 80 руб.

5. Примеры пользования Рекомендациями

5.1. Пример 1. На рис. 2 представлены результаты испытания сваи статической, вдавливающей, ступенчато-возрастающей нагрузкой. Свая сечением 40´40 см погружена на глубину 5,5 м в мерзлый песок. Средняя по длине сваи температура грунта в процессе испытания равна - 0,7 °С. Требуется определить деформационные характеристики m, a, a₀ исследуемого мерзлого песка.

Для определения указанных характеристик произведем обработку результатов испытаний согласно методике, изложенной в разделе 3. Вначале выбираем ступени затухающего деформирования. Такими ступенями являются первые четыре ступени вплоть до нагрузки Р^н = 6´10⁵ Н. На каждой ступени затухающего деформирования рассчитываем осадку ползучести S^с (см. рис. 3), а также скорость изменения осадки ползучести v_s, после чего опытные точки наносим на график в координатах lgv_s - lgS^c (см. рис. 4). Методом наименьших квадратов спрямляем опытные данные на каждой ступени и определяем значения параметра b. Эти значения оказались следующими: b₁ = 3,26; b₂ = 3,14; b₃ = 3,93; b₄ = 3,27. Среднее значение b, согласно полученным данным, равно b = 3,4. Тогда

Далее опытные дочки наносим на график (см. рис. 5) в координатах  и спрямляем их методом наименьших квадратов. В результате получим [см. формулу (8)] g = 0,0651, w = 6,78. В таком случае

Рассчитываем значение  при температуре испытания, равной -0,7 °С. Поскольку основание в данном случае однородно и сложено песчаным грунтом, по табл. 3 прил. 6 главы СНиП II-18-76 находим .

Определим приведенный диаметр опытной сваи

Длина опытной сваи по условию равна l_оп = 5,5 м. В таком случае l_оп/d_оп = 10,8. По номограмме рис. 1 при l/d = 10,8 и m = 0,287 находим значение æ = 0,96, после чего определим значение a_о с использованием формулы (10):

Итак, окончательно имеем: т = 0,287; a = 0,227; a_о = 2,84r^ma.

5.2. Пример 2. Требуется оценить эффективность применения термосвай в фундаменте здания. Расчетные средние по длине сваи температуры грунта при наличии только проветриваемого подполья и подполья, совмещенного с термосваями, приведены на рис. 7 [2].

Рис. 7. Изменение средней по длине сваи температуры грунта под зданием:

1 - при наличии проветриваемого подполья; 2 - при наличии проветриваемого подполья, совмещенного с термосваями

Сваи сечением 30´30 см погружены в вечномерзлый грунт на глубину 6,8 м. В основании залегают глинистые грунты. Расчетные характеристики грунтов следующие: m = 0,51; a = 0,50; a_о = 14,7r^ma. На сваи действует постоянная нагрузка N = 3,03´10⁵. Предельно допустимая величина совместной деформации основания и здания равна S_пр = 8 см.

Рассчитаем осадку свай в случаях, когда предусматривается только проветриваемое подполье и подполье, совмещенное с термосваями. Приведенный диаметр свай

Отношение l/d = 6,8/0,382 = 17,8. По номограмме рис. 1 определим значение æ при m = 0,51 и l/d = 17,8: æ = 0,88. Подставляя найденные значения, а также значения температур согласно рис. 7 в формулу (1), получим расчетные кривые изменения осадок свай (рис. 8).

Рис. 8. Развитие расчетной осадки сваи во времени:

1 - при наличии проветриваемого подполья; 2 - при наличии проветриваемого подполья, совмещенного с термосваями

Как видно, когда охлаждение осуществляется только с помощью проветриваемого подполья, осадки свай за 50 лет достигают 13 см, что превышает S_пр = 8 см. В случае, когда проветриваемое подполье совмещено с термосваями, конечная осадка не достигает и 6 см. Таким образом, расчет осадок свай показал, что в условиях данного примера применение термосвай является весьма эффективным.

Приложение 1. Блок-схема для расчета осадок сваи на ЭВМ

Расчет осадок свай по формуле (1) может выполняться на ЭВМ по следующему алгоритму.

Приложение 2. Определение t_и и g_и.

Значения интенсивностей касательных напряжений и деформаций сдвига определяются по следующим формулам:

где s_x, s_y, s_z, t_xy, t_xz, t_yz и e_x, e_y, e_z, g_xy, g_xz, g_yz - соответственно компоненты напряжений и деформаций в декартовой системе координат x, y, z.

Список литературы

1. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами, М., Наука, 1970.

2. Makarov V.I. at all. Construction of multy-storey buildings on refrigerated piles in the city of Mirnyi. Int. Conf. on Permafrost (Third). Proc., Edmonton, Canada, 1978, vol. 1.

3. ГОСТ 24546-81. Сваи. Методы полевых испытаний в вечномерзлых грунтах. М., Издательство стандартов, 1981.

4. Вялов С.С. и др. Методика определения характеристик ползучести, длительной прочности и сжимаемости мерзлых грунтов. М., Наука, 1966.

СОДЕРЖАНИЕ