§ 3. Расчетная мощность деятельного слоя

Выбор метода использования грунтов в качестве оснований зданий требует знания мощности деятельного слоя в районе строительства.

Как известно, сезонное промерзание и протаивание сопровождаются перераспределением влаги, изменением ее агрегатного состояния и объема, вследствие чего возникают напряжения и деформации, оказывающие влияние на подземные части сооружений. Поэтому при проектировании фундаментов необходимо знать мощность слоя грунта, в котором происходят интенсивные фазовые переходы влаги для установления:

• глубины заложения фундаментов в соответствии с минимальными значениями, установленными СН 91-60;
• сил, выпучивающих фундаменты;
• расчетной температуры мерзлого грунта на уровне подошвы фундамента, определяющей несущую способность мерзлого основания;
• осадки поверхности или насыпи, отсыпаемой на грунтах деятельного слоя;
• влияния на сооружения надмерзлотных вод.

В естественных условиях деятельный слой не остается постоянным и изменяется в зависимости от теплопритока в зимний и летний периоды, снегоотложений режима грунтовых вод. Кроме того, как уже отмечалось выше, застройка площадки приводит к еще большему изменению мощности деятельного слоя.

Поэтому при проектировании фундаментов различают мощность деятельного слоя:

• естественную H^е, измеренную при изысканиях в грунтах с естественной влажностью;
• нормативную H^н, определяемую как максимальную по многолетним данным на площадке без растительного покрова с учетом возможного понижения влажности грунта при застройке;
• расчетную H, определяемую с учетом теплового влияния возводимых сооружений.

Естественная мощность деятельного слоя используется в расчетах осадки поверхности грунта, вызванной увеличением глубины сезонного протаивания в результате застройки. В остальных случаях расчеты оснований и фундаментов производятся по

(III-27)

где m_t - коэффициент теплового влияния сооружения, определяемый по табл. III-15.

Таблица III-15. Значения коэффициентов теплового влияния

Устройство на грунте черных покрытий, не защищенных от солнечной радиации, приводит к увеличению температуры поверхности, а следовательно, и глубины сезонного протаивания. В этом случае коэффициент теплового влияния определяется расчетом в зависимости от альбедо или же оценивается приближенно по табл. III-16, составленной по данным Н. В. Алабышевой.

Таблица III-16. Коэффициент теплового влияния черных покрытий

Рис. III-17. Схематическая карта значений температуры поверхности грунта за период сезонного протаивания

Расчетная температура поверхности t_n может быть установлена по изотермам (рис. III-17). При этом период положительных температур ориентировочно определяется по карте, приведенной на рис. III-18.

Рис. III-18. Схематическая карта значений периода положительных температур поверхности грунта в ч

При совместном применении коэффициентов табл. III-14 и III-15 они перемножаются.

Нормативная мощность деятельного слоя определяется:

• при несливающемся деятельном слое - глубиной сезонного промерзания в соответствии с указаниями норм проектирования оснований и фундаментов на немерзлых грунтах (СНиП II-Б. I-62) при сливающемся деятельном слое - глубиной сезонного протаивания, наибольшей за ряд лет (не менее 10) в условиях осушенной площадки без растительного покрова.

Рис. III-19. Схематическая карта глубин сезонного протаивания глинистых грунтов

Для инженерной практики в большинстве случаев достаточная точность достигается при определении нормативной мощности деятельного слоя (по протаиванию) с помощью карт (рис. III-19 и III-20), составленных раздельно для песчано-гравийных и глинистых грунтов [8].

Рис. III-20. Схематическая карта глубин сезонного протаивания песчано-гравийных грунтов

На этих картах нанесены изолинии глубин сезонного протаивания H^к; влажность принята равной для песчано-гравийных грунтов 5%, для глинистых - 15%. Здесь же приведены графики переходных коэффициентов k_ω к H^н при расчетной влажности, за которую принята для глинистых грунтов влажность на границе раскатывания, для песчаных - максимальная молекулярная влагоемкость.

Карты H^н составлены при средних значениях теплофизических характеристик грунтов. В случаях особого сложения грунтов, когда эти характеристики значительно отличаются от средних значений, а также при отличии условий на поверхности от принятых при составлении карт (в высокогорных районах, на крутопадающих южных склонах) рекомендуется определять величину H^н по формуле В. В. Докучаева [8]:

(III-28)

где t_п - средняя температура поверхности грунта за наиболее теплое лето, определяемая по карте (рис. III-17); τ_п - продолжительность протаивания деятельного слоя в ч (рис. III-18);

Q_M - теплоотток в вечномерзлые слои за время τ_п в ^ккал/_м²;

q - средний расход тепла в деятельном слое в ^ккал/_м³;

(III-29)

(III-30)

где λ_т, λ_м - коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунтов в ^ккал/_{м×ч×град};

t_вгм - температура на уровне верхней границы вечно-мерзлых грунтов в начале протаивания, определяемая изысканиями или приближенно по графику (рис. III-21);

W - весовая влажность грунта в долях единицы;

W_H - весовое количество незамерзшей воды в долях единицы при (рис. III-4);

γ_м - объемный вес скелета мерзлого грунта в ^кг/_м³;

С_т; С_м - объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта в ^ккал/_{м³×град};

C_ср - средняя эффективная объемная теплоемкость мерзлых грунтов с учетом фазовых переходов влаги в ^ккал/_{м³×град}; для песчаных грунтов С_ср = С_м; для глинистых С_ср в ^ккал/_{м³×град} составляют: