Вы здесь: Реконструкция деревянного дома =>Основания и фундаменты =>Морозное пучение

Морозное пучение

Пример расчета

Ниже, в качестве примера, приведен расчет фундамента реконструируемого деревянного дома (также см. замена фундамента и устройство фундамета) по деформациям морозного пучения грунта основания.

    Ширина столбчатых фундаментов дома - b = 0,2 м, длина l = 0.4 м, количество - 11 шт.
    Глубина заложения подошвы фундамента от поверхности природного рельефа d = 0,6 м.
    Расчетная нагрузка на основание фундамента для расчета деформаций морозного пучения грунта F = 89 кН.
    Среднее давление под подошвой фундамента p = F / S = 89 / 0, 88 = 101кПа,
    Площадь подошвы столбчатых фудаментов S = b•l;•n = 0,2•0,4•11 = 0,88 м2.
Характеристики грунта под подошвой определяются для слоя грунта ниже подошвы фундамента z = b/2 = 0,1 м. Реконструированный дом расположен в окрестностях г. Дмитров на осушенном заболоченном участке вырубленного смешанного леса.
Грунтовые условия участка:
  1. напластование грунтов (см. Определение свойств грунтов)
    1. слой - задерненный растительный грунт h1 = 0,2 м, γ' = 12,0 кН/м3
    2. слой - песок пылеватый средней плотности с относительным содержанием растительных остатков 0,10-0,03. γ' = 18,4 кН/м3, h2 = 0.4 м.
    3. слой - песок пылеватый, γ = 19,15 кН/м3, влажный, степень влажности Sr = 0,7, e = 0,61, h3 = 1,09 м.
    4. слой - песок пылеватый водонасыщенный γ = 20,3 кН/м3, φ = 30°, с = 3.
  2. Расчетный уровень грунтовых вод в рассматриваемом примере составляет Hpmp = 1,69 м.

Разновидности пучинистых грунтов, характеризующися относительной деформацией пучения ε fn, приведены в Приложении Б ГОСТ 25100-2011, Степень пучинистости грунтов определяется согласно ГОСТ 28622-2012, СП 22.13330.2011, ОСН АПК 2.10.01.001-04)
Согласно п.4.9. ОСН АПК 2.10.01.001-04 пески пылеватые при степени влажности 0,6 < Sr ≤ 0,8, относятся к слабопучинистым грунтам, для которых принимается относительной деформации пучения εfh = 0,04.

Устойчивость фундаментов на действие касательных сил
морозного пучения грунтов

Устойчивость фундаментов проверяют по формуле (1) ТСН 50-303-99

γττfhAfh ≤ F       (1)

где
    γτ - коэффициент условий работы основания по боковой поверхности фундамента, принимаемый: при засыпке пазух траншей (котлованов) местным пучинистым грунтом, равным 1; при засыпке пазух шириной 20, 40 и 60 см непучинистым материалом, равным соответственно 0,6; 0,45и 0,35;
    τfh - расчетная удельная касательная сила пучения, кПа, принимаемая согласно указаниям 7.4.3 СП 22.13330.2011;
    Afh - площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах расчетной глубины сезонного промерзания-оттаивания грунта, м;
    F - расчетная нагрузка на фундамент, кН, принимаемая с коэффициентом 0,9 по наиболее невыгодному сочетанию нагрузок и воздействий, включая выдергивающие (ветровые, и т.п.);

При заложении фундамента выше расчетной глубины замерзания грунта расчетное значение силы, кН, удерживающей фундамент от выпучивания вследствие трения его боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания Ffr=0.

В нижеследующей таблице приведены результаты расчета устойчивости на действие касательных сил морозного пучения грунтов основания устройства трех вариантов устройства фундамента:

  1. пазухи котлованов, заполнены извлеченным грунтом,
  2. - пазухи котлованов шириной δ = 0.7 м, заполнены песком средней крупности
  3. засыпка пазухов котлованов шириной δ = 0.3 м и подушка, толщиной hп = 0,2 м выполнены из песка средней крупности.

Расчетная глубина сезонного промерзания грунта на участке строительства составляет df = 1,63 м.
По таблице 6.11, интерполяруя, с учетом примечания 3, определям значение удельной касательной силы морозного пучения τfh при расчетной глубине сезонного промерзания - оттаивания, df = 1,63 м:

τfh = 68,8•0,9 = 61,9 кН.

Площадь боковой поверхности смерзания фундамента в пределах глубины hi = 0,4 м сезонного промерзания-оттаивания пучинистого грунта (см. выше - слой II) равна Afh = a•b•n•hs, м ;
Таблица 1 - Устойчивость фундаментов на действие касательных сил морозного пучения грунтов
вариант фундамента условие (1) δ, м h, м hп, м γτ F,кН τfh,кН Afh2
I ложь 0 0,4 0 1 89 61,9 5,28
II истина 0,62 0,4 0 0,27 89 61,9 5.28
III истина 0,3 0,2 0,2 0,49 86 61,9 2,64

При реконструкции дома (2007 г.) ширина пазухов котлованов, заполнемая песком средней крупности составляла только δ = 0.2 - 0,4 м (см. фото строительства). Песчанная подушка не устраивалась. С момента окончания строительства прошло более 7 лет, дефорфаций основания фундамета не наблюдалось.

Деформаций морозного пучения грунта основания фундамента

   Входящая в формулы таблицы 1, приложения 4. ТСН МФ-97 МО величина подъема ненагруженной поверхности грунта hf, определяется по формуле

hf = εfidf       (3)

    где εfh - относительная деформация морозного пучения грунта, доли ед., определяется по результатам испытаний грунтов или по графикам (см. рис.1);
    df - расчетная глубина сезонного промерзания грунта, определяемая по формуле (5.4 см. 5.5.4 СП 22.13330.2011 ) равна df = 1,63 м.
   Относительная деформация морозного пучения глинистых грунтов εfh определяется по графикам ( рис.1) с использованием параметра Rf, вычисляемого согласно п.4.10. раздела 4 ОСН АПК 2.10.01.001-043

    Для песков пылеватых и мелких, крупнообломочных грунтов с заполнителем можно использовать значения относительной деформации морозного пучения грунта, приведенные в п. 4.9 Приложения 3.
   Согласно п. 4.9 ОСН АПК 2.10.01.001-04 песок пылеватый, из которого сложено основание в рассматриваемом примере, при степени влажности 0,6 < Sr ≤ 0,8 относятся к слабопучинистому грунту, для которого принимается εf = 0,04.
   Величина подъема ненагруженной поверхности грунта, определяется по формуле (3), в рассматриваемом случае при толщине слоя промерзающего пучинистого грунта df' = df - h1 = 1,63 - 0,2 (растительный грунт) = 1,43 м составит:

hf= εfh×df' = 0,04×1,43 = 0,057 м.


   При неглубоком расположении уровне грунтовых вод dw ниже расчетной глубины сезонного промерзания dfh пылеватого песчанного грунта (III слой) менее велины z = 1 (см. табл. 2.2.)

dw - dfh = 1,69 - 1,63 = 0,06 м < z = 1,0

подъем при пучении ненагруженного основания грунта ниже подошвы фундамента hfi определяется согласно п.2 таблицы 1 по формуле

hfi = hf{1- [(d + hn)/0,75df}}2/3 м.

   Результаты расчета при глубине заложения фундамента d и толщине подушки hп устройства трех вариантов столбчатых фундаментов, рассматриваемых для реконструкции деревянного дома, приведены в нижеследующей таблице.

Таблица 2 - результаты расчета вариантов столбчатых фундаментов
вариант фундамента hfi,см hf,см d,м hп d'f
1 2,53 5,72 0,6 0 1,43
2 2,53 5,72 0,4 0,2 1,43
3 2,09 5,72 0,4 0,3 1,43


Удельная нормальная сила пучения Рг, МПа, рассчитывается по формуле

Pr = ahfi/(mDb)        (6)

    a -эмпирический коэффициент, МПа, принимаемый равным

    a=2+5,38Vfi

    b - ширина фундамента, см;
    m - коэффициент условий работы основания под подошвой фундамента, принимаемый
    m=1 для ленточных фундаментов и m = (A/A1)0,5 для столбчатых фундаментов,
    А - площадь фудамента, A1 = 1м2
    D - коэффициент, равный: Dn = 0,32(4+ln(df - d)/b) для ленточных фундаментов и Dc = 0,6•Ψ0,5arctg(2df - d)/(b•Ψ0,5) - для столбчатых; Ψ = 3,76 при l/b=2 и Ψ = 2,04 и при l/b=1 Значения коэффициента ψ зависят от отношения длины подошвы столбчатого фундамента l к ее ширине b и определяются по нижеследующей таблице (см. таблицу 2 Приложения 3 ОСН АПК 2.10.01.001-04)

    Таблица 3 - Значения коэффициента ψ
    1/ b 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
    ψ 2,04 2,35 2,7 3,15 3,48 3,76

    Vfi - средняя скорость пучения грунта, промерзающего ниже подошвы фундамента определяется по формуле

    Vfi = hfi/td        (4)

      где td - продолжительность зимнего периода, мес., рассчитывается по формуле (5)

      td = to{1-[(d+hn)/df)]}        (5)

      t0 - продолжительность зимнего периода, мес., определяется по таблице 1 СНиП 23-01-99.
      d - глубина заложения фундмента,
      hn - толщина песчанной подушки,
      df - расчентая глубина промерзания грунта.

Продолжительность зимнего периода на участке строительства, определенная по таблице 1 СНиП 23-01-99.(СП 131.133330.2012 Актуализированная редакция) составляет 147 дней или 4,9 мес.
Рассчитанные значения эмпирического коэффициета a, зависящего от скорость пучения грунта, промерзающего ниже подошвы фундамента, приведены в нижеследующей таблице.

Таблица 4 - Рассчитанные значения эмпирического коэффициета a
вариант фундамента a, Мпа Vfi, см/месяц td, месяц hfi, см d, м hп, м df
1 5,21 0,60 4,2 2,53 0,6 0 1,63
2 5,21 0,60 4,2 2,53 0,4 0,2 1,63
3 4,8 0,52 3,9 2,09 0,4 0,3 1,63


Подъем основания фундамента при промерзании пучинистого грунта под его подошвой с учетом передаваемого на грунт давления от здания определяется по формуле

hfp = hfi(1-βP/Pr)

β - коэффициент, учитывающий влияние толщины подушки на напряженное состояние подстилающего ее пучинистого грунта, определяется по таблице 3 Приложения 3 ОСН АПК 2.10.01.001-04 (см. ниже). β = 1 при hp = 0

Таблица. β коэффициент, учитывающий влияние толщины подушки
Отношение толщины подушки к ширине подошвы фундамента
hп
b
Коэффициент β
Фундамент
Ленточный Cтолбчатый при l / b
1,0 1,2 1,4 1.6 1,8 2,0
0,00 1,0 1,0 1,0 1,0 1.0 1,0 1,0
0,25 0,9 0,89 0,90 0,92 0,93 0,94 0,95
0,50 0,8 0,67 0,70 0,73 0,76 0,78 0,79
0,75 0,70 0,48 0,51 0,55 0,58 0,61 0,63
1,00 0,60 0,34 0,37 0,40 0,44 0,46 0,49
1,25 0,50 0,25 0,27 0,30 0,34 0,36 0,39
1,50 0,40 0,18 0,21 0,23 0,26 0,28 0,26

В нижеследующей таблице приведены результаты проверки трех вариантов столбчатого фундамента реконструиемого дома на воздействия нормальных сил морозного пучения грунта на основание фундамента.

Таблица 5. Результаты проверки вариантов столбчатого фундамента
вариант фундамента hfp, см hfp / L p, кПа Pr, кПа β a, Мпа m Dc hп / b
1 2,4 0,014 0,092 1,49 1 5,21 0,28 1,56 0
2 2,4 0,014 0,092 1,49 0,49 5,21 0,28 1,56 1
3 2,0 0,015 0,089 1,10 0,3 4,80 0,28 1,61 1,5


Результаты расчета показали, что при устройстве любого из рассмотренные вариантов столбчатого фундамента, величина подъема hfp основания фундамента реконструируемого деревянного дома вследствие морозного пучения грунта не превыcит предельно допустимого по ОСН АПК 2.10.01.001-04 значения Su = 5,0 см.

Наверх